Ringseildächer mit CFK‐Zugelementen

Abstract

Während im Automobil‐ und Flugzeugbau die beiden Hauptvorteile von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), hohe Festigkeit und geringes Gewicht, gut ausgenutzt werden können, kann man sich bei den Immobilien des Bauwesens zunächst nur die hohe Festigkeit von CFK zunutze machen. Auf der Suche nach Tragwerken, bei denen auch geringes Gewicht besonders hilfreich ist, stößt man schnell auf die weitgespannten, zugbeanspruchten und vorgespannten Flächentragwerke. In diesem Artikel soll das Potenzial von CFK‐Zugelementen für Ringseildächer aufgezeigt werden. Dazu wird ein typisches Ringseildach mit Stahlseilen mit einem solchen mit CFK‐Zugelementen verglichen und dabei auf den Einfluss der Eigenschaften verschiedener Kohlenstofffasern eingegangen. Es wird gezeigt, wie die Seilquerschnitte im Ringseildach mit dem Ersatz von Stahl durch CFK reduziert werden können, während die Verformung durch den Effekt der Vorspannung gleich bleibt. In einer Kostenabschätzung wird deutlich, dass die Leichtbaueigenschaften von CFK‐Zugelementen trotz des höheren Materialpreises zu einer wirtschaftlichen Alternative für Ringseildächer führen können. Zuerst aber werden die bekannten Vor‐ und Nachteile von CFK zusammengefasst und ein Überblick über bereits gebaute Tragwerke gegeben. Am Schluss wird der Prototyp eines Ringseildachs, der am Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin gebaut wurde, vorgestellt. Spoke‐wheel cable roof with CFRP tension members While the automobile and aircraft industries take advantage of both of the two main characteristics of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), high strength and low weight, usually only one advantage of CFRP, namely high strength, is relevant in the construction industry. When looking for types of structures where the low weight is also of particular use, large‐span, highly‐tensioned and pre‐stressed roof‐structures quickly come to mind. In this paper, the potential of CFRP tension members used in a spoke‐wheel cable roof is demonstrated by comparing a typical spoke‐wheel steel cable roof with a corresponding roof structure with CFRP tension members. The structural influence of carbon fibers with different properties is investigated. Cost estimation shows that the structural properties of CFRP tension members may lead to a cost efficient alternative for spoke‐wheel cable roofs despite of their higher material price. As an introduction the advantages and disadvantages of CFRP material are discussed and already existing CFRP cable structures are presented. At the end of the paper, a prototype of a spoke wheel CFRP cable roof, which was designed and built by the civil engineering institute of the Technical University of Berlin, is introduced.

Stadtbahnbrücke

“…Die Entwurfsplanung startete mit Hängern aus vollverschlossenen Spiralseilen. Zu gleicher Zeit beschäftigte sich das Büro sbp in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin mit dem Einsatz von Carbon in vorgespannten Tragwerken [1–3]. Den dadurch gesammelten Erkenntnissen und dem zündenden Gedanken von Lorenz Haspel verdankt die Stadtbahnbrücke den weltweit ersten Einsatz von Carbonhängern bei Netzwerkbogenbrücken – eine Innovation, die den Entwurf von Brücken mit hohen Ermüdungslasten stark und nachhaltig beeinflussen wird [4].…”

Prestressing concrete members with fibre‐reinforced polymer reinforcement: State of research

“…These consist of several layers of CFRP strips fixed together in the form of a loop with anchorages or bolts at the ends, which allow to induce forces into the strips. Research is conducted to apply the tension members in plane cable structures which are loaded perpendicularly to the CFRP axes …”

“…Research is conducted to apply the tension members in plane cable structures which are loaded perpendicularly to the CFRP axes. [54][55][56]96…”

Brücken aus vorgespanntem Carbonbeton

“…CFK‐Zugglieder haben aber nicht nur im Brückenbau großes Potenzial. Besonders wenn sie vorgespannt werden, kann eine enorme geometrische Steifigkeit aktiviert werden, die besonders leichte Ringseildächer oder Seilnetzfassaden ermöglicht. Ein erster kleiner Prototyp einer Ringseilkonstruktion wurde 2013 an der TU Berlin gebaut und derzeit ist eine erste Seilnetzfassade in Planung, bei der ein Netz aus filigranen, hoch vorgespannten horizontalen und vertikalen Carbonseilen in den Fugen zwischen den Gläsern einer Fassade ein praktisch unsichtbares Tragwerk bilden .…”