Entwicklung eines bionischen Tragwerks aus Textilbeton nach dem Vorbild des Kofferfischskeletts

Abstract

Beton trägt aufgrund des hohen Treibhausgasausstoßes, der vor allem bei der Produktion von Zement anfällt, maßgeblich zur globalen Erwärmung bei. Durch den Einsatz von Hochleistungswerkstoffen in einer belastungsoptimierten Bauteilgeometrie ist es möglich, ressourcensparendere,effizientere Konstruktionen zu errichten. Die Verwendung von korrosionsbeständigen Faserverbundwerkstoffen,wie zum Beispiel Textilbewehrung anstelle von üblicher Stahlbewehrung,ermöglicht darüber hinaus eine Reduktion der erforderlichen Betondeckung auf ein Minimum.Auf diese Weise können wesentlich schlankere, leichtere Bauteile konstruiert und Betonvolumen gespart werden.Die Formfindung für solche Bauteile ist kein einfaches Unterfangen. Die Natur bietet aber viele Vorbilder für materialgerechtes Konstruieren. Im Rahmen der Bionik wird die Natur als Ideengeber für besonders effiziente Konstruktionsweisen herangezogen. In vorliegender Arbeit wird daran anlehnend das Skelett eines Kofferfischs untersucht. Zu diesem Zweck wurde mittels Micro-CT Scan ein digitales 3D-Modell des Skeletts angefertigt, welches einen detaillierten Einblick in dessen Aufbau ermöglicht. Das Skelett besteht aus vorwiegend hexagonalen Platten,die an der Unterseite durch Diagonalrippen, sowie einen außen verlaufenden Zugring unterstützt sind. Statischen Überlegungen zufolge wird die Last im Skelett wie folgt abgetragen: Eine von außen angreifende Flächenlast resultiert in Druckspannungen an der Plattenoberseite, Zugspannungen an der Unterseite mit jeweils deutlichen Spannungsspitzen im Plattenzentrum, sowie Normalkräften in den Diagonalrippen, welche zum Rand hin in hohe Drucknormalkräfte (Druckbogenwirkung) übergehen. Der äußere Ring schließt den Kraftfluss über Zugnormalkräfte. In Anlehnung an die Geometrie des Fischskeletts wird ein Plattentragwerk aus Textilbeton mit demZiel bestmöglicher Lastabtragung unter geringstmöglichem Materialaufwand entwickelt. Diesesbesteht aus einer dünnen, hexagonalen Betonplatte, schlanken Diagonalrippen, die sich zum Plattenzentrum hin verjüngen, sowie einem exzentrisch zur Plattenunterseite angeordneten Ring aus Stahl. Statische Untersuchungen einer einzelnen Platte zeigen, dass die Schnittgrößen undVerformungen maßgeblich von der Steifigkeit des außenliegenden Zugrings, sowie von der Exzentrizität desselben abhängen. Je steifer der Zugring ist, desto eher kann eine Druckbogenwirkung der Diagonalrippen aktiviert werden, wodurch die Zugbeanspruchungen sowie die Biegeverformungen reduziert werden. Besonders günstige Schnittgrößen- und Verformungszustände können durch Vorspannen des äußeren Zugrings erzielt werden.In weiterer Folge ist es denkbar, ähnlich wie beim Skelett des Kofferfischs, mehrere solcher Platten modular zu einem Gesamttragwerk zusammen zu setzen. Langfristiges Ziel ist es, eine schlanke Dach- oder Deckenkonstruktion zu entwickeln, die durch gesteigerte Ressourceneffizienz einen geringeren ökologischen Fußabdruck besitzt als herkömmliche Plattentragwerke aus Stahlbeton.

Due to its high emission of greenhouse gases, the production of concrete contributes significantly to global warming. With the use of high performance materials, as well as a geometry that is optimized towards the distribution of forces, it is possible to build in a more efficient manner,thus saving resources. Furthermore, the replacement of steel reinforcement with non-corrosive fibre reinforced polymers (FRPs) enables a reduction of the necessary concrete cover. Henceforth,slimmer and lighter structures can be created and the concrete mass can be reduced.The process of form finding can be difficult. However, nature provides numerous examples for material-efficient constructions. „Bionics” ist the name of a field of science, in which natural role models are taken as inspiration for particularly efficient structures. Following basic principles of bionics, the carapace of a boxfish is analysed in this thesis. By the use of a Micro-CT scan, a digital 3D-model of the carapace was created, which allowed a detailed evaluation of its structure.The carapace consists of numerous scutes, predominantly hexagonal in shape, with struts on the bottom, orinigating diagonally from the corners and tapering toward the center of the scute. A polygonal ring connects the struts on the outermost border. The structural analysis of the elements suggests the following load transfer: A surface load causes compressive stresses on the top side of the scute and tensile stresses on the bottom, showing peak stresses in the center. Furthermore, it results in tensile forces in the diagonal struts, which transition into high compressive forces towards the corners. The outer polygon serves as a tension ring that short circuits the compressive forces of the struts.Based on the geometry of the boxfish carapace, a possible slab structure made of textile reinforced concrete is found. It consists of a thin, hexagonal concrete slab, slim diagonal ribs,which temper towards the center and an eccentrical outer ring of steel. The goal was to maximize its load bearing capacity, while minimizing the amount of material used. Structural analysis of a single hexagonal slab element revealed, that the stress ratio and the deformation of the system is strongly affected by the stiffness of the outer ring as well as its eccentricity. A stifferring allows for the formation of a compressive arch along the diagonal elements, resulting in a reduction of tensile forces as well as deflections. Furthermore, favorable results can be achieved by prestressing the outer ring made of tensile elements.Subsequently, it is aimed to form a larger slab structure by connecting several of the hexagonal elements, much like the carapace of the boxfish is made of numerous connected scutes. The long-term goal is the development of a slim roof or slab structure made of textile reinforced concrete, that is characterised by an enhancement of resource efficiency and a lower environmental impact compared to ordinary slabs made of steel reinforced concrete.