Oricrete: Origami aus Beton
Studie im Rahmen des Projekts Oricrete zur maschinellen Faltung mit einem kinematischen Kranadapter (Grafik: imb)
Aktuelle Entwicklungen im Bereich der zementbasierten Verbundwerkstoffe, wie z.B. textilbewehrte Tragstrukturen, ermöglichen die Herstellung von extrem dünnwandigen und schlanken Betonstrukturen. Neben den hohen charakteristischen Festigkeiten der Bewehrungsmaterialien alkaliresistentes Glas oder Carbon besitzen die flächigen Textilien die Eigenschaft, leicht biegbar zu sein, so dass diese die Funktion eines Liniengelenkes zwischen starren Betonfacetten übernehmen können. Dies ermöglicht neue Pfade für die Herstellung von räumlichen Tragwerken. Die Falthalbzeuge werden mit einer einfachen, flachen Schalung erstellt. Zum Einbau der Faltkanten in diese werden vor der Betonage ober- und unterhalb der zentrisch im Querschnitt gelegenen Bewehrung linienförmige Aussparungselemente angeordnet.
Entwurf und Herstellung von Faltwerken
Die Falthalbzeuge werden durch das Falten in eine komplexe, räumliche Struktur überführt. Der Entwurf und die Realisierung der frei geformten Faltschalen wird durch die am Institut entwickelte Simulationsplattform oricreate [1] unterstützt. Das Toolkit trägt zur Formfindung bei, unterstützt die Modellierung des Faltprozesses, sowie den Entwurf und die Kontrolle von Faltapparaten und hilft bei der Analyse des Tragverhaltens der entstehenden Strukturen. Für die Umsetzung des Faltprozesses wurden verschiedene Ansätze konzipiert. Ein Beispiel war ein kinematischer Adapter an einem Kran, der mit Saugnäpfen an das Falthalbzeug befestigt ist und mit einer vertikalen Bewegung den Faltprozess steuerte. Zusätzlich zu FE-gestützten Studien wurde das Tragverhalten auch anhand von experimentellen Untersuchungen an einfach gekrümmten, kleinformatigen Bögen mit unterschiedlichen Facettierungen und Faltungshöhen analysiert.
Die Falthalbzeuge werden durch das Falten in eine komplexe, räumliche Struktur überführt. Der Entwurf und die Realisierung der frei geformten Faltschalen wird durch die am Institut entwickelte Simulationsplattform oricreate [1] unterstützt. Das Toolkit trägt zur Formfindung bei, unterstützt die Modellierung des Faltprozesses, sowie den Entwurf und die Kontrolle von Faltapparaten und hilft bei der Analyse des Tragverhaltens der entstehenden Strukturen. Für die Umsetzung des Faltprozesses wurden verschiedene Ansätze konzipiert. Ein Beispiel war ein kinematischer Adapter an einem Kran, der mit Saugnäpfen an das Falthalbzeug befestigt ist und mit einer vertikalen Bewegung den Faltprozess steuerte. Zusätzlich zu FE-gestützten Studien wurde das Tragverhalten auch anhand von experimentellen Untersuchungen an einfach gekrümmten, kleinformatigen Bögen mit unterschiedlichen Facettierungen und Faltungshöhen analysiert.
Referenzen:
1. Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Hegger, J.: ORICREATE: Modeling framework for design and manufacturing of folded plate structures. In: Origami6 - Part II: Technology, Art, Education, Hrsg. Koryo Miura, Toshikazu Kawasaki, Tomohiro Tachi, Ryuhei Uehara, Robert J. Lang and Patsy Wang-Iverson, American Mathematical Society, 2015, S.523- 536 - ISBN-10: 1-4704-1876-2. 2. van der Woerd, J. D.; Bongardt, Ch.; Kolodzie, M.; Chudoba, R.; Hegger, Josef: Oridome – Das Prinzip der Vielfaltigkeit: Konzept für eine gefaltete Kuppel aus Textilbeton. BWI BetonWerk International (2014) 1, S. 30−38 3. van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Design and construction of a thin barrel vault by folding. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 17.–20.8.2015 in Amsterdam (the Netherlands), paper No. IASS2015-527713, 13 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick) 4. van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Folded bike shell-ter: Application of oricrete design and manufacturing method. In: "Spatial Structures in the 21st Century". Proceedings of the IASS Annual Symposium 2016, Tokyo, Japan, 26.−30.09.2016. full text on USB stick 5. van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Canopy – Doubly Curved Folded Plate Structure. In: High Tech Concrete: Where Technology and Engineering meet, D.A. Hordijk and M. Luković (eds.), Springer International Publishing AG 2018. DOI 10.1007/978-3-319-59471-2_286 (published on USB stick) 6. van der Woerd, J. D.; Bonfig, C.; Hegger, J.; Chudoba, R.: Construction of a vault using folded segments made out of textile reinforced concrete by fold-in-fresh. In: Bögle, A.; Grohmann, M. (Eds.): Interfaces: architecture.engineering.science – Proceedings of the IASS Annual Symposium 2017, 25.–28.9.2017 in Hamburg, Hamburg: HCU & IASS, 2017, book of abstracts: p. 124, full paper published digitally: paper no. 9434, 10 pages
1. Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Hegger, J.: ORICREATE: Modeling framework for design and manufacturing of folded plate structures. In: Origami6 - Part II: Technology, Art, Education, Hrsg. Koryo Miura, Toshikazu Kawasaki, Tomohiro Tachi, Ryuhei Uehara, Robert J. Lang and Patsy Wang-Iverson, American Mathematical Society, 2015, S.523- 536 - ISBN-10: 1-4704-1876-2. 2. van der Woerd, J. D.; Bongardt, Ch.; Kolodzie, M.; Chudoba, R.; Hegger, Josef: Oridome – Das Prinzip der Vielfaltigkeit: Konzept für eine gefaltete Kuppel aus Textilbeton. BWI BetonWerk International (2014) 1, S. 30−38 3. van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Design and construction of a thin barrel vault by folding. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 17.–20.8.2015 in Amsterdam (the Netherlands), paper No. IASS2015-527713, 13 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick) 4. van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Folded bike shell-ter: Application of oricrete design and manufacturing method. In: "Spatial Structures in the 21st Century". Proceedings of the IASS Annual Symposium 2016, Tokyo, Japan, 26.−30.09.2016. full text on USB stick 5. van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Canopy – Doubly Curved Folded Plate Structure. In: High Tech Concrete: Where Technology and Engineering meet, D.A. Hordijk and M. Luković (eds.), Springer International Publishing AG 2018. DOI 10.1007/978-3-319-59471-2_286 (published on USB stick) 6. van der Woerd, J. D.; Bonfig, C.; Hegger, J.; Chudoba, R.: Construction of a vault using folded segments made out of textile reinforced concrete by fold-in-fresh. In: Bögle, A.; Grohmann, M. (Eds.): Interfaces: architecture.engineering.science – Proceedings of the IASS Annual Symposium 2017, 25.–28.9.2017 in Hamburg, Hamburg: HCU & IASS, 2017, book of abstracts: p. 124, full paper published digitally: paper no. 9434, 10 pages
Gefaltete Demonstratoren
Der Ausgangspunkt des Entwurfs der Demonstratoren war das Yoshimura-Faltmuster, das zur Realisierung von einfach und doppelt gekrümmten Flächen verwendet wurde. Zunächst entstanden kleinmaßstäbliche Prototypen wie die Kuppel Oridome, die im Bild 1 dargestellt ist, mit einen Durchmesser von 120 cm aus 20 gefalteten Segmenten [2]. Um die Anwendbarkeit der Herstellungsmethode auch auf größere Abmessungen zu testen, wurden anschließend zwei Tonnenschalen als Demonstratoren gebaut und geprüft. Die Schalen wurden aus identischen Faltbetonplatten mit Abmessungen von 2,42 m x 3,00 m hergestellt. Für den Faltprozess der ersten Schale in Bild 2 wurden Seile und eine Unterstützungskonstruktion aus Spanten eingesetzt [3]. Die Platte der zweiten Schale konnte mit Hilfe von Seilen und dem Eigengewicht gefaltet werden. Für die Feinjustierung der Form und die Fixierung wurden im jeweiligen Winkel der Faltkante gekantete Bleche eingesetzt. Zur endgültigen Fixierung der Faltkanten werden diese mit Mörtel verfugt. Der Bike shell-ter – eine gefaltete Struktur, die z.B. als Unterstellplatz für ein Motorrad dienen kann – zeigt eine erste konkrete Anwendung und ist in Bild 3 dargestellt. Mit diesem Entwurf konnten im Vergleich zu den bisherigen Tonnenschalen deutlich spitzere Faltwinkel zwischen den Facetten realisiert werden [4]. Mit einer konventionellen Schalung wäre es unmöglich, eine vergleichbare Struktur mit der gleichen Krümmung und Dicke zu erstellen. Ausgehend von einer identischen Grundplatte wie beim Bike shell-ter wurde mit der in Bild 4 dargestellten Canopy-Schale der Entwurfsraum auf doppelt gekrümmte Strukturen erweitert [5]. Durch den Einbezug des Hängeprinzips konnte beim Entwurf und der Herstellung der Grundsatz des Prinzips Form-Follows-Force umgesetzt werden.
Der Ausgangspunkt des Entwurfs der Demonstratoren war das Yoshimura-Faltmuster, das zur Realisierung von einfach und doppelt gekrümmten Flächen verwendet wurde. Zunächst entstanden kleinmaßstäbliche Prototypen wie die Kuppel Oridome, die im Bild 1 dargestellt ist, mit einen Durchmesser von 120 cm aus 20 gefalteten Segmenten [2]. Um die Anwendbarkeit der Herstellungsmethode auch auf größere Abmessungen zu testen, wurden anschließend zwei Tonnenschalen als Demonstratoren gebaut und geprüft. Die Schalen wurden aus identischen Faltbetonplatten mit Abmessungen von 2,42 m x 3,00 m hergestellt. Für den Faltprozess der ersten Schale in Bild 2 wurden Seile und eine Unterstützungskonstruktion aus Spanten eingesetzt [3]. Die Platte der zweiten Schale konnte mit Hilfe von Seilen und dem Eigengewicht gefaltet werden. Für die Feinjustierung der Form und die Fixierung wurden im jeweiligen Winkel der Faltkante gekantete Bleche eingesetzt. Zur endgültigen Fixierung der Faltkanten werden diese mit Mörtel verfugt. Der Bike shell-ter – eine gefaltete Struktur, die z.B. als Unterstellplatz für ein Motorrad dienen kann – zeigt eine erste konkrete Anwendung und ist in Bild 3 dargestellt. Mit diesem Entwurf konnten im Vergleich zu den bisherigen Tonnenschalen deutlich spitzere Faltwinkel zwischen den Facetten realisiert werden [4]. Mit einer konventionellen Schalung wäre es unmöglich, eine vergleichbare Struktur mit der gleichen Krümmung und Dicke zu erstellen. Ausgehend von einer identischen Grundplatte wie beim Bike shell-ter wurde mit der in Bild 4 dargestellten Canopy-Schale der Entwurfsraum auf doppelt gekrümmte Strukturen erweitert [5]. Durch den Einbezug des Hängeprinzips konnte beim Entwurf und der Herstellung der Grundsatz des Prinzips Form-Follows-Force umgesetzt werden.
In der aktuell noch laufenden zweiten Forschungsphase beschäftigt sich das Institut mit der Vereinfachung und Systematisierung des Entwurfs- und Fertigungsprozesses. In einem Ansatz, der in Bild 5 dargestellt ist, wird dabei beispielsweise die Betonplatte noch im grünen Zustand verformt, so dass der Einbau von Faltkanten und das nachträgliche Verfugen entfallen können [6].
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