No abstract

No abstract

Der Rosenstein‐Pavillon ist eine funktional gradierte Betonschale, die für die Sonderausstellung „baubionik – biologie beflügelt architektur“ im Stuttgarter Schloss Rosenstein entworfen und gebaut wurde. Die dort präsentierten Exponate zeigen die Forschungsergebnisse des Sonderforschungsbereichs TRR 141 „Biological Design and Integrative Structures“, in dem biologische Vorbilder im Hinblick auf eine mögliche Abstraktion von Wirkprinzipien und deren Übertragung auf Objekte und Technologien des Bauwesens untersucht werden. Der Pavillon ist ein Prototyp der Implementierung eines Konstruktionsprinzips leichter, aber starker Strukturen, die anhand struktureller Biomaterialien als Inspirationsquelle für gewichtsoptimierte Tragsysteme entwickelt wurden. Im Zentrum der Forschung stand das bionische Prinzip der Strukturoptimierung durch die lokale Anpassung von mechanischen Eigenschaften an äußere und innere Gegebenheiten. In den technischen Disziplinen ist dieses Prinzip auch als funktionale Gradierung bekannt und wird in den Materialwissenschaften, der Medizin, dem Maschinenbau und dem Bauingenieurwesen in großer Breite angewendet – Voraussetzung hierfür ist die Entwicklung von Werkstoffen und Strukturen mit Eigenschaften, die lokal an statische, mechanische, physikalische oder sonstige funktionelle Anforderungen angepasst werden können. Im vorliegenden Beitrag wird vorgeschlagen, das Prinzip der Gradierung auf den Bereich des Designs und der Architektur auszudehnen – die Material‐ und Energieeffizienz des Gebäudes soll als ebenso wichtig angesehen werden wie andere Entwurfsfaktoren. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Verknappung der natürlichen Ressourcen im Kontrast zu einer stetig wachsenden Bevölkerung von besonderer Bedeutung.

This paper concerns a novel method of constructing shell structures from flat concrete plates by means of active bending. The method is described together with a series of experimental investigations. The theoretical background for this method is given in Berger et al., Actively bent concrete shells, Struct Concrete, 2020. The method makes use of the high capacity for rotation exhibited by thin concrete plates that are reinforced with highly elastic tensile reinforcement. When these plates are subjected to eccentrical forces introduced by external tendons they are raised and bent precisely into a desired curved shape. The method was investigated and refined along with a series of experiments which are the subject of this paper: uniaxial tensile tests on rovings to determine their elongation at fracture, bending tests on small concrete plates to determine possible radii of curvature, and large‐scale tests to demonstrate the erection process of actively bent shells.

Combining two high-performance materials—ultra-high-performance concrete (UHPC) as the matrix and carbon-fibre-reinforced composites (CFRP) as the reinforcement—opens up new possibilities for achieving very lightweight thin-walled concrete elements. This strategy, however, leads to a higher degree of material utilisation, resulting in the generation of higher forces around load introduction points and supports. The authors present a solution for increasing the performance of supports of very slender CFRP-reinforced UHPC beams by using metal implants. Implants are used in place of concrete in regions of stress concentrations and significant deviation forces. These are able to transfer high stresses and forces efficiently due to their ability to sustain both tension and compression in equal measure. A key issue in their development is the interface between the reinforced concrete and metal implant. Building on previous research, this paper deals with the conceptual design of three types of implants manufactured from different metals and with three different types of automated production technologies (water-jet cutting, metal casting with a 3D-printed plastic formwork and binder jetting of steel components). For this paper, tests were carried out to determine the load-bearing behaviour of beams with the three different types of support implants used for load introduction at the supports. A carbon rod served as bending reinforcement and a pre-formed textile reinforcement cage served as shear and constructive reinforcement.