Computational Analysis of Shell Structures Using Knitted Formwork and Reinforcement
Autor: Pius Cottier
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Die Kombination von gestrickter Schalung und Textilbewehrung ermöglicht den Bau von Schalentragwerken in nahezu beliebiger Form und ist dabei material-, zeit- und kosteneffizienter als herkömmliche Verfahren. Das begrenzte Wissen über das Belastungsverhalten der gestrickten Bewehrung sowie deren Sprödigkeit verhindern jedoch noch den Einsatz in einem breiten Anwendungsbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere Simulationsreihen durchgeführt, um eine rechnergestützte Grundlage für weitere Forschungs- und Entwurfsprozesse zu schaffen.
Zur Validierung der nichtlinearen Eingabeparameter und der konstitutiven Stoffgesetze wurden Experimente mit gestrickter Bewehrung simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Testresultaten. Ein Parameter, der angepasst werden musste, war die Zugfestigkeit des reinen Betons. Es wurde festgestellt, dass die mittlere einachsige Zugfestigkeit besser geeignet ist als das 5%-Quantil. Ein Beispiel für diese Simulationen ist in Abbildung 1 zu sehen. Es zeigt die Biegesimulationen für die Carbonfasern mit variierenden Eingabeparametern für die Zugfestigkeit des Betons.
Die gewonnenen Erkenntnise wurden in Simulationen von neun dünnwändigen Schalentragwerken, welche sich im Grad der doppelten Krümmung unterschieden, angewendet. Beim Vergleich der nichtlinearen Lastabtragung mit der linear-elastischen Modellierung wurden grosse Differenzen festgestellt, welche zu einer unwirtschaftlichen Bemessung führen würden. Die Unterschiede traten vor allem bei den Längsmembrankräften, den Längs- und Querbiegemomenten sowie den Drillmomenten auf. Das Beispiel in Abbildung 2 zeigt die Biegemomente für ein stark antiklastisches Schalentragwerk bei gleicher Laststufe.
Ein weiterer Schritt zu realistischeren Simulationen durch Einbezug der Theorie zweiter Ordnung scheiterte an Konvergenzproblemen des verwendeten FEM-Programs SOFiSTiK. Es scheint bei höheren Lasten nicht in der Lage zu sein gleichzeitig eine neue Steifigkeitsmatrix zu berechnen und die auftretenden zusätzlichen nichtlinearen Kräfte einzubeziehen. Die Traglasten für stärker doppelt gekrümmte Schalen zeigten einen relativ linearen Anstieg, während die dazugehörigen Verformungen exponentiell abnahmen.
Bei den Simulationen von stark antiklastischen Schalentragwerken trat eine Diskrepanz zwischen der implementierten Spannungs-Dehnungs Beziehung und den in der Berechnungen entstandenen Werten auf. Da sie nicht vollständig geklärt werden konnten, bedarf es weiteren Untersuchungen. Nichtsdestotrotz erweist sich SOFiSTiK als guter Kompromiss zwischen erfolgreicher Durchführung relativ komplexer Berechnungen bei gleichzeitiger Benutzerfreundlichkeit und kann daher für den weiteren Einsatz innerhalb dieses Forschungsgebietes empfohlen werden.
