Stuttgart Smart Shell

Adaptives Schalentragwerk

Gallerie

Minimaler Materialeinsatz, aber maximale Belastbarkeit. Das können in Zukunft möglicherweise neue adaptive Schalentragwerke bieten, indem sie Material durch Energie substituieren, die bei Bedarf eingesetzt wird. Forscher der Institute für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK) sowie für Systemdynamik der Universität Stuttgart realisierten das erste solche Tragwerk der Welt, das Stuttgart Smart Shell.

Dabei handelt es sich um eine nur 4 cm dicke, mehr als 10,00 m weit spannende, doppelt gekrümmte Schale aus Holz. Das Leichtgewicht wiegt nur 1,4 t, also weniger als 20 kg/m². Der vierlagige Aufbau besteht aus Leistensegmenten von 5 cm Breite und bis zu 3,00 m Länge aus Fichtenholz. Mit einer CNC-Fräse wurden diese zugeschnitten und mit einer Keilzinkenverbindung miteinander verklebt. Errichtet wurde dieses neuartige Tragwerk direkt vor Ort unter einem Zeltdach.

Für sich betrachtet, ist die Schale viel zu dünn, um größeren Belastungen standzuhalten. Die Besonderheit der Smart Shell ist aber ihre Anpassungsfähigkeit. Die Schale aus Holz ist auf vier Punkten gelagert, von denen drei durch Hydraulikzylinder individuell um bis zu 15 cm bewegt und neu im Raum positioniert werden können. Sensoren dienen dazu, den Belastungszustand an zahlreichen Punkten des Tragwerks zu erfassen. Darauf reagiert das System innerhalb von Millisekunden mit gezielten Bewegungen der Auflagerpunkte. Diese Bewegungen wirken veränderlichen Lasten entgegen, zum Beispiel durch Schnee, Wind oder sogar Erdbeben. Auf diese Weise reduzieren sich Verformungen und Materialspannungen, sodass der Materialeinsatz für die Schalenkonstruktion im Vergleich zur konventionellen passiven Bauweise erheblich verringert werden kann.

Simulationsmodelle zur Vorhersage des Verhaltens der Struktur unter verschiedenen Belastungen halfen bei der Entwicklung. Zunächst galt es, die Einflussfaktoren auf das Tragwerk genau zu erfassen. Dabei berücksichtigten die Forscher der Universität Stuttgart Materialbeanspruchung und Schwingungsverhalten unter statischen und dynamischen Einwirkungen. Daraufhin berechneten die Forscher die erforderlichen Gegenbewegungen zur Last- und Schwingungskompensation. Diese Bewegungen kann die Hydrauliksteuerung präzise umsetzen.

Damit zeigen die Forschungsergebnisse erstmals neue Möglichkeiten einer Ultraleichtbauweise auf, bei der selbst gegenüber den leichtesten bisher denkbaren Strukturen eine große Menge an Material eingespart werden könnte, während gleichzeitig eine hohe Standsicherheit erzielt werden kann. Bislang wurden Bauwerke stets für eine bestimmte Spitzenbeanspruchung ausgelegt. Da eine solche maximale Beanspruchung aber nur sehr selten und meist nur für kurze Zeit auftritt, wird ein nicht unerheblicher Teil der verwendeten Baumaterialien tatsächlich nur wenig genutzt. Anwendungsmöglichkeiten für den Ultraleichtbau bieten sich in vielen Bereichen des Bauwesens, so etwa bei Stadiondächern, Hochhäusern, Brücken oder weitspannenden Fassadenkonstruktionen.

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