Wickelverstärkte Hybridrohre

Es ist ein Ziel des Schwerpunktprogramms SPP 1542 „Leicht Bauen mit Beton – Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Grundlagen für neue Arten des Konstruierens, Entwerfens und Bauens zu schaffen. Für das leichte Bauen mit Beton müssen neue Konstruktionskonzepte entwickelt werden, die traditionelle Entwurfsprinzipien der Betonbauweise erweitern. Dies führt einerseits zu formoptimierten Konstruktionen (form follows force), andererseits aber auch zu neuen Kombinationen in der Materialauswahl im Sinne eines „material follows force“. Der Gedanke, beide Konstruktionsprinzipien auch unter dem Aspekt günstiger herstellungstechnischer Randbedingungen zu vereinen, bildet den Kerngedanken des SPP-Teilprojekts „Wickelverstärkte Hybridrohre“.

In der Pflanzen- und Tierwelt stellt das Prinzip „Röhre“ neben dem Prinzip „Schale“ eine der effektivsten Konstruktionsweisen im Leichtbau dar. Die bautechnische Umsetzung dieses Prinzips als Hohlprofilkonstruktion zeichnet sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Tragfähigkeit und Gewicht aus. Dieses in der Natur beobachtete Konstruktionsprinzip wurde am Institut für Baustoffe bereits im Rahmen der Dissertation Lindschulte für die Entwicklung von hocheffizienten Stabtragwerken aus Hochleistungsbeton aufgegriffen und wird in diesem Projekt mit einem neuen Konstruktionsansatz - einer zusätzlichen CFK-Wickelverstärkung - weiterentwickelt werden.

Das Ziel des Forschungsprojektes besteht in der Entwicklung einer material- und formoptimierten Konstruktionsweise für leichte Stabtragwerke aus wickelverstärkten Hybridrohren einschließlich zugehöriger Berechnungsmethoden zur Traglast- und Resttraglastprognose. Als Besonderheit dieser Konstruktionsweise wird jeder Komponente des Bauteilquerschnitts ein spezifischer Aufgabenbereich im Lastabtrag zugewiesen. Die Hauptkomponente dieser Struktur bildet eine vergleichsweise dünne Kernschicht aus Hochleistungsbeton mit der Hauptaufgabe, die Druckspannungen aufzunehmen. Umgeben ist der Kern von einem inneren sowie äußeren Stahlblech. Diese Bleche erzeugen eine für die Bauteilduktilität notwendige Stützwirkung und dienen darüber hinaus als verlorene Schalung im Sinne einer vereinfachten Herstellung des Hohlprofils. Aus den eigenen Vorarbeiten geht hervor, dass die Stützwirkung besonders vorteilhaft wirkt, wenn sie in Längsrichtung möglichst weich und in Umfangsrichtung möglichst steif ausgelegt wird. Ein solches anisotropes Materialverhalten kann besonders effektiv durch Faserkunststoff­verbunde als Wickelverstärkung realisiert werden.

Um Modelle zur Beschreibung des Tragverhaltens solcher wickelverstärkter Hybridrohre unter zentrischer und exzentrischer Normalkraft herzuleiten, sollen die drei maßgebenden Strukturkomponenten Betonkern, Stahlblech und CFK-Wickelverstärkung in experimentellen und numerischen Untersuchungen variiert werden. Auf diese Weise sollen neuartige Leichtbaustrukturen aus Beton etabliert werden.