Das Verhalten hybrider Tragstrukturen unter Einfluss der Variation der System- und Materialsteifigkeiten

Gegenstand der Arbeit „Das Verhalten hybrider Tragstrukturen unter Einfluss der Variation der System- und Materialsteifigkeiten“ ist die Untersuchung des Verhaltens hybrider Tragstrukturen und die Erstellung geeigneter Entwurfsdiagramme und -formeln, welche dem Tragwerksentwerfer anhand definierter Kriterien das Finden einer für die jeweilige Aufgabe optimalen Hybridstruktur ermöglichen. Der Begriff hybride Tragstruktur bezeichnet in der vorliegenden Arbeit die Kombination von mindestens zwei für sich alleine tragfähigen Systemen unterschiedlicher Lastabtragscharakteristik. Ziel der Arbeit ist das Aufzeigen der Möglichkeit durch die Koppelung dieser in ihrer Lastabtragscharakteristik unterschiedlichen Systeme, ein anpassungsfähiges Hybridsystem zu bilden. In dieser Arbeit wird der unterspannte Träger mit dem Ziel untersucht, das Verhalten der Hybridstruktur durch die Einzelsystemsteifigkeiten so zu steuern, dass sich die stark unterschiedlichen Systeme Biegeträger und Seil für die jeweilige Aufgabe sinnvoll ergänzen. Zur Untersuchung des Verhaltens der Hybridstruktur wird in Kapitel 1 der Arbeit eine Parameterstudie durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchung werden die Parameter Spannweite, Geometrie der Unterspannung, Biegeträgersteifigkeit, Seildehnsteifigkeit und Belastung variiert. Es wird das Verformungs- und das Tragverhalten der Hybridsysteme unter konstanter, antimetrischer und ansteigender Last betrachtet. Das Verhalten wird in Bezug auf den Lastanteil des Seils dargestellt, damit ist das Beurteilungskriterium für die von den Einzelsystemsteifigkeiten bestimmte Lastabtragscharakteristik des Systems definiert. In Kapitel zwei werden Entwurfskriterien für die Auswahl gegeigneter Hybridsysteme definiert und in Diagrammen dargestellt. Das Kriterium Lastanteil des Seils, zur Beurteilung des Verhaltens der hybriden Tragstruktur ist auf der Ordinate der Entwurfsdiagramme aufgetragen und bildet eine Grundlage für die in Kapitel zwei dargestellten Entwurfsdiagramme. Eine weitere Grundlage sind die Systemtraglasten, welche als Eingangsparameter direkt in die Diagramme einfließen. Die Steifigkeit der Hybridsysteme findet ihren Eingang in die Diagramme über die zulässigen Systemdurchbiegungen, welche als prozentualer Wert zur zulässigen Verformung des Tragwerks über der Systemtraglast aufgetragen sind. Weitere Kriterien sind die Effizienz des Tragwerks, das Gewicht der Konstruktion und die Transparenz der Hybridstruktur. Im Sinne des Leichtbaus ist eine Tragstruktur effizient, wenn das eingesetzte Material in hohem Maße am Lastabtrag beteiligt ist. Der in den Diagrammen dargestellte Effizienzbereich zeigt die Auslastung der Querschnitte des Seils und des Biegeträgers. Die Kriterien Gewicht, im Hinblick auf einen sparsamen Resourceneinsatz ein allgemeingültiges Kriterium, und Transparenz sind als Kurven über der Systemtraglast aufgetragen. In den Diagrammen sind Kurven mit konstanter Trägersteifigkeit EI abgebildet. Aufgrund der großen Bandbreite ist es möglich, für beliebige Querschnitte und Materialien anhand der Diagramme Hybridsysteme nach definierten Kriterien und eigener Gewichtung auszuwählen. In Kapitel drei sind einfache Überschlagsformeln für die Berechnung der Hybridstrukturen hergeleitet, die es ermöglichen im Rahmen der Entwurfsplanung ein für die Aufgabe optimiertes Tragwerk zu planen. Die Anwendung der Diagramme im Zusammenspiel mit den Entwurfsformeln wird anhand der Beispiele in Kapitel vier gezeigt. Die Diagramme sind im Zusammenhang mit den Untersuchungen in Kapitel eins und den Überschlagsformeln aus Kapitel drei ein anschauliches, leicht anzuwendendes Instrumentarium für den entwerfenden Tragwerksplaner, das es ermöglicht, ein für die jeweilige Aufgabe optimal angepasstes Hybridsystem zu finden