Biegeaktive, zugbeanspruchte Strukturen basieren auf dem wechselseitigen Zusammenwirken schlanker Balken, welche aktiv gebogen und mit Seilen oder Membranen vorgespannt werden. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften stossen sie auf ein stetig wachsendes Interesse. Diese Strukturen sind geprägt von ausdrucksstarken gekrümmten Formen, ausserdem sind sie äusserst leicht und schnell zusammenbaubar, was die Realisierung innovativer kleiner und mittlerer Konstruktionen, wie temporäre Pavillons, ermöglicht. Ihre Gleichgewichtsgeometrie ist jedoch komplex und schwer vorhersehbar. Die derzeit verfügbaren Formfindungsmethoden für den Entwurf biegeaktiver, zugbeanspruchter Strukturen begrenzen allgemein den Einfluss des Entwerfers auf die endgültige Gleichgewichtsgeometrie, so dass der Entwurfsprozess nur bedingt kontrollierbar erscheint. Um diese Einschränkung zu überwinden und eine nahtlose Integration von architektonischem und tragwerkstechnischem Entwurf zu erreichen, stellt die vorliegende Forschung einen neuen Ansatz für den Entwurf biegeaktiver, zugbeanspruchter Strukturen in der Architektur vor.

Der vorgeschlagene Ansatz erlaubt es, die biegeaktiven Balken direkt in ihrer Gleichgewichtsgeometrie zu definieren, wodurch der Entwerfer eine explizite Kontrolle über die globale Geometrie von biegeaktiven, zugbeanspruchten Strukturen erhält. Dies wird ermöglicht, indem das komplexe Problem der Formfindung von biegeaktiven, zugbeanspruchten Strukturen in einfachere Teilprobleme zerlegt wird und das Gleichgewicht für die biegeaktiven Balken und die vorgespannten Seile oder Seilnetze nacheinander erzeugt wird. Die Kontrolle der globalen Geometrie wird mit einer Doppelstrategie erreicht. Einerseits durch die Differenzierung der Biegesteifigkeit entlang der Balkenachse, andererseits durch die gezielte Kontrolle der Kräfte, die über die vorgespannten Seile auf die Balkenachse wirken.

In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein neuartiges Tragwerksmodell von schlanken Balken definiert, das auf einem vereinfachten mechanischen Modell und der Verwendung von Lage- und Kräfteplänen basiert. Dieses Modell erleichtert das Verständnis der Phänomene, die zur Erzeugung des statischen Gleichgewichts eines biegeaktiven Balkens in zwei Dimensionen wirken. Es ermöglicht somit die Kontrolle des statischen Gleichgewichts von einem geometrischen Standpunkt aus. Darüber hinaus wird ein formorientierter Entwurfsansatz formuliert und dessen unterschiedlichen Verfahren detailliert dargestellt. Das eingeführte Tragwerksmodell wird insbesondere zur Erzeugung des Gleichgewichts von biegeaktiven Balken verwendet, während verschiedene, speziell entwickelte grafische und numerische Methoden dazu dienen, das Gleichgewicht mit den verbindenden zugbeanspruchten Elementen zu untersuchen. Das Potenzial des Ansatzes wird schliesslich in einem realen architektonischen Kontext durch den Entwurf einer biegeaktiven, zugbeanspruchten Struktur für ein Sonnenschutzsystem einer verglasten Bürogebäudefassade vorgeführt.

last modified 10.6.2020