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Institut
Membranversteifte Tragwerke
(2015)
Die Arbeit "Membranversteifte Tragwerke" befasst sich mit dem Tragverhalten von membranversteiften Tragwerken. Membranen tragen äußere Lasten über Zugkräfte ab und werden aufgrund ihres geringen Eigengewichts oft im Leichtbau und für große Spannweiten verwendet. Bei Anwendungen im Bauwesen werden Membranen in der Regel multifunktional eingesetzt und dienen sowohl als Tragelement als auch als Wetterschutz. In Anlehnung an Anwendungen wie Segel oder als Hüllmaterial für Luftschiffe werden in membranversteiften Tragwerken die Membranen ausschließlich als tragendes Element eingesetzt. Dies ermöglicht eine freie Anordnung der Membranen und eine monofunktionale Optimierung für das Tragverhalten.
In membranversteiften Tragwerken bildet die Membran mit weiteren Druck-, Zug- und Biegeelementen ein hybrides Tragwerk. Die Membran ist dabei unverzichtbarer Teil des Tragwerks, ohne die die Tragfähigkeit nicht gegeben oder deutlich herabgesetzt ist. Während bei linearen Zugelementen die Kräftepfade vorgegeben sind, ermöglichen Membranen durch ihre zweidimensionale Geometrie eine freie Einstellung der Kräftepfade. Die Membranen können auch ohne Krümmung eingesetzt werden und sind in der Regel einachsig beansprucht. Das Tragwirkung der Membran kann nach dem Prinzip der Formstabilisierung oder dem Prinzip der Kopplung beschrieben werden: Das Prinzip der Formstabilisierung wirkt den Verformungen des Gesamtsystems entgegen. Beim Prinzip der Kopplung stellt die Membran eine kraftübertragende Verbindung zwischen zwei Tragelementen her und erzeugt einen zusammengesetzten Querschnitt. Meist überlagern sich beide Tragprinzipien.
Als Anwendungen werden ein membranversteifter Bogen, eine membranversteifte Stütze und ein membranversteifter Träger untersucht. Die Untersuchungen erfolgen sowohl numerisch als auch experimentell. Die äußere Belastung, die Geometrie und Anordnung der Struktur, die Materialsteifigkeit der Membran und der übrigen Tragelemente, die Orientierung der orthotropen Membran, der Randanschluss der Membran und eine Vorspannung der Membran beeinflussen sich gegenseitig. Die Interaktion und der Einfluss der einzelnen Parameter werden beschrieben. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen membranversteiften Strukturen werden aufgezeigt. Die vorliegende Ergebnisse ermöglichen ein tieferes Verständnis über das Tragverhalten membranversteifter Tragwerke.