Faltbare Tragstrukturen - Räumliche Scherengitter für mobile und wiederverwendbare Anwendungen in der Architektur

Abstract

Auf dem Gebiet der kinetischen Architektur zeichnen sich faltbare Konstruktionen durch ihre Fähigkeit aus, eine starke Veränderung der Form und Größe auf autonome Weise vollziehen zu können. In der Regel expandiert eine solche Struktur von einem komprimierten, geschlossenen Zustand in einen weit größeren, entfalteten oder geöffneten Zustand. Solche Strukturen können aus faltbaren Gittern oder Platten, gespannten Membranen oder Zugseilen und Druckstreben bestehen. Auch Kombinationen der genannten Konstruktionen sind möglich. Der Fokus dieser Diplomarbeit liegt auf der Unterkategorie faltbarer, räumlicher Tragwerke, bestehend aus geraden Stäben welche gelenkig verbunden sind - sogenannte Scherengitter. Ihre Eigenschaften in Bezug auf die Faktoren Materialeffizienz, Ausdehnungs-Verhältnis, Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit der Mechanik, lassen ein hohes Potential für den Einsatz im Bereich mobiler, wieder verwendbarer, temporärer oder beweglicher Konstruktionen vermuten. Bisher ist die Umsetzung solcher Konstruktionen in der Architektur jedoch begrenzt. Ein Grund dafür ist der hohe Anspruch in Bezug auf die Gestaltung einer kompatiblen Gittergeometrie, insbesondere bei komplexen räumlichen Konfigurationen und unter Berücksichtigung der Limitationen aufgrund von Transportgrößen. Mithilfeparametrischer Modelle entwickelt diese Diplomarbeit eine Entwurfsstrategie für weitgespannte, faltbare Scherengitter auf Oberflächen mit doppelter Krümmung, einschließlich interaktive Überwachung des Faltvorgangs, sowie der mechanischen Beanspruchung und des Tragverhaltens. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die geometrischen Rahmenbedingungen der Faltbarkeit von Scherengittern sowie deren technische Umsetzung, zusammengefasst und erläutert. Diese Prinzipien werden an einer Reihe digitaler Modelle erprobt. Drei Gitterkonfigurationen werden ausgewählt und als Fallstudien herangezogen, wobei das Tragverhalten analysiert, die Querschnitte optimiert und der Faltvorgang simuliert wird. Die Ergebnisse werden im Detail besprochen. Das letzte Kapitel widmet sich einer Strategie für die Fertigung, die Montage und die Installation solcher Scherengitter. Ein rationalisierter Knotenverbinder wird entwickelt und ein integriertes Antriebssystem zur Steuerung des Faltvorgangs wird vorgeschlagen. Neben den digitalen Modellen werden mehrere funktionsfähige Prototypen gebaut und dokumentiert.

In the field of kinetic architecture, deployable structures are characterized by their capacity to execute large configuration changes in an autonomous way. Typically, the configuration transforms from a compact or closed retracted state to a much larger, opened deployed state. Deployable structures can include expandable grids, foldable plates, tensioned membranes, strut-cable systems, or a combination of the above. This thesis focuses on the sub-category ofdouble-layer scissor grids, consisting of straight bars, linked with articulated joints. Their performance in regard to material efficiency, volume expansion ratio, mechanical reliability, and durability indicates a high potential for use in the field of mobile, reusable, temporary, and transformable structures. However, their application in architecture has so far been limited. A reason for this can be found in the complexity of design, particularly when dealing with complexspatial configurations and limitations in transport size. Utilizing parametric modeling environments, this thesis develops a strategy for designing wide-span deployable scissor grids on surfaces with double curvature with an interactive evaluation of deployment and structural performance. This strategy is applied to several case studies and the results are discussed. The underlying geometric conditions for deployability and their technical implementation are summarized and illustrated in the first part of this thesis. These principles are illustrated in a number of digital models. A selection of three grid configurations is modeled in detail and presented as case studies, where the structural performance is reviewed and the deployment process is simulated and discussed in detail. The final chapter proposes a strategy for fabrication, assembly, and installation. A rationalized node connector is developed in detail and a structurally integrated drive system is proposed for controlling the deployment process. Apart from digital models, several functioning prototypes are built.