Technologieangebote

Verzweigungsknoten aus Beton und faserverstärktem Kunststoff für hochbelastbare Tragwerkskonstruktionen

Kurzfassung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verzweigungsknoten mit hoher Tragfähigkeit aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Beton, ideal geeignet als Verbindungsbauteil einer verzweigten Tragkonstruktion im Gebäude- und Brückenbau. Der flexibel einstellbare Herstellungsprozess ermöglicht die kostengünstige Produktion von verschiedenen Geometrien der Tragknoten abhängig vom Anwendungsfall.

Hintergrund

Die Herstellung von Verzweigungsknoten als tragfähige Bauelemente im Bereich Gebäude- und Brückenbau ist nach dem aktuellen Stand der Technik mit hohem technischen und finanziellen Auswand verbunden.

Problemstellung

Verzweigte Tragstrukturen in Gebäuden und Bauwerken zeichnen sich durch hohe Effizienz im Lastabtrag aus und erlauben schlanke, ästhetische und ressourcenschonende Konstruktionen. Sie werden derzeit häufig aus Stahl hergestellt. Hierbei werden beispielsweise Stahlrohre mittels eingeschweißten Schlitzblechen verbunden oder im Stoßbereich geschnitten und stumpf verschweißt. Verzweigungsknoten werden in einem Stück als Stahlgusselement hergestellt. Die genannten Lösungen haben verschiedene Nachteile, unter anderem eingeschränkte Belastbarkeit, hohe Anforderungen an Schweißnähte, eine aufwendige und teure Herstellungsweise oder auch beschränkte Einsatzmöglichkeiten. Darüber hinaus können solche Verzweigungsknoten oftmals nur von Spezialfirmen hergestellt werden, weswegen die Verfügbarkeit solcher Knoten eingeschränkt ist. Prinzipiell sind auch Verzweigungsknoten aus Beton möglich, wobei deren Herstellung stark vom Aufwand durch Schalung und Bewehrung eingeschränkt wird, entsprechend sind hier eher Verzweigungen mit einfacher Geometrie realisierbar.

Lösung

Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Stuttgart und der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung in Denkendorf hat einen Verzweigungsknoten aus FVK und Beton sowie das Herstellungsverfahren für diesen entwickelt. Die vorteilhaften Eigenschaften der Werkstoffe FVK und Beton können durch eine formschlüssige Verbindung beider Komponenten für hoch belastbare Tragstrukturen genutzt werden. Durch den neu entwickelten textilen Fertigungsprozess wird die Herstellung von dreidimensionalen, endlosfaserverstärkten Preforms mit lastadaptiert ausgelegter Faserarchitektur in einem für das Bauwesen relevanten Maßstab möglich.

Die textilen Preforms werden im Flechtverfahren hergestellt und dienen einerseits als Gussform für den Betonkern, tragen aber auch entscheidend zu den struktur-mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils bei. Die FVK-Hülle wird entsprechend den erwarteten Belastungen so ausgelegt, dass Zugspannungen aufgenommen werden können. Der Betonkern trägt hingegen hauptsächlich Druckkräfte ab und wird zusätzlich durch die Hülle umschnürt. Die Materialkombination führt zu kleineren Querschnitten der Tragelemente und damit zu schlankeren, leichteren und folglich kostengünstigeren Konstruktionen.

Das neue Herstellungsverfahren ermöglicht die Fertigung von individuellen Geometrien mit variierbaren Schenkeldurchmessern und -längen sowie Winkeln zwischen den Schenkeln. Die Erfindung eignet sich für Anwendungsfälle im Gebäude- und Brückenbau bei denen belastbare Tragstrukturen einfach und kostengünstig hergestellt werden sollen.

(A) Vereinfachtes Anwendungsbeispiel von Tragwerksknoten [ITKE], (B) Betongefüllter CFK-Verzweigungsknoten mit drei Schenkeln [Jonas et al. 2019]
(A) Vereinfachtes Anwendungsbeispiel von Tragwerksknoten [ITKE], (B) Betongefüllter CFK-Verzweigungsknoten mit drei Schenkeln [Jonas et al. 2019]

Vorteile

  • Schlanke und leichte Bauteile im Vergleich zu bisherigen Knoten durch Kombination vorteilhafter Eigenschaften von FVK und Beton
  • FVK-Hülle (Preform) ist auch die Gussform (Verzicht auf Schalung)
  • Individuelle Gestaltungsmöglichkeiten und Geometrien möglich
    (drei und mehr Schenkel möglich, Durchmesser, Längen und Winkel anpassbar)
  • Geringere Herstellungskosten im Vergleich zu Stahlguss
  • Keine Korrosion
  • Zusätzliche Anordnung von Bewehrung möglich
  • Anschluss zu Tragelementen mittels Muffen oder Einschieblingen

Anwendungsbereiche

Bauwesen, Hochbau, Brückenbau

Publikationen und Verweise

Born et al. (2016) Branched Structures in Plants and Architecture. In: Knippers J, Nickel K, Speck T (eds.) Biomimetic research for architecture and building construction, Springer Switzerland, pp. 195-215

Jonas et al. (2018) Towards branched supporting structures out of concrete-FRP composites inspired from natural branching. Proceedings of the IASS Symposium 2018, Creativity in Structural Design.

Möhl et al. (2018) Manufacturing of branched structures for fibre-reinforced plastic-concrete-hybrid composites. In: Hausmann JM, Siebert M, Hehl A von (eds) Proceedings of Hybrid. Materials and Structures, pp 165–170

Bunk et al. (2017) Vom Ast zum Palast. In: Knippers J, Schmid U, Speck T (eds) Baubionik - Biologie beflügelt Architektur. Stuttgarter Beiträge zur Naturkunde, Serie C, Band 82, Stuttgart, pp 112-120

Bunk et al. (2019) Vom Ast zum Palast. In Knippers J, Schmid U, Speck T (Eds.), Bionisch bauen: Von der Natur lernen (pp. 144–152). Berlin, Boston: De Gruyter.

Jonas et al. (2019) Neue verzweigte Tragstrukturen für die Architektur. In Knippers J, Schmid U, Speck T (Eds.), Bionisch bauen: Von der Natur lernen (pp. 153–162). Berlin, Boston: De Gruyter.Jonas F (2020) Knoten für Tragkonstruktionen aus betongefülltem Faser-Kunststoff-Verbund, inspiriert von der Biomechanik pflanzlicher Verzweigungen: Sondierung einer neuen Bauweise für Tragknoten aus geflochtenem Textil und Beton, Stuttgart: Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart.

Exposé
Kontakt
Dr. Dirk Windisch
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
windisch(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Experimenteller Nachweis im Labor / TRL 3
Patentsituation
DE 102017008661A1 anhängig
EP 3460114A2 anhängig
Referenznummer
17/003TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.