Flexible Architecture A strategy for a resource efficient and sustainable hall construction

Zusammenfassung in englischer SpracheAbweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersDie Arbeit beschäftigt sich mit effizienten Tragstrukturen, die aus architektonischen Gegebenheiten, insbesondere aus Gestaltungsmöglichkeiten, welche am Beispiel einer Halle in Leichtbauweise, gewonnen werden können. Der Entwurf der Architektur, wird dabei in Einklang mit den statischen bzw. tragstrukturellen Eigenschaften der Bauelemente, sowie mit allgemeinen und regionalen, ökologischen Messinstrumenten, der eingesetzten Materialien, vorwiegend im Rahmen einer „Cradle to Gate“ - Betrachtung, gebracht. Zu diesem Zwecke, werden räumlich-architektonische, sowie technische Lösungen, welche für die langfristige Lebensdauer von Hallen und deren flexible Umfunktionierung, ausgerichtet sind analysiert und entwickelt. In Anbetracht des Gesamtlebenzyklus, von nachhaltigen Bauwerksnutzungen, stellen rückbaufähige bzw. adaptierbare Bauelemente, die entwurfsmäßig und technisch sinnvolle Strategie dar.Das vordergründige Ziel der Arbeit ist das Erreichen eines möglichst ressourceneffizienten und nachhaltigen Bauwerks, das in einer praktischen Herangehensweise, über einen spezifischen Hallen-Entwurf ausgearbeitet wird. Der methodische Schwerpunkt hierbei, liegt im Einsatz einer statisch effizienten Primär-Tragstruktur, welche in einer orientierenden Evaluierung der Statik, mithilfe eines Finite Elemente -Tools untersucht und mit dem Ziel des geringsten Einsatzes von Materialmassen, sowie, wie im Rahmen der räumlich-funktionalen Randbedingungen für sinnvoll erachtet, adaptiert wird. Den grundlegenden Ansatz des Hallenentwurfes, bilden zwei nach bautechnischen, sowie nach Aspekten des Tragverhaltens beleuchtete, realisierte Referenzobjekte. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse, sowie das angewandte Bausystem, eines eingehender behandelten Objektes, werden in den Entwurf eingearbeitet und im Sinne der baulichen Gesamtsituierung, sowie nach architektur-gestalterischen Parametern weiterentwickelt. Eine städtebaulich angesetzte und mit dem spezifischen Standort des Bauplatzes verbundene Entwurfsherleitung, verknüpft zudem die bauliche Gestalt und Charakteristik des entstehenden Baukörpers, mit dem Stadtbild, des durch die Bebauung des Bauplatzes, behandelte Areals.In der konstruktiven Ausarbeitung, wird die zum Einsatz gebrachte Baugeometrie eines Dreigelenkbogens, mithilfe eines digitalen Finite Elemente Tools, in einer digitalen Scripting Umgebung, einer orientierenden Untersuchung des statischen Tragverhaltens unterzogen. Die nach der statischen Beanspruchung vorbemessenen Trägerquerschnitte, werden unter Einwirkung des Eigengewichts, insbesondere auf Schnittreaktionen und Ausnutzungen analysiert und formgeometrisch, entsprechend den Ausgabewerten der simultan laufenden FE-Analyse, adaptiert. Unter Zuweisung einer, der Region zu erwartenden Windlast, werden geringfügige, punktuelle Adaptionen der Bogenform vorgenommen, welche zu einer deutlichen Senkung der Biegemoment-Spitzenwerte führen. Die Ergebnisse stimmen, mit vielfach getätigten Analysen und in der Arbeit benannten Erkenntnisse, über das Tragverhaltens von Bögen überein und sind in diesem Zusammenhang nachvollziehbar. Die Bogenformen der Gesamtkonstruktion werden nach räumlich-funktionalen Gesichtspunkten abgewägt und zu einer tonnenartigen Dachlandschaft ausgestaltet. Die auf das primäre Ziel der Arbeit abzielende Bauweise, mit deren Einsatz das ressourceneffizientere Bauwerk hergestellt wird, geht aus einer Materialgegenüberstellung hervor, anhand derer zwei exemplarische Bogenmodule nach Parametern der konstruktiven Effizienz, sowie nach ökologischen Messgrößen verglichen werden. Die Bauweise in Stahl zeigt dabei eine gewichtsmäßig leichtere Konstruktion, welche eine geringere Ausnutzung der Querschnitte, sowie aktuellen Datenquellen zufolge, deutlich geringere Energieverbräuche aus nicht erneuerbaren Energiequellen aufweist. (PEI n.e.) Zudem weist die Stahlkonstruktion gegenüber der Holzkonstruktion im Materialvergleich eine höhere Recyclingrate auf. Im Hinblick, auf die für den spezifischen Entwurf angesteuerte ressourcenschonenderen und zugleich nachhaltigere Baukonstruktion, wird der Entwurf in Stahlbauweise ausgearbeitet, welcher überdies eine höhere, nutzungsfähige Lebensdauer anstrebt. Zu diesem Zwecke werden sämtliche Verbindungen der Primärstruktur, sowie der Verkleidungs- und Ausbauelemente mit rückbaugerechten Schraubverbindungen konzipiert. Darüber hinaus kommen im Sinne eines aus ökologischer Sicht, nachhaltigen Gesamtbauwerks, umweltfreundliche, sowie langlebige und wiederverwendbare Baustoffe zum Einsatz, welche in der konstruktiven Detaillierung eingearbeitet werden.This thesis is concerned with efficient supporting structures, that can be derived from architectural conditions, especially in terms of design strategies, which are applicated practically in a specific hall building design. In this interests the design is brought into accordance with specific structural and load-bearing features of materials and construction products, as well as regional and ecological measurement criteria of their structural use, mainly within the scope of a cradle to gate approach. For this purpose architectural and spatial, as well as technical solutions, for a long term usage are analyzed and developed. Considering the whole life cycle of a building in the design stage, deconstructable and adaptable elements prove to be the technically reasonable strategy. The primary objective of this thesis is to achieve the most efficient und sustainable building possible, within the framework of the specific design conditions, by the use of a lightweight primary structure, which is analyzed in terms of its structural and load bearing behavior. The methodical emphasis lies in analyzing and adapting the primary structure by operating with a finite elements tools, which is embedded in a scripting environment, with the target to obtain the least material masses. The design then is adapted, based on the load-bearing behavior and in compliance with the spatial and functional circumstances. The main approach of the design is derived from an analytical consideration of two reference objects, which lead to the used construction system, further the builiding structure, which is integrated into the urban development. The characteristic of the designed hall is brought into accordance with the architectural and aesthetical appearance of the purposed area. In the constructional stage, the geometry of a three pinned arch is dimensioned under the load acting of its tare weight and the resulting beam reactions, as well as its bearing - utilization. The geometry then is adapted punctually by the act of a wind-load, under the simultaneously ongoing Finite Elements-Analysis which leads to a distinct decrease of its maximum bending moments. The results stand in compliance with proven recognitions, that are pointed out in the thesis. The arches of the whole construction of the building are redesigned with functional and spatial stand of views and then shaped into a barreled roof-landscape. The decision of the construction method, especially by means of the applicated material is carried out based upon a comparison of a representative arches-module, which is contrasted by its construction efficiency and ecological measurement criteria. In that regard the construction in steel shows opposed to a timber module, a lighter weight along with lesser resource consumptions of non renewable energy. (Primary energy Input) Furthermore it turns out to have a higher recycling rate. Therefore the construction is implemented in steel and assembled with screwed building components and connections in order to realize a functionally adaptable hall structure, that hence reaches a long lifespan. In respect to an ecologically sustainable building construction as a whole, functional layers of the building structure , such as insulation and cladding, are incorporated with environmentally friendly materials and worked into the building details.23