Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4045
Main Title: Luftdruckgesteuerte Transformation an flexibel berandeten Folienkissen
Translated Title: Air pressue controlled transformations of flexible supported foil cushions
Author(s): Hartz, Christian
Referee(s): Schlaich, Mike
Bögle, Annette
Sieder, Mike
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Wandelbare Membran- und Folienbauten können sich den heutigen, vielfältigen, sich immer schneller ändernden Anforderungen an unsere Bauwerke schnell und effizient anpassen. Im weitesten Sinne geht es darum, dem gesamten Komplex der verschiedenartigen und ständig wechselnden klimatischen und gesellschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden, das heißt unsere Bauwerke funktioneller und anpassungsfähiger zu machen. Folglich gewinnen aktive und wandelbare Konstruktionen im Rahmen der heutigen Bauaufgaben eine zunehmende Bedeutung. Geeignete aktive und wandelbare Konstruktionsprinzipien zu bestimmen, lassen sich unter anderem durch das Studium der belebten Natur ermitteln. Ein konstruktives Grundprinzip der belebten und unbelebten Natur ist das Prinzip des Pneu. Es ist eines der effektivsten technischen Konstruktionssysteme, bestehend aus den Bausteinen Hülle, Rand und Medium. ETFE-Folienkissen sind eine technische Anwendung des pneumatischen Konstruktionsprinzips. Sie eigen sich hervorragend für die Ausbildung von Gebäudehüllen, seien es Dächer oder Fassaden. Diese Gebäudehüllen nun für eine flexiblere Nutzung wandelbar zu gestalten, führt zum Kern dieser Arbeit. Dabei galt es den Begriff der Flexibilität in einen für diese Arbeit logischen Gesamtkontext zu bringen. Es ergaben sich bei der Ausarbeitung zwei Seiten der Flexibilität, eine aktive, die Adaption und eine passive, die Transformation. Diese beiden Seiten lassen sich für technische Systeme über die Schnittstelle der Adaptierbarkeit von möglichen Transformationen verbinden. Die Transformationen beinhalten dabei nicht nur die bereits mehrfach ausgeführte reine (Starrkörper-)Bewegung von Tragwerken, sondern zudem eine aktiv steuerbare Verformung von Teilen des Tragwerks. Um Verformungen, die so groß sind, dass sie als eine Bewegung genutzt werden können, realisieren zu können, müssen die Grenzen der Verformbarkeit insbesondere der zuvor erwähnten Bausteine Hülle und Rand ermittelt werden. Dazu erfolgten zum einen umfangreiche Untersuchungen zum elastischen, viskosen und ausgeprägten plastischen Materialverhalten von ETFE und zum anderen Verformungsuntersuchungen des meist stabförmigen Randes. Das Prinzip Pneu basiert auf der Stabilisierung einer biegeweichen aber zugfesten Membran durch eine auf sie wirkende Druckdifferenz. Bei technischen Systemen wird diese Druckdifferenz permanent von außen durch die Steuerung des eingeschlossen Mediums gewährleistet. Diese ohnehin notwendige Steuerung des Stützmediums wird als Initiator einer Bewegung bzw. aktiv gesteuerten Verformungen verwendet. Dazu war es notwendig die mittragenden Eigenschaften des Füllmediums zu untersuchen. Der Lastabtrag konnte dabei numerisch, analytisch und versuchstechnisch untersucht werden, wobei sich für schlagartige Lasten ein wesentlich anderes Tragverhalten einstellt, als dies bei der aktuellen Bemessung allein auf permanente Lasten Berücksichtigung findet. Auf Basis der genannten Vorüberlegungen konnten flexibel berandete Folienkissenkonstruktionen entwickelt werden, die durch ein Einblasen von Luft eine Formänderung der Hülle bewirken und den angeschlossen Rand so verformen, dass er zu einer Bewegung des Tragwerks wird. Mit Rechtecken, Rauten und Sechsecken wurden verformungsverträgliche Berandungen der Hülle entwickelt, die bei Verformung nicht zu materialunverträglichen Spannungsspitzen in der Hülle oder des Randes führen. Für die Ausgestaltung des Randes ergaben sich kinetische, biegeweiche und hybride Lösungen. Zur Bestätigung der theoretischen Überlegungen konnte in der Versuchshalle der TU-Berlin ein biegeweich berandetes rechteckiges Folienkissen realisiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Bauen mit Luft nicht nur statisch konstruktiven Leichtbau erlaubt, sondern zudem Verformungen und daraus resultierende Bewegungen für aktive und wandelbare Konstruktionen ermöglicht.
Convertible membrane and foil structures can adapt quickly and efficiently to today's wide, ever faster changing requirement on our buildings. In the broadest sense, it is to fulfill the entire field of diverse and ever-changing climate and social requirements to make our buildings more functional and adaptable. Active and convertible structures are becoming increasingly important in the context of today's building project. Terms, such as active and convertible, show interesting parallels to living nature. A constructive principle in living and inanimate nature is the principle of pneu. It is one of the most efficient structural systems, consisting of the components envelope, edge and medium. ETFE foil cushions are a technical application of the pneumatic design principle. They excellently suited for the design of building envelopes, be it roofs or facades. To make now building envelopes convertible for a more flexible use gets to the core of the work. The aim was first to clarify the term flexibility. In the course of this work two sides of the flexibility arise, an active adaptation and a passive transformation. A connection for technical systems can be established through adaptability of possible transformations. The transformations not only include the already several times realized pure movement of structures, but also an active deformation of parts of the structure. In order to realize so large deformations that they can be used as a movement, the limitation of the particular deformation must be determined. This has to be done especially for the components envelope and edge. Therefor an extensive research had to be done of the elastic, viscous and highly plastic material behavior of ETFE. On the other hand for the mostly beam-shaped edge had to take place a deformation analysis. The principle pneu bases on the stabilization of a flexible but tensile membrane by a pressure difference. For technical systems, this pressure difference is permanently controlled from the outside. This anyway needed pressure control unit is used as the initiator of a movement or active controlled deformation. Therefor it was necessary to examine the load-bearing behavior of the filling. The load behavior could be analyzed numerical, analytical and experimental. For sudden loads the structural behavior differs totally from the current used verification method for permanent loads. Based on these considerations a flexible design could be developed, which allows a change in shape of the edge framed foil cushion by an injection of air. Out of that change of shape the edge frame deforms so much that it causes a movement for the entire structure. Rectangles, diamonds and hexagons are possible solutions for the edge frame, to provide material compatible deformations for the enclosed envelope. For the design of the edge frame kinetic, flexible bending and hybrid solutions could be worked out. To confirm the theoretical research, a flexible bending rectangular edged foil cushions could be realized in the experimental hall of the Technical Institute of Berlin. The results show that building with air not only support for static lightweight structures, but also allows deformations and resulting movements for active and convertible designs.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-51041
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4342
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4045
Exam Date: 5-Nov-2013
Issue Date: 16-Jul-2014
Date Available: 16-Jul-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Biegeweich
ETFE
Pneumatisch
Transformation
EFTE
Flexible
Pneumatic
Transformation
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