Pneumatisches Verformen von ausgehärtetem Beton : die Errichtung von Betonschalen aus ursprünglich ebenen Platten

Abstract

Die Errichtung von freigeformten Betonschalen ist mit den momentan zur Verfügung stehenden konventionellen Bauverfahren sehr teuer. Ausschlaggebend dafür sind die hohen Kosten für zweifach gekrümmte Schalungen und die dafür erforderlichen Stützkonstruktion. Grundsätzlich haben Schalen den Vorteil, dass sich bei günstiger Wahl der Geometrie ein Membranspannungszustand einstellt und somit große Spannweiten ohne zusätzliche Vorsehung von Stützen gebaut werden können. In der Vergangenheit wurden bereits Schalen mit einem Spannweiten-Dicken (L/D) Verhältnis von bis zu 400 verwirklicht. Im Vergleich dazu können bei konventionellen Stahlbetonbalken bzw. Stahlbetondecken L/D Verhältnisse von 8-25 erreicht werden. Diese kumulative Dissertation besteht aus einem Einleitungskapitel und drei publizierten Fachaufsätzen. Darin wird ein neues Schalenbauverfahren vorgestellt, mit dem freigeformte Betonflächen mit geringerem Aufwand an Material und Arbeitszeit mit möglichst hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Die Idee ist, zweifach gekrümmte Schalen aus ebenen, ausgehärteten Betonplatten mit Hilfe von pneumatischer Schalung, pneumatischen Keilen und einer Vorspannung in Umfangsrichtung zu errichten. Das Einleitungskapitel beschreibt die Problemstellung, die Ziele der Arbeit, die Methodologie und den momentanen Wissenstand über Schalenbauverfahren. Zusätzlich wird auf den Formfindungsprozess, die Verfahrensoptimierung und die Wahl der Bewehrung eingegangen. Nach einer Zusammenfassung der drei Publikationen wird im letzten Abschnitt ein Resümee über die gesamte Arbeit gezogen und ein möglicher Ausblick auf eine erste Anwendung in der Praxis sowie weitere mögliche Forschungstätigkeiten gegeben. Zu Beginn der drei Aufsätze wird jeweils ein Überblick über den Stand der Technik und die aktuell in Entwicklung befindlichen Schalenbauverfahren gegeben. Der zweite Teil umfasst jeweils eine Erklärung der "Pneumatic Forming of Hardened Concrete" (PFHC) Baumethode. Im ersten Aufsatz Herstellung von Schalentragwerken aus Beton mit der "Pneumatic Wedge Method" - Ein neues Bauverfahren für den Bau von zweifach gekrümmten Betonflächen [1], wird die Durchführung von ersten Biegevorversuchen zur Ermittlung einer für die Anwendung passenden Beton-Bewehrungskombination beschrieben. Der Hauptteil umfasst die Durchführung, Berechnung und Auswertung eines Großversuchs an einer Kugelschale mit 50mm Dicke, 10.8m Durchmesser und 3.3m Höhe. Der zweite Aufsatz Application areas for pneumatic forming of hardened concrete [2], behandelt den Formfindungsprozess und die bei der Planung einzuhaltenden Randbedingungen bezüglich der mit dieser Baumethode herstellbaren Formen. Dabei werden analytisch beschreibbare Betonschalen sowie freigeformte Betonschalen analysiert. Anhand des durchgeführten Versuchsprogramms zur Errichtung der in Aufsatz 1 im Detail beschriebenen Versuchsschale wird die praktische Umsetzung erklärt. Anschließend wird der Hebeprozess von einer ebenen Platte zu einer zweifach gekrümmten Schale an allgemeinen Formen beschrieben und anhand von Berechnungen verifiziert. Im letzten Teil werden die Zusammenhänge zwischen der Dicke und der maximal aufnehmbaren Krümmung von bewehrten Betonplatten sowie die dabei auftretenden Kräfte beschrieben. Zusammenfassend werden mögliche Verbindungen der einzelnen Betonelemente im Endzustand sowie die dafür durchgeführten Fugenzugversuche behandelt. Zuletzt werden noch mögliche praktische Anwendungen vorgestellt. Die dritte Publikation Pneumatic forming of hardened concrete - building shells in the 21st century [3], stellt eine weitere Optimierung der verwendeten Beton-Bewehrungskombination mit Hilfe von Finite-Element-Berechnungen, zentrischen Zugversuchen, Vierpunkt-Biegeversuchen und Verbundversuchen vor. Der Hauptteil beschreibt die Durchführung eines Großversuchs zur Errichtung einer Freiformschale mit einer Dicke von 50mm, den Grundrissabmessungen von 17.6m mal 10.8m und einer Höhe von 2.9m. Dabei wird auf den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung sowie die erhaltenen Ergebnisse eingegangen. Im Detail werden der Verformungsprozess und die dabei auftretenden Risse und die Geometrieabweichungen der Endform analysiert. Abschließend werden mögliche Anwendungen durch Teilabbruch der im Großversuch hergestellten Freiformschale präsentiert.

The production of double curved shells using conventional building methods with double curved formwork and falsework is very expensive. So why use a double curved concrete shell as supporting structure? When a favorable shape is chosen, a membrane state of stress in the concrete shell can be reached and large spans can be covered with minimal thickness of the concrete without using columns. While conventional slabon- beam structures can be built with a span-to-effective-depth ratio of 8 to 25, the same ratio is much higher for shells (up to 400). This PhD-thesis consists of an introductory chapter and three papers. A new shell construction method for building double curved shells with a high accuracy and thus saving material and man-hours, is presented. The idea is to build double curved concrete shells out of flat hardened concrete plates using pneumatic formwork and pneumatic wedges. The introduction gives an overview about the specific requirements of the scientific work, the aims, the methodology and state-of-the-art of shell construction methods. Additionally, the form finding process, the optimization of the construction method and the choice of reinforcement are discussed. The three papers are then summarized, an outlook for a first practical application of the building method is given and finally further possible research activities on this topic are presented. In the first part of each paper an overview about the state-of-the-art of shell construction methods is given and current newly invented construction methods are mentioned. The second part of each paper explains the functionality of -Pneumatic Forming of Hardened Concrete- (PFHC). In the first paper: Herstellung von Schalentragwerken aus Beton mit der "Pneumatic Wedge Method" - Ein neues Bauverfahren für den Bau von zweifach gekrümmten Betonflächen [1], a first preliminary bending test series for the determination of the maximum achievable deflection of rectangular concrete slabs is described. The main part of the paper focuses on the erection of a spherical prototype concrete shell with a diameter of 10.8m and a height of 3.3m. In the final part, results of the large scale experiment, accompanying calculations for the distortion and calculations on the finished structure are explained. The second paper: Application areas for pneumatic forming of concrete [2], mainly deals with the definition of boundary conditions for the use of the building method "Pneumatic Forming of Concrete". In particular, analytically describable concrete shells and free formed concrete shells are analyzed. Afterwards the preliminary experiments and the large scale experiment on a spherical shell are described. Furthermore, the lifting process of concrete shells is subdivided in different parts and is explained with the help of calculations. The final part defines a relation between the thickness of a concrete plate, the maximal achievable curvature and the forces occurring during the bending process. Each of the single curved concrete elements is bent respectively during the transformation process. A proposal for two different methods of connecting the elements after the erection of the shell is made, and the results of joint-tension-tests are presented. Finally different application areas for the building method are explained and shown in form of photorealistic renderings. The third paper: Pneumatic forming of hardened concrete - building shells in the 21st century [3], presents the erection of a free formed prototype concrete shell with a thickness of 50mm, a length of 17.6m, a width of 10.8m and a height of 2.9m. At the beginning a further optimization of the concrete-reinforcement-combination determined by Finite-Element-calculations, centric-tension-tests, four-point-bending tests and bonding tests is presented. The design of the large scale experiment, the transformation process and the final results are discussed in the main part of the paper. In conclusion, possible applications of "Pneumatic Forming of Hardened Concrete" are shown in form of partial demolitions of the large scale experiment and further visualizations.