Tensegrity-Membran-Strukturen. Eine Studie über Entwicklung und konstruktive Umsetzung des Tensegrity-Prinzips im Bauwesen

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen der konstruktiven Umsetzung einer besonderen Art räumlicher und raumschaffender Leichtbau-Strukturen, den Tensegrity-Membran-Strukturen. Das gewählte Vorgehen ist in drei Teile gegliedert, erstens eine Literaturstudie, zweitens eine parametergestützten Analyse, basierend auf einer Referenzstruktur und drittens einer abschließenden Realisierung eines multiparametrisch optimierten Ausschnitts der Referenzstruktur. Anhand der Literaturstudie über Tensegrity- und Tensegrity-Membran-Strukturen wurden strukturelle und gestalterische Kriterien erarbeitet, die eine Einordnung gebauter Projekte in den Kontext des Tensegrity-Prinzips ermöglichten. Es hat sich, abweichend von bisher bestehenden theoretischen Definitionen, gezeigt, dass bauliche Änderungen der Systeme für eine Realisierung erforderlich sind, um beispielsweise eine notwendige Stabilität zu gewährleisten. Ebenfalls wurde dargestellt, dass insbesondere der Einsatz textiler Membranflächen den beschriebenen Strukturen das Potential verleiht, das Tensegrity-Prinzip im Bauwesen zu etablieren. Wobei anzumerken ist, dass die recherchierten Projekte infolge ihrer Materialwahl keine langlebige Umsetzung ermöglichen, oder andernfalls durch ihre konstruktive Ausgestaltung keinen vollständigen Schutzfunktion gewährleisten. Die prinzipielle parametergestützte Analyse an der Referenzstruktur ermöglichte die Identifikation geometrischer Parameter, zur Beschreibung der tragwerkstechnischen Auswirkungen auf die beteiligte Membran. Es wurde festgestellt, dass Variationen unterschiedlicher Parameter gegensätzliche Auswirkungen auf das Tragverhalten hervorrufen. Zudem wurde ein sich wiederholender Bereich innerhalb der Membran definiert, der ungünstigere Beanspruchungen aufzeigt. Nachfolgend wurde eine Multiparameteroptimierung der Referenzstruktur vorgenommen, bei der eine Systemkonfiguration ermittelt wurde, die einen möglichst idealen zwei-achsigen Lastabtrag der textilen Membran gewährleistet. Basierend auf der optimierten Struktur wurde ein Ausschnitt zur Realisierung gewählt. Dieser wurde anhand eines entwickelten Konzeptes detailliert geplant und konstruktiv umgesetzt. Es hat sich gezeigt, dass die entwickelten konstruktiven Lösungen, unter strukturellen und funktionalen Gesichtspunkten, eine erfolgreiche Realisierung ermöglichen, wohingegen die optischen Kriterien, insbesondere durch mangelnde handwerkliche Routine, nicht zufriedenstellend umgesetzt wurden. Zudem wurde erstmals eine belast-bare FEM-basierte Berechnung einer Tensegrity-Membran-Struktur durchgeführt, was anhand eines Vergleichs der berechneten Verformungsfigur und der aufgemessenen gebauten Struktur bestätigt wurde. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse über die konstruktive Umsetzung von Tensegrity-Membran-Strukturen können als Grundlage für die weitere Entwicklung und die Etablierung des Tensegrity-Prinzips im Bauwesen genutzt werden.

This thesis deals with the challenges of construction of a special kind of spatial and space-creating light-weight structures, the tensegrity-membrane-structures. The chosen procedure can be divided into three parts, a literature study, a parametric analysis based on a reference project, and a final realization of a multiparametric optimized section of a reference project. Based on the literature study on tensegrity- and tensegrity-membrane-structures, structural and design criteria were developed that allowed the classification of built projects in the context of the tensegrity-principle. It has been found, deviating from theoretical definitions, that structural changes of the systems are essential for an implementation, for example to ensure a necessary stability. It has also been shown that the use of textile membrane surfaces in particular gives the structures the potential to establish the tensegrity-principle in architecture, whereby the researched projects do not permit long-lasting implementation due to the choice of materials or otherwise do not guarantee complete protection due to the constructive detailing. The fundamental parametric analysis on the reference project made it possible to identify geometric parameters, to describe the structural effects on the membrane involved. It has been found that variations in different parameters create conflicting effects on structural behavior. In addition, a repeating area within the membrane was defined, which indicates less favorable stresses. Subsequently, a multiparametric optimization of the reference project was carried out, in which a system configuration was determined, which ensures an ideal two-axis load transfer of the textile membrane. Based on the optimized structure, a section was selected for implementation and, based on a developed concept, planned in detail and implemented constructively. It has been shown that the structural solutions developed, from a structural and functional point of view, enabled a successful realization, whereas the optical criteria were not satisfactorily implemented due to a lack of craftsmanship. In addition, a reliable FEM-based calculation of a tensegrity-membrane-structure was performed for the first time, which was confirmed by a comparison of the calculated deformation figure and the measured built structure. The findings gained in the present work on the construction of tensegrity-membrane-structures can serve as a basis for the further development and establishment of the tensegrity-principle in architecture.