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Die offene transparente Bauweise des Zentrums für Virtuelles Engineering erforderte den Einsatz leichter Konstruktionen mit großen Spannweiten. Die Anforderungen an den Entwurf werden einleitend aus der Sicht des Architekten dargestellt. Anschließend werden die Schritte vom architektonischen zum konstruktiven Entwurf beschrieben. Auf die Erfahrungen mit den eingesetzten leichten Bauweisen wird ausführlich aus dem Blickwinkel des planenden Ingenieurs eingegangen.

Centre for Virtual Engineering of the Fraunhofer Institute in Stuttgart-Vaihingen. Light-weight reinforced concrete structures with large spans
The opened and transparent construction of the Centre for Virtual Engineering required the application auf light-weight structures with large spans. In the beginning the draft requirements are shown from the architect's viewpoint. Afterwards the steps from the architectural to the structural concept are described. In detail they dwell on the engineer's experience with the applied light-weight constructions.

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Am Ort des historischen Lehrter Bahnhofs entsteht der wichtigste Bahnhof Deutschlands: Hier kreuzen sich eine West-Ost- und eine Nord-Süd-Strecke für den ICE-Verkehr; hinzu kommen S- und U-Bahn-Linien. Die Nord-Süd-Trasse verläuft 15 m unter der Erde in einem Tunnel, der Spree und Tiergarten unterquert; die West-Ost-Linie liegt in Höhenlage 10 m über Straßenniveau. Ihre 430 m langen Bahnsteige werden mit einer filigranen Glashalle überspannt, die zwei Gebäudescheiben durchschneidet, die den Nord-Süd-Bahnhofsteil im Stadtraum markant abbilden. Zwischen ihnen liegt die 45 m breite und 159 m lange Nord-Süd-Bahnhofshalle, die ebenfalls mit einem filigran konstruierten Tonnendach überdeckt wird. Die Halle bildet zum Stadtteil Moabit auf der einen und dem nahen Regierungsviertel auf der anderen Seite eine einladende Torsituation. Die als Dreibund ausgebildeten, 46 m hohen Gebäudescheiben überspannen die obere Bahnhofshalle brückenartig über eine Breite von 87 m; sie sind für Dienstleistungen, Büros oder Hotelnutzungen bestimmt (Bild 1). Die Glasdächer der Bahnhofshallen sind als Gitterschalennetz aus nahezu quadratischen, in der Größe variierenden Netzmaschen konstruiert, die durch Seile ausgekreuzt werden. Durch das Zusammenwirken von Bögen, Längsträgern und Diagonalseilen entsteht ein schalenartiges Tragverhalten; biegesteife Rahmen sorgen für die notwendige Aussteifung.

Im Aufsatz wird untersucht, welchen Einfluß Wölb- und Torsionsverformungen auf das Tragverhalten eines beidseitig gabelgelagerten Stabes unter Längskraft und doppelter Biegung haben. Die Berechnungen werden nach Fließzonentheorie I. und II. Ordnung durchgeführt, und es werden Last-Verformungs-Diagramme bis zum Erreichen der Traglast angegeben. Bei Theorie I. Ordnung bleiben die Traglasten von den Torsionseffekten unbeeinflußt; das gleiche gilt auch für den Versagensmechnismus, so daß die auf der Basis von Bernoulli hergeleiteten Interaktionsbeziehungen unverändert ihre Gültigkeit behalten. Im Fall der Theorie II. Ordnung werden die Traglasten vor der vollen Querschnittsplastizierung erreicht. Hier wirken sich die Torsionseinflüsse ungünstig auf die Traglasten aus; die Interaktionsbeziehungen werden aus erwähnten Gründen nicht benötigt.

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Bei gekrümmten Bauformen aus Beton bestimmt die Schalung den Aufwand maßgeblich. Formaktive frei geformte Betonstrukturen wie Schalentragwerke sind effiziente Tragsysteme, werden aber durch hohe Schalungskosten oft unwirtschaftlich. Eine wandelbare Schalung für solche Ortbetonstrukturen, die mehrmals einsetzbar und computergestützt immer wieder in andere Formen zu bringen sind, wird positive Auswirkungen auf Umsetzung und Verbreitung solcher Tragwerke haben. Dieser Artikel berichtet über Erkenntnisse der Grundlagenforschung zu adaptiven zweihäuptigen Schalungssystemen für Ortbetonschalen und Wände, die im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms ‘Leicht Bauen mit Beton’ durchgeführt wird. Beschrieben werden die gefundenen Typologien der Aktuator-Schalhaut-Systeme, ihre verschiedenen Funktionsweisen, Anforderungen und geometrischen Gesetzmäßigkeiten. Anhand der Entwicklung eines Materialgefüges wird der Umgang mit dem systemimmanenten Widerspruch behandelt, dass ein adaptives Schalmaterial großen Frischbetondrücken widerstehen muss, gleichzeitig aber zur Umformung ‘weich’ zu sein hat.

Fundamentals of development for adaptive formwork for free formed concrete shells and walls
When it comes to construction of free form in situ cast concrete walls and shells, the manufacturing effort of the formwork dominates the overall production costs. Concrete shells are efficient structures by themselves but get expensive due to the reason stated above. An adaptable formwork, reusable and able to adjust computer controlled to various geometries will have positive impact on the realization of such in situ cast concrete forms. This paper gives insight into the DFG-promoted fundamental research results on adaptive two sided formwork systems. Found typologies of actuator and formwork surface will be described as well as their functionalities, requirements and geometrical principles. On the basis of the development of an adaptive formwork material, the authors describe how to cope with contradicting demands: An elastically defomable formwork material, capable to resist high fresh concrete pressures during casting at the same time.

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Unter Verwendung des statischen Stabilitätskriteriums wird in Verbindung mit der Energiemethode eine spezielle stabbezogene Finite-Elemente-Formulierung entwickelt, mit deren Hilfe ideelle Biegeknick- und Biegedrillknicklasten von BSH-Bogenbindern bequem berechnet werden können. Wegen des geringen numerischen Aufwandes ist diese Formulierung hervorragend für Parameterstudien geeignet, die aufwendige Einzeluntersuchungen auf der Basis von zwei- oder dreidimensionalen FE-Modellen im Normalfall überflüssig machen. Die Ergebnisse einer solchen Studie an BSH-Kreisbogenbindern mit gebundener Obergurt-Kippachse werden im letzten Teil der Arbeit vorgestellt.

Die für das Katastrophenmanagement notwendige Abschätzung der Schäden unter Hochwassereinwirkung ist eine entscheidende, aber bislang methodisch-wissenschaftlich noch unzureichend vorbereitete Aufgabenstellung. In Anlehnung an die für die Risikoanalyse Erdbeben entwickelte Vorgehensweise wird überprüft, inwieweit methodische Grundlagen übernommen werden können bzw. modifiziert werden müssen, und welche Kenngrößen aus Datenerhebungen abzuleiten sind. Dabei wird neben der Hochwassereinwirkung in Form der Überflutungshöhe als wesentliche Neuerung der Einfluß der Bauwerksparameter berücksichtigt. Die Bauweisen sind danach in Verletzbarkeitsklassen einzuordnen, denen einwirkungsabhängig charakteristische strukturelle Schäden bzw. Durchfeuchtungsgrade zugewiesen werden können, die letztlich auch die Höhe des Schadens (Kosten) bestimmen. Wie anhand der Fallstudie Eilenburg gezeigt werden kann, können mit dem gewählte Ansatz für ein vorgegebenes Szenarium Gebiete mit besonders verletzbarer Bauwerksstruktur identifiziert und Empfehlungen für künftige Bebauung abgeleitet werden. Ein Schlüsselelement in der Vorgehensweise liegt in der Aufbereitung der erforderlichen bzw. geeigneten Datenebenen, die über Schadensfunktionen zu verknüpfen sind. Der Beitrag gibt eine Übersicht zu den Vorgehensweisen im mesoskaligen und mikroskaligen Betrachtungsmaßstab. Wie am Beispiel der Stadt Eilenburg gezeigt wird, können mit den bereitgestellten ingenieurmäßigen Hilfsmitteln und Datenebenen die aufgetreten Schäden durch das Hochwasser 2002 in ihrer Höhe und Verteilung reinterpretiert werden.

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