Titelaufnahme

Titel
Freiformflächen im Stahlbau mit Glasbedeckung
Weitere Titel
Steel freeform structure with glass surface
VerfasserLinzer, Peter
GutachterPommer, Herbert
Erschienen2014
Datum der AbgabeJuni 2014
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)Britisches Museum / Freiformfläche / Geschraubte Knotenverbindung / Geschweißte Knotenverbindung / Gitterschale / Rationalisierung / Netzgeometrie
Schlagwörter (EN)British Museum / freeform surface / bolted node connection / welded node connection / gridshell / rationalization / mesh geometry
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit stellt den Themenbereich von Freiformflächen im Stahlbau mit Glasbedeckung dar. Das Ziel war die Beantwortung der wissenschaftlichen Fragenstellung, welche durch einen kosten- und zeitspezifischen Vergleich eines frei geformten Stahltragwerkes in geschweißter Anschlussform mit einer geschraubten Variante, definiert ist.

Die Basis für einen solchen Vergleich wurde anfangs durch die Definition der einflussreichsten Faktoren, im Bezug auf die Ökonomie der Konstruktion, geschaffen. Anhand dieser Einflussfaktoren wurden die kosten- und zeitintensivsten Herstellungsschritte einer Freiformflächenkonstruktion beschrieben, welche bei der Konzeption eines wirtschaftlichen Herstellungsprozesses Beachtung finden sollten. Im folgenden Arbeitsverlauf wurden acht technisch machbare Möglichkeiten von Stabverbindungen betrachtet und sowohl deren Fertigungs- als auch deren Montageaufwand ermittelt. Dadurch wurden die vorab definierten Einflusskriterien dieser exemplarischen Verbindungsarten bereits zum Teil bewertet. Bei diesen Systemen handelt es sich um bereits in Verwendung getretene geschraubte, wie auch geschweißte Knotenlösungen. In den anschließenden Kapiteln wurden zwei Knotentypen, unterschiedlicher Verbindungsarten, anhand einer vorbestimmten Netzgeometrie eines Referenzobjektes ausgewählt und mithilfe der vorab definierten Einflussfaktoren bewertet. Dieser Schritt diente der Ermöglichung einer Gegenüberstellung der genannten Varianten, hinsichtlich der benötigten Herstellungskosten und der Herstellungszeit. Dabei stellte sich die Netzform eines solchen Tragwerkes als wesentliche Einflussgröße auf die statische Tragwirkung der Konstruktion und die Wahl der Verbindungsart heraus. Die jeweilige Netzgeometrie bildet somit eine wesentliche Voraussetzung bezüglich der Frage nach Verwendungsmöglichkeiten geschweißter oder geschraubter Verbindungen.

Im Laufe der Arbeit konnte die Erkenntnis gewonnen werden, dass geschweißte Anschlüsse, durch ihre Flexibilität und hohe Übertragbarkeit von Schnittkräften, kosten- und zeitspezifisch besser geeignet für komplexe Stabverdrehungen und Vertikalwinkel sind und vorwiegend bei biegebeanspruchten Netzformen eingesetzt werden. Diese anspruchsvollen Anschlüsse treten bei unhomogenen Flächenkrümmungen und komplexen Maschengeometrien auf. Im Gegenzug ergaben sich bei den geschraubten Lösungen, hinsichtlich der Herstellungskosten und -zeit, Vorteile bei schalentragwirksamen Systemen. Voraussetzung dafür sind schalengerechte Netzformen und Lagerungen. Eine weitere Bedingung für die Verwendung einer geschraubten Verbindungsart ist überdies eine homogene Netzform mit fließenden Flächenkrümmungen und annähernd gleich bleibenden Vertikalwinkel und geringen Stabverdrehungen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch die frei definierten Formen der behandelten Gitterschalen, eine Vielzahl an unterschiedlichen Knotentypen möglich ist. Daher bedarf es genauer Untersuchungen der jeweiligen Netzform und ihrer Rationalisierbarkeit sowie der statischen Tragwirkung, um den kosten- und zeiteffizientesten Knotentyp und Stabquerschnitt festlegen zu können. An diesem Punkt ist meist ein hohes Maß an engineering notwendig, um eine möglichst ökonomische Konstruktion zu erreichen.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis has the focus on assessing and comparing manufacturing costs and production periods of steel freeform structures with glass surface. To understand the economical composition of this free formed monolayer structural steelwork, it is necessary to be informed about the influence of the mesh geometry and the cutting conditions on the technical feasibility of a gridshell. Therefore this thesis deals with some economic factors to achieve a technical correct, time-saving and cost-reducing producibility. This thesis illustrates a comparison between a bolted and a welded node connection in relation to time and cost. The main result of this research should be the reusability of the results for future examinations and similar projects.

At the beginning of this scientific study, economic factors have been worked out. The significance of the following chapters was the presentation of different, already existing, node connections and the explanation of the factors. These paragraphs ascertained the efforts for manufacturing and installation of the steel grid, to get all required information for the following node selection and economical evaluation. The comparison was implemented on the basis of the geometry and the structural model of the freeformes steel and glass gridshell roofing above the Great Court inside the British Museum. The scope of this comparing study was reduced to the steel supporting framework. Subsequently the results of the comparison were examined on basis of predefined economic factors.

This comparison showed that the welded solution was more suitable for this kind of geometry, because of the higher resistance against applied forces. In contrast to a bolted solution, no change in the system was required to ensure the accommodation of ultimate limit state forces.

Furthermore the knowledge was gained that welded connections are more suitable for complex grid shell geometries and a high level of acting forces, in consideration of a cost- and time-economic structures. Complex grid shell geometries, as mentioned, could be expected in case of inhomogeneous curvatures and changing connection parameters.

On the other side it was shown that bolted solutions benefit from structural behavior of shell structures, with regards to a cost incurred and time required construction. Therefore shell-oriented mesh configurations and supports are necessary. A requirement for using a bolted connection is a homogeneous mesh geometry, with undulating curvatures, with nearly constant vertical angles and low rotations of shell members.

Every grid design has other parameters and is qualified for a specific node design and adjacent cross-section connections. Therefore is a considered geometrical and structural analysis of the respective grid design mandatory for the selection or development of grid parts.