Beschreibung
P 846 – Untersuchungen zur Herstellbarkeit von frei geformten Hüll- und Fassadenelementen als selbsttragende Struktur ohne Unterkonstruktion aus nichtrostendem Stahl mittels inkrementeller Blechumformung (IBU)
Der in den letzten Jahrzehnten gestiegene Wunsch nach individualisierten Produkten zeigt sich im Bauwesen vor allem in der Erweiterung des Formenspektrums, wie beispielsweise in der Freiform-Architektur. Auf Grund fehlender ausgereifter und universell anwendbarer Baukonzepte werden freigeformte Fassaden- und Dachkonstruktionen zumeist als Einzellösungen mit materialintensiven Unterkonstruktionen realisiert, wobei die Hüllflächen teilweise weder lasttragende noch funktionelle Aufgaben übernehmen.
In diesem Kontext beschreibt der Forschungsbericht ein neues Baukonzept für selbsttragende Leichtbau-Freiformstrukturen, das die Möglichkeit bietet, denLastabtrag sowie Funktion und Design der Gebäudehülle in einer zweilagigen Struktur zu vereinen. Die Kombination aus Tesselierung und Faltung einer Hüllfläche, die grundsätzlich den Aufbau selbsttragender Strukturen aus Metallblech ermöglicht, wurde dazu im beschriebenen Forschungsprojekt auf komplexe freigeformte Geometrien übertragen. Die auf Basis der inkrementellen Blechumformung (IBU) entwickelte flexible Fertigungskette eignet sich für die Produktion der erforderlichen Fassadenelemente auch im Falle von Freiform-Entwürfen, bei deren geometrischer Approximation zwangsläufig eine Vielzahl individueller Einzelteile entsteht.
Eine ganzheitliche Optimierung des Baukonzeptes wurde insbesondere dadurch ermöglicht, dass in enger Zusammenarbeit zwischen Architekten, Bauingenieuren und Fertigungstechnikern die gesamte Prozesskette vom anfänglichen Design über die Fertigung bis hin zur Endmontage mit all ihren Interaktionen analysiert und aufeinander abgestimmt wurde. Darüber hinaus konnte das gesamte Baukonzept mit allen Details der Entwurfsausarbeitung und der Fertigungs-, Fügeund Montagetechnik in einem eigens entwickelten Softwaretool für die Planungsphase verankert werden. Dieses Softwaretool unterstützt somit eine fertigungsgerechte Planung und automatisiert alle erforderlichen Schritte in der Entwurfs- und Detaillierungsphase. Für den abschließenden Montageprozess wurde ein geeignetes Füge- und Montagekonzept entwickelt, welches sich den selbsttragenden Charakter der entwickelten Strukturen zu Nutze macht und eine problemlose Montage der Einzelteile zur Gesamtform ermöglicht.
Wie am Beispiel des realisierten Musterbauwerks gezeigt werden konnte, ermöglicht das entwickelte Baukonzept die Realisierung von selbsttragenden Freiformstrukturen, z.B. für den Dach- und Fassadenbereich. Die kalkulierten Realisierungskosten, die sowohl die Fertigung als auch die Montage beinhalten, liegen dabei unter 2700 €/m², was in Anbetracht der hohen Geometrieflexibilität in einem durchaus konkurrenzfähigen Bereich rangiert. Das enorme Leichtbaupotential des Baukonzeptes konnte durch ein Flächengewicht von weniger als 16 kg/m² bestätigt werden.
Durch die entwickelten Ansätze wurden also neue Möglichkeiten für metallische Bauweisen in der modernen Architektur sowie im Designbereich eröffnet. Darüber hinaus bieten sich für metallverarbeitende Unternehmen Potentiale, durch eine Adaption der entwickelten IBU-basierten Fertigungskette, die flexible Fertigung von Blechteilen anzubieten und somit ihre Geschäftsfelder zu erweitern. Insgesamt werden also sowohl das Anwendungsspektrum als auch die Geometrieflexibilität
für Bauteile aus Stahlblech erweitert und somit ein steigender Absatz der Rohmaterialien und Halbzeuge ermöglicht.
Das IGF-Vorhaben 16603 N des Deutschen Ausschusses für Stahlbau DASt, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde vom Institut für Bildsame Formgebung und vom Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen durchgeführt. Die fachliche Begleitung des Vorhabens erfolgte durch die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf.
Autoren:
G. Hirt, M. Bambach, D. Baily, M. Trautz, H.W. Heyden, R. Herkrath, T. Pofahl, G.D. Puppa
Veröffentlichung:
2014
