Repetitive Strukturen

Entwurf und Konstruktion gekrümmter Tragstrukturen mit konstanten Parametern

Repetitive Structures

Design and construction of curved support structures with repetitive parameters

 

Die Arbeit untersucht zweifach gekrümmte Gitterstrukturen, mit dem Ziel deren Herstellung zu vereinfachen. Dafür werden Netzwerke mit konstanten geometrischen Parametern beschrieben, und die damit verbundenen Möglichkeiten für Entwurf und Konstruktion erarbeitet. Es wird eine ganzheitliche Theorie „Repetitiver Strukturen“ unter Berücksichtigung geometrischer und konstruktiver Kriterien vorgelegt, die es ermöglicht die Verwendung gleicher Bauteile anhand einzelner Parameter zu untersuchen. Auf diese Weise werden Zusammenhänge von Form und Struktur aufgedeckt und eine neue Methode für den Entwurf und die Konstruktion elastisch geformter Gitterschalen entwickelt.

Die Arbeit verbindet Theorien der Differentialgeometrie mit Erfahrungen aus Architektur und Bauingenieurwesen und schafft dadurch neue Erkenntnisse für den modernen Schalenbau. Auf der Grundlage eines kurzen Überblicks zum Stand der Forschung werden die theoretischen Rahmenbedingungen zur Analyse und Gestaltung Repetitiver Strukturen geschaffen. Diese werden zunächst auf bestehende Konstruktionen angewendet. Hieraus wird eine Übersicht über bestehende und zukünftige Möglichkeiten der Parameterwiederholung abgeleitet. Die Wechselwirkungen zwischen Fläche, Netzwerk und Parametern werden durch induktiven Studien dargestellt. Anhand experimenteller Entwürfe wird dann die elastische Verformung von Bauteilen als Konstruktionsstrategie untersucht.

In einer deduktiven Studie werden die Krümmungseigenschaften von Gitterstrukturen in direkte Beziehung mit der elastischen Verformung der Gitterstäbe gebracht. Auf Basis dieser Abhängigkeiten wird eine Entwurfsmethode entwickelt, die sich die Eigenschaften asymptotischer Kurven auf Minimalflächen zunutze macht. Diese Methode ermöglicht eine Konstruktion zweifach gekrümmter Gitter mit geraden Lamellen und rechtwinkligen Knoten. Schließlich wird die Theorie in einem architektonischen Projekt angewendet: Anhand des Forschungspavillons „Asymptotic Gridshell“ werden die Herausforderungen und Potentiale repetitiver Strukturen für den Planungsprozess, das Tragverhalten und den Bauablauf einer elastisch geformten Gitterschale aufgezeigt.

Link: Forschungpavillon

 

 

Promotion

Lehrstuhl für Tragwerksplanung

Bearbeiter: Eike Schling
Betreuung: Prof.-Dr.-Ing. Rainer Barthel und Prof. Helmut Pottmann

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Untersicht des Forschungspavillons an der TUM. Die Gitterschale wurde entlang einem Asymptotischen Netzwerk auf einer Minimalfläche entworfen. Dies ermöglicht die Herstellung mit geraden Lamellen und ausschließlich Rechtwinkligen Knotenpunkten.

Übersicht der geometrischen Parameter von gekrümmten Netzen. Darin sind diskrete sowie glatte Netzlinien berücksichtigt.

Systematische Untersuchung diskreter Vierecksnetze auf vorgegebenen Flächen in Abhängigkeit bestimmter parametrischer Bedingungen, wie beispielsweise, gleicher Teilflächen, gleicher Kantenlängen, oder gleicher Knoten. Für die blauen eingefärbten Netze konnten alle Bedingungen erfüllt und eine visuell ansprechendes Netz gefunden werden.

Die theoretischen Erkenntnisse wurden erfolgreich an einem Forschungsbau, der Asymptotischen Gitterschale getestet.


INSIDE\OUT

Designing doubly curved structures with asymptotic curve networks

Planungsteam:

Dipl.-Ing. Architekt Eike Schling
Denis Hitrec 
M.Sc. Jonas Schikore
Prof. Dr.-Ing. Rainer Barthel

Lehrstuhl für Tragwerksplanung
Fakultät für Architektur
Technische Universität München

In Kooperation mit:

Brandl, Eitensheim

Aufbau:

Technisches Zentrum:
Matthias Müller, Schlossermeister

Andrea Schmidt
Viktor Späth
Miquel Lloret Garcia
Maximilian Gemsjäger

Rongguang Na
Jakob Wallner
Joram Tutsch
Hannes Pelz
... und viele mehr

Mit Unterstützung von:

Technische Universität Wien, Applied Geometry, Helmut Pottmann
Lehrstuhl für Statik, TUM
Pfeifer Seil- und Hebetechnik, Memmingen
Evolute, Wien

Förderung:

Dr.-Ing. Leonhard-Lorenz-Stiftung
Werner Konrad Marschall und Dr.-Ing Horst Karl Marschall Stiftung
Research Lab
Dekanat der Fakultät für Architektur

During the summer semester 2016 we have investigated the use of these specific curve networks to design gridshells. We have found the most potential in the use of asymptotic curve networks in combination with minimal surfaces. This construction method allows for both straight strips and orthogonal nodes. In the coming year, it is our aim to focus our investigations on the aspects of shape, structure and statics of these networks. After a morphological analysis of minimal surface, we will investigate alternative computational techniques of generating asymptotic line networks. A separate study will look at possible cladding options, with transparent elastic sheet material. To analyse the load bearing behavior of such curve networks, a digital model will be constructed and simulated in FEM. Finally we will verify the use of metal sheets for the construction in real scale, by conducting prototypical tests. Our goal is to publish this research in journals and proceedings and construct a 1:1 research pavilion by October 2017 to be exhibited at the Structural Membranes Conference 2017.

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