Analyse von Stahl-Seil-Rahmen in weitgespannten Dachkonstruktionen

Gegenstand der vorliegenden Masterarbeit ist die multikriterielle statische Berechnung und numerische Optimierung einer weitgespannten Stahl-Seil-Hallenüberdachung.

Rahmen aus Stahlseilen

Im Studienteil wurde eine eigene Klassifizierung und Kategorisierung der analysierten Tragwerke vorgeschlagen. Dies ermöglichte eine Systematisierung des Wissens und eine präzise Verlagerung des Schwerpunkts von klassischen Beam-String-Structure-Systemen (BSS) hin zu spezifischen, fortschrittlichen CAS-Systemen (Cable Arch Structure), die zum Hauptgegenstand der weiteren Analysen wurden. Als direkten Bezugspunkt sowie architektonisch-konstruktive Inspiration wurde die Bahnsteigüberdachung des Lehrter Bahnhofs in Berlin herangezogen.

Im Projektteil wurde mithilfe einer parametrischen Entwurfsumgebung (Rhino/Grasshopper) ein Formfindungs-Algorithmus basierend auf der Methode der dynamischen Relaxation implementiert. Dies ermöglichte die optimale Formgebung der Vorgeometrie des Bogenträgers in enger Korrelation mit dem Verlauf der Stützlinie aus Eigenlasten, wodurch Biegemomente darin minimiert und der vorherrschende Spannungszustand auf reine Druckspannungen reduziert wurden.

Die grundlegende Strukturanalyse des CAS-Systems erfolgte in der Softwareumgebung Dlubal RFEM 6. Aufgrund des Vorhandenseins schlaffer Zugelemente wurde die statische Berechnung des Hauptrahmens mittels einer geometrisch nichtlinearen Analyse III. Ordnung (Theorie großer Verschiebungen) durchgeführt. Zur Bewertung des Tragverhaltens wurde der klassische Stabilitätsnachweis des Trägers um eine lineare Verzweigungsanalyse (LBA) sowie eine erweiterte Analyse der Querschnittsverwölbung (7. Freiheitsgrad) ergänzt. Dies ermöglichte die präzise Abbildung des tatsächlichen, räumlichen Biegedrillknickverhaltens des analysierten Bogens. Die erzielten Ergebnisse dienten der vorläufigen Dimensionierung der Konstruktionselemente, die als Vorphase und Grundlage für die eigentliche, vollständige Bemessungsprozedur betrachtet wird. Isolierte Schnittgrößen-Interaktionsdiagramme und die Analyse der Kräfte im Hauptzugseil ermöglichten die Bewertung der Querschnittsreserven und die Identifizierung von Bereichen für weitere Analysen. Die formulierten Schlussfolgerungen stellen eine kritische Zusammenfassung dieser vorläufigen Dimensionierungsphase dar und definieren Richtlinien für die endgültigen Bemessungsmethoden von CAS-Systemen. Die Arbeit belegt, dass die Integration von parametrischer Formfindung mit nichtlinearen FEM-Verfahren ein hocheffektives Werkzeug in der frühen Konzept- und Entwurfsphase moderner weitgespannter Konstruktionen darstellt.