Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK)

Forschung

Das Institut vereinigt in Forschung und Lehre, die in der Architektur dominanten Bereiche des Entwerfens und Gestaltens, mit den im Bauingenieurwesen im Mittelpunkt stehenden Bereichen der Analyse und Konstruktion sowie der Materialwissenschaft.

Forschungsgebiete

Demonstrator (c) ILEK, Stuttgart

Das Bauen für die Zukunft rückt näher

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat die Einrichtung des Sonderforschungsbereichs 1244 Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen im November 2016 offiziell bewilligt.

In den kommenden Jahren werden fünfzehn Institute der Universität Stuttgart, darunter das Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit der Frage nachgehen, wie angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung und schrumpfender Ressourcen künftig mehr Wohnraum mit weniger Material geschaffen werden kann. In den ersten vier Jahren steht der Leiter des ILEK, Herr Prof. Werner Sobek, dem Sonderforschungsbereich als Sprecher vor.

website SFB 1244

Leichtbau

Unter Leichtbau versteht das ILEK Leichtbaukonstruktionen mit Folien, Geweben, Netzen, Seilen und Stäben aus synthetischen, metallischen und natürlichen Materialien, z. B. Zelte, Pneus, Seilnetze, Stabkuppeln, Gitterschalen, Baumstützen und hybride Systeme, für permanenten und temporären Einsatz und für stationäre, wandelbare und mobile Nutzungen. Der Entwurf, die Formfindung, die Konstruktion, die Konfektionierung, das Tragverhalten sowie experimentelle und computergestützte Methoden sind Kompetenzbereiche des ILEK. Prozesse und Prinzipien der Formentstehung von Objekten und Strukturen in Natur und Technik werden untersucht und weiterentwickelt.

Funktional gradierte Bauteile im Bauwesen

Gradientenwerkstoffe sind Werkstoffe mit fließenden Eigenschaftsübergängen in einem Bauteilquerschnitt. Sie ermöglichen die lokale Definition von Werkstoffeigenschaften im Inneren eines Bauteils entsprechend den lokalen Anforderungen. Beeinflussbare Materialparameter sind die Porosität, der Fasergehalt/-ausrichtung sowie die Komposition verschiedener Materialien. Sie bergen das Potential in naher Zukunft einen Beitrag zum materialeffizienten Bauen zu leisten und die Optimierungsidee der materialgerechten Formgebung um das Konzept der formgerechten Materialgebung zu ergänzen.

Profile aus faserverstärkten Kunststoffen für die textile Gebäudehülle

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Fertigung von Profilen aus leichten, faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und von Baumethoden für die Anwendung dieser Materialien in der Architektur. Die Profile sollen in den Bereichen mehrlagiger textiler Gebäudehüllen und Fensterrahmen zur Anwendung kommen. Neben speziellen mechanisch / physikalischen Anforderungen aus diesen Bereichen stehen die Funktionalität, die Nachhaltigkeit, die Ästhetik und nicht zuletzt die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund.

Hochleistungsfähige, werkstoffgerechte Verbindungstechnik im Glasbau

In diesem Forschungsprojekt werden werkstoffgerechte Krafteinleitungselemente zur Einbringung in die polymere Zwischenschicht von Verbundglasscheiben erforscht. Ziel sind Elemente, die die Transparenz von Glasstrukturen erhöhen, eine einfache Montage und Demontage ermöglichen, eine höhere Resttragfähigkeit im Versangensfall aufweisen und gleichzeitig wirtschaftlicher sind.

Vacuumatics

Unter diesem Forschungstitel fallen Untersuchungen des Zusammenwirkens von Hüll- und Stützstrukturen bei unterdruckstabilisierten Tragkonstruktionen. Die Erforschung und Entwicklung neuer Konstruktionsweisen im Hinblick auf statische Tragfähigkeit, Wärmedämmeigenschaften und Schallschutzpotenzial sind Inhalt der Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet. Zudem erfolgt die Interpretation der Formensprache dieser Konstruktionsweisen aus der Sicht der Architekturlehre.

Adaption oder Adaptivität bezeichnet die Fähigkeit zur Eigenschaftsveränderung als Folge veränderter Einflussgrößen.

Adaptive mehrlagige textile Gebäudehüllen

Die Entwicklung von mehrlagigen textilen Hüllenaufbauten, die aktuellen und zukünftigen Ansprüchen an die Eigenschaften von Gebäudeaußenhüllen gerecht werden, bildet einen Forschungsschwerpunkt des ILEK. Hierbei steht der Erhalt von Formenvielfalt, Transluzenz und Leichtigkeit, die kennzeichend sind für Membrankonstruktionen im Vordergrund. Daneben soll aber auch aktuellen bauphysikalischen Anforderungen Rechnung getragen werden. Die Hüllenaufbauten sollen eine maximale Freiheit in der Weiterentwicklung der architektonischen Gestalt von Membranbauten garantieren.

Vom 12. bis zum 17.01.2010 wurde die momentane Forschung zu diesem Thema auf der Messe Deubau in Essen präsentiert.

Schaltbare Verglasungen auf der Basis von Flüssigkristallen

Transparenz ist die wichtigste Eigenschaft von Glas. Eine jederzeit vornehmbare Veränderung dieser Transparenz ist eines der großen Ziele bei der Entwicklung von Glassystemen für die Zukunft. Durch eine generelle wie auch durch frequenzselektive, d.h. nur auf bestimmte Wellenlängen des Lichtes abzielende Manipulation der Transmission, also der Lichtdurchlässigkeit, können sowohl der Wärmeeintrag als auch der Lichteintrag in das Gebäude geregelt werden. Energieeinsparungen sowie eine deutliche Steigerung des Nutzerkomforts sind die Folgen. Wichtige Forschungsarbeiten auf dem Weg hin zu adaptiven Gebäudehüllen aus Glas werden am ILEK durchgeführt. Ein großer Schritt auf dem Weg zur adaptiven Gebäudehülle aus Glas ist das am ILEK entwickelte schaltbare Flüssigkristall-Element, das mit Unterstützung des Lehrstuhles für Bildschirmtechnik gefertigt wurde. Im Gegensatz zu anderen schaltbaren Gläsern kann die Lichttransmission bei dem entwickelten Element stufenlos und verzögerungsfrei geregelt werden. Die maximale Durchlässigkeit und auch der Schalthub lassen sich in Grenzen variabel einstellen.

Forschergruppe 981 - Hybride und Intelligente Konstruktionselemente (HIKE)

Förderstelle: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Partnerinstitute: IKTD, ITV, IFB, IFT, ILEK, IFU, ISYS der Universität Stuttgart
Laufzeit: 3 Jahre

Kurzbeschreibung des Gesamtprojekts
Die Forschergruppe HIKE setzt sich aus sieben verschiedenen Instituten aus den Fachbereichen Bauingenieurwesen, Luft- und Raumfahrtechnik, Konstruktions-, Produktions-, Fahrzeug- bzw. Textil- und Verfahrenstechnik zusammen. Ziel ist es, innerhalb eines interdisziplinären Rahmens neuartige Konstruktionselemente zu entwickeln, die funktionale, wirtschaftliche und innovative Anforderungen erfüllen und sich durch eine erhöhte Funktionalität deutlich von den klassischen Konstruktionselementen abheben.

Teilprojekt - Adaptives Schalentragwerk
Das Teilprojekt des ILEK "Adaptive Schalentragwerke - Auslegung, Umsetzung und Bewertung" baut im Rahmen der am Institut laufenden Forschungsarbeiten im Bereich der adaptiven Systeme direkt auf sehr erfolgsversprechende Ergebnisse im Bereich der adaptiven Tragwerke auf. Schalentragwerke sind in ihrer Lastabtragung besonders effektiv, da sie durch ihre gekrümmte Form die angreifenden Lasten überwiegend als Normalbeanspruchung und nur in geringerem Umfang als Biegebeanspruchung zu den Auflagern abtragen. Im Bereich von Diskontinuitäten und aufgrund ungleichmäßiger Belastungen jedoch treten erhebliche Spannungskonzentrationen bzw. Biegemoment auf. Diskontinuitäten sind unter anderem die Randbereiche der Schalen, deren Auflagerungen oder Inhomogenitäten in der Fläche selbst, beispielsweise in Form von Tageslichtöffnungen. Auch punktförmige Belastungen zum Beispiel durch Einzellasten führen zu Spannungskonzentrationen. Die adaptive Gestaltung der Schalen unter Einsatz hybrider intelligenter Konstruktionselemente ermöglicht eine erhebliche Reduzierung dieser Spannungskonzentrationen. Als Aktuatoren im Tragsystem kommen aktive und verschiebliche Auflager oder in die Schale selbst integrierte aktive Dehnungselemente in Frage.

Im vorgesehenen Projekt werden Auslegungs-, Optimierungs- und rückkopplungsfähige Softwaremodule entwickelt, die im Zusammenwirken mit Sensoren, Aktuatoren und einer Controllereinheit in der Lage sind, das Beanspruchungsverhalten eines Schalentragwerks wesentlich zu verbessern, indem Spannungsspitzen reduziert werden. Anwendung finden die zu entwickelnden Werkzeuge bei der Umsetzung von drei Funktionsprototypen, die sich jeweils in der Art der Aktivierbarkeit unterscheiden. Vorgesehen ist die Erprobung der Integration von verschieblichen Auflagerungen, flächenhaften Aktuatoren im Sinne von lokalen Pflasterungen sowie von linienförmigen Dehnungsaktuatoren im Schalenrandbereich.

An Hand der an den Prototypen gewonnenen Erfahrungen bezüglich der Effektivität der Aktorik sowie der konstruktiven Umsetzung erfolgt eine Bewertung der neuen Bauweise. Desweiteren wird mittels eines gemeinsamen Demonstrators das Zusammenwirken der einzelnen Konstruktionselemente aus den verschiedenen Teilprojekten der Forschergruppe dargestellt werden.

Die zu entwickelnden neuen Werkzeuge und Technologien sind Voraussetzung für Ultraleichtbaustrukturen der nächsten Generation gewichtsoptimierter Tragwerke. Sie stellen einen Meilenstein der technologischen Entwicklung auf dem Gebiet des Leichtbaus dar. Durch den Einsatz aktivierbarer Elemente wird Strukturmasse eingespart und durch Energie ersetzt.


Teilprojekt A1 - IKTD
Teilprojekt A3 - IFB
Teilprojekt A4 - ITV
Teilprojekt B1 - IFT

Teilprojekt B2 - ILEK

Teilprojekt B3 - IFU

Teilprojekt B4 - ISYS

 

Ingenieurbau bezeichnet den Teil des Bauwesens, der sich mit Planung, Konstruktion und Erstellung von technischen Bauwerken befasst.

Entwicklung von Methoden zur Erdbebenauslegung von Stahlbetontragwerken

Die meisten bestehenden Stahlbetontragwerke wurden nicht für Erdbeben ausgelegt. Die Folgen zahlreicher starker Erdbeben haben jedoch gezeigt, dass das Verhalten von bestehenden und neu errichteten Stahlbetontragwerken unter seismischen Einwirkungen oftmals fragwürdig ist. Als besonders kritisch haben sich hierbei die Balken-Stützen-Verbindungsknoten (Rahmenknoten) erwiesen.

In der vorliegenden Studie werden daher außenliegende Rahmenknoten sowohl experimentell als auch numerisch/analytisch unter zyklischer Belastung untersucht und bestehende Regelwerke, insbesondere Eurocode und Indian Standard mit einbezogen.

Ziele sind die Entwicklung von Methoden zur Verstärkung und Instandsetzung von bestehenden Tragwerken sowie die Entwicklung von Konzepten zur duktilen Knotenausbildung unter Verwendung von Faserbeton in neuen Tragwerken.

SKRIBT - Schutz kritischer Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen
Auftraggeber BMBF
Laufzeit 03/2008 - 02/2011
Projektpartner BASt, BBK, EMI, HOCHTIEF, Schüßler-Plan, Siemens, Ruhr-Uni Bochum, Uni Stuttgart, Uni Würzburg
Weiterführende Informationen skript.org

 

Was verbirgt sich hinter SKRIBT?

Zum 1. März 2008 wurde ein durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms "Forschung für die zivile Sicherheit" als Teil der High Tech Strategie gefördertes Projekt zum Thema Schutz von Straßenverkehrsinfrastrukturen gestartet. Unter dem Titel Schutz kritischer Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen (SKRIBT) stehen im Rahmen der geplanten 3-jährigen Bearbeitungszeit Straßenbrücken und Straßentunnel im Fokus.

Leistungsfähige und sichere Verkehrsinfrastrukturen sind für die Gewährleistung der Mobilität und Versorgung der Bevölkerung unverzichtbar. Die Einschränkung der Verfügbarkeit von Brücken- und Tunnelbauwerken, als wesentliche Elemente des Straßennetzes, kann weitreichende Auswirkungen für das umliegende Straßennetz und den einzelnen Verkehrsteilnehmer haben sowie nicht zuletzt erhebliche volkswirtschaftliche Kosten verursachen.

Zielsetzung

Zielsetzung des Projektes ist die Identifizierung möglicher Bedrohungsszenarien, die sich unmittelbar auf Brücken- und Tunnelbauwerke und deren Nutzer auswirken können. Dabei werden zunächst alle denkbaren natürlichen und vom Menschen ausgehenden Bedrohungsszenarien berücksichtigt (all-hazard-Ansatz). Die Auswirkungen der verschiedenen Bedrohungsszenarien auf die Bauwerke und deren Nutzer werden bestimmt und mögliche Schutzmaßnahmen mittels Risiko- und Szenarioanalysen sowie Kosten-Nutzen-Analysen auf ihre Wirksamkeit und Effizienz hin untersucht. Hieraus ergibt sich die Ableitung wirksamer baulicher, betrieblicher und organisatorischer Schutzmaßnahmen, in deren Mittelpunkt die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer sowie die Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit der Bauwerke stehen werden.

Die Forschungsergebnisse werden in Form von Empfehlungen zur Maßnahmenumsetzung für die einzelnen Zielgruppen (Bauwerksnutzer, -eigentümer, -betreiber und Rettungsdienste) ausgearbeitet. Den Abschluss des Projektes bildet die Demonstration der Schutzmaßnahmen an ausgewählten Bauwerken. Durch die interdisziplinäre Zusammensetzung des Konsortiums ist eine ganzheitliche Betrachtung des Forschungsthemas gewährleistet.

Lokale Lasteinleitung mit Implantaten in Bauteile aus UHPC

Bauwerke aus üblichem Normalbeton sind traditionell schwer, massiv und verbrauchen erhebliche Mengen an Energie und Rohstoffen. Dies liegt einerseits an der hohen Rohdichte der Hauptbestandteile Kies, Sand und Zement und an dem hohen Energieverbrauch von jährlich insgesamt etwa 70 Gigajoule (GJ) für die Zementherstellung. Andererseits ist seine Festigkeit so begrenzt, dass trotz Stahlbewehrung große Querschnitte erforderlich sind, um die im Bauwerk auftretenden Lasten und Beanspruchungen aufzunehmen. Bei weit gespannten Bauteilen - wie zum Beispiel Brückendecks oder Hallenbindern - begrenzt deshalb das Eigengewicht des Betons die möglich Spannweite, nicht die Nutzlast.Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) ist dagegen ein völlig neuer, sehr gefügedichter Beton mit einer stahlähnlich hohen Druckfestigkeit von bis zu 250 N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter), und einer Biegezugfestigkeit bis zu 50 N/mm². Er ist bis zu 10-mal fester als üblicher Beton. Bauwerke mit diesem Baustoff können deshalb bei gleicher Tragfähigkeit wesentlich filigraner, leichter und ästhetischer gestaltet werden. Zudem ist UHPC außerordentlich korrosionsbeständig. Bauschäden können in Zukunft vermieden werden, deren Behebung jährlich Milliarden Euro kostet. UHPC eröffnet der Betonbauweise somit völlig neue Möglichkeiten. Mit UHPC können bei gleichen Bauteilen schätzungsweise rund 60 Prozent der Rohstoffe sowie bis zu rund 40 Prozent der Energie und der CO2-Emissionen eingespart werden.In diesem Schwerpunktprogramm werden die folgenden Hauptziele verfolgt:-- Schaffung abgesicherter, wissenschaftlicher Datengrundlagen zum Verhalten des Ultra-Hochleistungsbetons von den Ausgangsstoffen bis zum fertigen Bauteil-- Verständnis der grundlegenden strukturellen Zusammenhänge zur stofflichen Zusammensetzung schaffen-- Gewinnung fundierter wissenschaftlicher Erkenntnisse zur Dauerhaftigkeit-- Schaffung von Bemessungsgrundlagen und stoffgerechter Konstruktionen einschließlich Fügetechniken.

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1182: Nachhaltiges Bauen mit Ultra-Hochfestem Beton (UHPC) erforscht das ILEK den Teilaspekt "Lokale Lasteinleitung von Druck-, Zug- und Querkraftbeanspruchungen mit Implantaten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton".

Neue Baugruppen für Balkone und deren Befestigung

Neue Baugruppen für Balkone und deren Befestigung

Strukturoptimierte Türme für Offshore-Windkraftanlagen aus UHFFB

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für den Entwurf von strukturoptimierten Türmen von Offshore-Windenergieanlagen aus ultrahochfestem Faserfeinkornbeton (UHFFB) in Segmentbauweise.

Im Forschungsvorhaben sollen die Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen für Türme von Offshore-Windenergieanlagen aus UHFFB erarbeitet und die konstruktiven Detailausbildungen entwickelt und untersucht werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den hohen dynamischen Anforderungen. Für den Turm sollen die herausragenden Materialeigenschaften von UHFFB wie z.B. die enorme Dauer- haftigkeit und die sehr hohe Materialfestigkeit ausgenutzt werden, die eine materialsparende Bauweise ermöglichen. Das Vorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit Lafarge, der Ed. Züblin AG und dem Stiftungslehrstuhl Windenergie der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Ed. Züblin AG wird eine wirtschaftliche Verfahrenstechnik für die Errichtung von UHFFB Offshore-Windenergieanlagen entwickeln. Sie verfügt bereits über ein innovatives Gründungskonzept für derartige Konstruktionen. Lafarge hat mit Ductal® einen praxistauglichen UHFFB entwickelt, der bereits bei vielen Bauwerken im Ausland erfolgreich eingesetzt wurde.

Maßstabseinfluss bei kombinierter Beanspruchung von Bauteilen aus UHFFB

Maßstabseinfluss bei kombinierter Beanspruchung von Bauteilen aus UHFFB

Auswirkungen des Klimawandels auf bestehende Spannbetonbrückenbauwerke

Auswirkungen des Klimawandels auf bestehende Spannbetonbrückenbauwerke

Stabwerkmodelle und Querkrafttragfähigkeit

Der Forschungsschwerpunkt befasst sich mit der Bemessung von Konstruktionsbeton (Stahlbeton und Spannbeton), mit Stabwerkmodellen sowie mit der Theorie und Beispielen zur Bemessung von Diskontinuitätsbereichen. Beispiele bezüglich letzterem sind Lasteinleitungsbereiche oder Konsolen sowie hochgezogene Auflager bei Fertigteilen. Des Weiteren wird die Querkrafttragfähigkeit von Tragwerken aus Konstruktionsbeton mit und ohne Querkraftbewehrung untersucht (Theorie und praktische Bemessungsverfahren). Die Ergebnisse der Arbeit werden in einer umfassenden Versuchsdatenbank festgehalten. Zu den weiteren Tätigkeiten gehören Beratungen und Gutachterleistungen.

 

Flat to Form: Rapidly-Deployable Grid-Shell Domes

Der Bau der Mannheimer Multihalle demonstrierte 1975, dass große, offenen Hallen konstruiert werden können, indem man ebene, rechtwinklige Gitter aus sich überlappenden Materialien baut und dann in eine baustatisch optimierte Form aufrichtet, die als Gitterschale bezeichnet wird.  Zwar minimiert die endgültige Geometrie einer Gitterschale die Biegekräfte und ermöglicht dadurch den Einsatz einer Vielzahl von Baumaterialien, allerdings kommt es während des Aufbauprozesses zu besonderen Ansprüchen an den Verbindungsstellen des Gitters.  Während dieses Vorgangs müssen diese Knotenpunkte Drehungen in der Ebene des Gitters zulassen, wobei dieselben Punkte nach der Fertigstellung allen Biege- und Torsionskräften ohne Deformation standhalten müssen.

Das Ziel dieser Forschung ist es, durch Manipulation der ebenen Gitteranordnung den Konstruktionsprozess dahingehend zu vereinfachen und zu beschleunigen, dass eine Vereinfachung der Verbindungen an den Knotenpunkten möglich wird.  Mit Hilfe von handelsüblichen Materialien und herkömmlichen Kabelbindern wird der Zusammenhang zwischen dem unverformten, ebenen Gittermuster und dem Potential der sich ergebenen aufgerichteten Form untersucht.

Zelluläre Tragsysteme

Das Verständnis vom Einfluss der mechanischen Spannungskomponenten bei der Strukturbildung im Gewebe ist unabdingbar, um aus in vitro kultivierten Zellen in vivo ähnliches Gewebe zu generieren. Die interdisziplinäre Forschungsarbeit in Zusammenarbeit mit dem Anatomischen Institut in Tübingen beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Apparatur zur Belastung dreidimensionaler Zellkulturen und Gewebeverbände. In Verbindung mit dem Mikroskop können mit der Apparatur wichtige Materialparameter der Gewebe bestimmt werden. Eine dreidimensionale Visualisierung ermöglicht Untersuchungen zum Morphologieverhalten der Zellen unter mechanischer Belastung.

Branding im Industriebau - am Beispiel der Automobilbranche

Die Forschungsarbeit beschäftigt sich mit Produktionsstätten als potentielle Brandscapes in der Automobilbranche. Die Fragestellung, inwieweit die architektonische Erscheinung einer Automobilfabrik das Markenbewusstsein von Kunden positiv beeinflussen kann, steht im Fokus der Untersuchung. Die Betrachtung wird dabei auf der Grundlage von typologischen, marketingorientierten, sozialwissenschaftlichen sowie produktionstechnischen Aspekten geführt.

Bauwerksmanagementsystem

Die Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Expertensystems auf Netzebene zur Erfassung des Zustandes von Ingenieurbauwerken des Bundes sowie zur Prognostizierung des zukünftigen Erhaltungsbedarfs und der dazu erforderlichen Strategien. Im Fokus steht die Entwicklung einzelner Module, u. a. Schädigungsmodelle auf Werkstoffebene, Module zur Bestimmung von Eingreifzeitpunkten, Kataloge von Erhaltungsmaßnahmen und Strategien sowie Module zur Optimierung der Erhaltung auf Objektebene.

Kontaktadresse

 

Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Pfaffenwaldring 7 + 14, 70569 Stuttgart-Vaihingen

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