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Currently sculptural design is one of the most discussed themes in architecture. Due to their light weight, easy transportation and assembly, as well as an almost unlimited structural variety, parameterised spatial structures are excellently suited for constructive realisation of free formed claddings. They subdivide the continuous surface into a structure of small sized nodes, straight members and plane glass panels. Thus they provide an opportunity to realise arbitrary double-curved claddings with a high degree of transparency, using industrial semi-finished products (steel sections, flat glass). Digital design strategies and a huge number of similar looking but in detail unique structural members demand a continuous digital project handling. Within a research project, named MYLOMESH, a free-formed spatial structure was designed, constructed, fabricated and assembled. All required steps were carried out based on digital data. Different digital connections (scripts) between varying software tools, which are usually not used in the planning process of buildings, were created. They allow a completely digital workflow. The project, its design, meshing, constructive detailing and the above-mentioned scripts are described in this paper.

Die vorliegende Arbeit fokussiert die Optimierung freigeformter adaptiver Faserverbundflächentragwerke auf Basis einer entwickelten und auf einem parametrischen Gesamtmodell basierenden Entwurfsmethode. Die Übertragung adaptiver, natürlich inspirierter Vorgänge stellt eine weitreichende Inspirationsquelle dar. Adaptive Tragwerke können unter Anwendung von Smart Materials als materialsparende, filigrane Tragwerke ausgeführt werden. Die Erfüllung der Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit wird nicht allein über die Querschnittsabmessungen sichergestellt. Die notwendige Bauteilsteifigkeit kann vielmehr durch Eintragung von Aktivierungsenergie (Operational Energy) realisiert werden. Auf diese Weise kann die aufgrund der Bauteilabmessungen gebundene Energie (Embodied Energy) minimiert werden. Die entwickelte Entwurfsmethode ermöglicht die Auslegung und Optimierung materialminimierter Schalentragwerke in einem mehrstufigen Prozess. Hierbei wird aus tragwerksplanerischer Sicht die numerische Formfindung, die statische Berechnung und die Aktor- und Sensorpositionierung berechnet. Zudem werden Analysen hinsichtlich der Nachhaltigkeit auf Basis einer Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Aufgrund der unterschiedlichen, sich aber gegenseitig beeinflussenden Kriterien, ist eine Optimierung durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz zur Definition zulässiger Ökobilanzkennwerte von Smart Materials auf Basis der Energiedifferenz zwischen einer passiven und einer adaptiven Struktur vorgestellt. Anhand dieser Kennwerte kann die Entwicklung zukünftiger Smart Materials unter dem Aspekt der ganzheitlichen Nachhaltigkeit erfolgen. Die Allgemeingültigkeit und Übertragbarkeit der Entwurfsmethode auf weitere Tragsysteme im Bauwesen und speziell anderer Materialkonstellationen wird anhand verschiedener Beispiele aufgezeigt.

In der vorliegenden Arbeit werden auf Basis des Tensegrity-Konzeptes Strukturen entwickelt und vorgestellt, welche durch einen signifikanten Steifigkeitszuwachs in der Lage sind, die Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit von Tragwerken zu erfüllen. Selbstverankerte Strukturen mit aufgelösten Druckstäben werden als Seil-Stab-Systeme bezeichnet und sind alleiniger Gegenstand aller angestellten Betrachtungen. Tensegrity-Strukturen sollen eine Untergruppe der Seil-Stab-Systeme darstellen, deren symptomatische Eigenschaft eine sich im Tensegrity-Zustand befindliche Geometrie ist. Einer Definition des Tensegrity-Zustandes folgt ein Überblick über die zur Untersuchung von Seil-Stab-Systemen notwendigen Berechnungsalgorithmen. Der Kern der Arbeit beschäftigt sich zunächst mit dem Einfluss der Geometrie auf die Empfindlichkeit von Seil-Stab-Systemen gegenüber unvermeidlichen Herstellungstoleranzen sowie dem Einfluss von Topologie, Vorspannung, lokaler Steifigkeit der Elemente und Geometrie auf die Steifigkeit dieser Systeme. Darauf aufbauend wird eine Möglichkeit gezeigt, die Steifigkeit von beweglichen Seil- Stab-Systemen merklich zu erhöhen, ohne die Strukturen durch zusätzliche Elemente oder Verbindungen optisch zu verändern. Der zu erzielende Steifigkeitszuwachs wird mittels Vergleichrechnungen und durchgeführten Belastungsversuchen verifiziert.

Direkt verglaste Stabnetze repräsentieren ein strukturell und geometrisch hochgradig variables Prinzip zur Realisierung transparenter architektonischer Freiformflächen. Dieses beinhaltet die funktionale Entkopplung der Fassadenkonstruktion in ein tragendes Stabnetz und eine hüllende Verglasung. Ein formal universales, dimensional variables Knotenelement bildet dabei das Herzstück der Konstruktion. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Konstruktiven Entwurf frei geformter, direkt verglaster Stabnetze. Dieser umfasst schwerpunktmäßig die formale und dimensionale Konzeptionierung der Knotenelemente. Er wird maßgeblich beeinflusst von der Dimensionalitätsdifferenz zwischen dem formbeschreibenden Flächennetz aus nulldimensionalen Knoten und eindimensionalen Kanten sowie dem Stabnetz aus dreidimensionalen Knoten bzw. Stäben. Darüber hinaus definieren das freiformbedingte Erfordernis einer unikaten Ausrichtung der Stabnetzelemente sowie die materialspezifische Anforderung einer zwängungsfreien Lagerung der Gläser weitere dominante Einflussgrößen im Entwurfsprozess. In der Arbeit werden zunächst die geometrischen und konstruktiven Randbedingungen des Konstruktiven Stabnetzentwurfs dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Zylinder-Achsen- Modell entwickelt, welches die unikate lokale Situation am Knoten unter Berücksichtigung einer variablen Ausrichtung der Stabnetzelemente sowie beliebig polygonaler Stabquerschnitte abstrahiert. Die Modellierung ermöglicht eine Bewertung des knotenbezogenen Status unter konstruktiven und mechanischen Aspekten. Sie bildet somit die Grundlage für eine Konstruktive Optimierung direkt verglaster Stabnetze. Mit Hilfe des Zylinder-Achsen-Modells werden alle bisher bekannten Prinzipien zur Ausrichtung der Stabnetzelemente analysiert. Dabei offenbaren sich verschiedene Defizite. Zu deren Überwindung werden drei neuartige Lösungsansätze entwickelt. Eine alternative Methode dient folglich zur Bestimmung einer konstruktiv optimierten Ausrichtung der Knotenachse. Ein zweiter Ansatz zielt auf die Definition einer neuartigen Stablängsbezugsachse, welche unabhängig von der Flächenkrümmung eine zwängungsfreie Lagerung der Glaselemente gewährleistet. Schließlich ermöglicht das dritte innovative Prinzip die konsistente Bestimmung einer Stabquerachse auch bei nicht ebenen Viereckmaschen.

Im Ergebnis dieser Arbeit ist es gelungen, die Form der Überdachung des Frei-lufttheaters in Grötzingen als Stabnetzschale zu generieren und in einer Vorbe-messung konstruktiv durchzubilden. Im iterativen Prozess der Formfindung bilden Form, Last, Auflager und Tragver-halten eine Einheit, welche die letztendliche Form eines Tragwerks bestimmt. Kommt es auf Effizienz, Leichtigkeit und große Spannweiten an, so ist die Form eines Tragwerks dem gewünschten Beanspruchungszustand anzupassen. Die Form sollte somit die Folge des Sollkraftzustandes sein und nicht umgekehrt. Während der Formfindung in DOMEdesign ist es nicht gelungen, die Schalen-form über ein Netz mit quadratischen Maschen zu erzeugen, da sich die Berech-nung immer an derselben Stelle der Generierung festgefahren hat. Die Ursache hierfür kann durch die Anzahl der Unbekannten je Knoten während Iterations-schritte in der Berechnung erklärt werden. Die genaue Form wurde durch die Verwendung eines Hexagonnetzes realisiert. Vorher musste das Netz jedoch mittels AutoCad in die geneigte Lage gedreht werden. Den entscheidenden Ein-fluss für die entstehende Form haben die Größen der Radien des ebenen Aus-gangsnetzes. Je kleiner der Radius des Randes, desto schlanker und filigraner bildet sich die Form der Schale aus. Als sehr positives Programmtool soll die Im- und Exportfunktion von DOMEdesign erwähnt werden. Mit deren Hilfe kann jede Konstruktion problemlos als dxf-File in CAD - Programmen bearbeitet und wieder importiert werden. Die Überführung der Netztopologie in eine dreieckige Vermaschung ist im Pro-gramm AutoCad durchgeführt worden. Hierzu war es notwendig, jeden zweiten Punkt eines Hexagons zu fangen und durch Verbinden, Dreiecke zu erzeugen. Nach der ersten Vorbemessung schien die Entscheidung sinnvoll, aufgrund der zunehmenden Normalkräfte zum Auflager hin, eine Staffelung der Stabquer-schnitte vorzusehen. Die Querschnitte variieren von 120/70 (in Schalenmitte) bis 180/70 (am Auflager). Am Übergang zweier Stabgrößen werden gevoutete Stäbe angeordnet. Im Rahmen dieser Vorbemessung stellte sich heraus, dass sich eine reine Schalentragwirkung (nur Druckkräfte) in der gefundenen Konstruktion nicht zu 100 % einstellt. Grund dafür ist der Zusammenhang von Netztopologie, Ge-ländeneigung- bzw. Lage der Lagerpunkte und Art der Beanspruchung. Deshalb treten in der Stabnetzschale vereinzelt Zugkräfte auf, welche vom Dreieck hin zum Hexagon abnehmen. Im maßgebenden Lastfall bewegen sich die Beträge der Verformungen in einem tolerierbaren Bereich von bis zu maximal 3,7 cm, welche die Zulässigen von maximal 13,3 cm deutlich unterschreiten. Die Fortschritte durch Computer - orientierte - Verfahren zur Formfindung und Bemessung haben die Formvielfalt beim Bau von doppelt gekrümmten Flächen aus Stahl und Glas erweitert. Die automatisierte Fertigung erlaubt es, sich von den bisher immer geforderten gleichen Stablängen und gleichen Knotenausbil-dungen loszulösen. Um die gefundene Schalenform konstruktiv umzusetzen, ist es notwendig einen Knoten zu finden, welcher den Ansprüchen in Bezug auf Stabverdrehung, Glasauflagerung und Schalenkrümmung genügt. Hierbei gibt es eine Vielzahl an möglichen Konstruktionen. Da an bestimmten Knoten große Un-terschiede zwischen Vertikalwinkeln auftreten, fiel in dieser Arbeit die Entschei-dung zu Gunsten eines Zylinderknotens, dessen lokale Geometrie durch die unterschiedlichen Stabenden realisiert wird. Der Knoten selbst übernimmt nur die Einstellung der Horizontalwinkel. Die Verbindung zwischen Stab und Knoten wird mittels zweier Schrauben, die übereinander und senkrecht zur Knotenachse aus-gerichtet sind, hergestellt. Dazu wird an den Stabenden ein 1 cm starkes Blech angeschweißt, wodurch die Schrauben vom Knoten her vorgespannt werden können. Die Oberkante des Knotens darf dabei nicht über die Staboberseiten herausragen, da sonst keine durchgehende Auflage der Glasscheiben möglich ist.