SKELETTBAU (25%) Geben Sein eine Definition für die Bauweise Skelettbau und verdeutlichen Sie durch eine Skizze welche Tragwerkselemente in der Regel zur Realisierung von Skelettbauten eingesetztt werden. Nennen Sie 3 Vorteile, die Sie mit der Verwendung dieses Bauprinzips verbinden. Skizzieren Sie den 4 geschoßigen Skelettbau R128 von Arch./Ing. Werner Sobek in axonometrischer Darstellung und tragen Sie alle wesentlichen Tragelemente für vertikale und horizontale Lastableitung ein. Definition: Bauweise aus einem Gerippe von Holz (Fachwerk), Stahl oder Stahlbeton über einem Rastersystem. Stützen und Balken gelenkig oder biegesteif miteinander verbunden. Aussteifung mittels steifer Knoten oder Ausbildung von Rahmen. Aussteifen mittels Windverbänden in Form von Diagonalaussteifungen. Aussteifungen mittels Wandscheiben bzw. sogenannten Kernen Wandscheibe n müssen min. in 2 nicht zueinander parallelen Richtungen stehen. Vorteile: Wirtschaftlichkeit Flexibilität der Grundriss und Fassadengestaltung Gliederung in tragende und nicht tragende Elemente erzeugt ein tragendes Skelett, das mit nicht tragenden Elementen ausgefacht wird wirtschaftliche Spannweiten (Hallen, Büro und Gewerbebau) Fassadengestaltung: Band, Raster Pfosten Riegelkonstruktionen. bauphysikalischen Vorteile insbesondere beim Brandschutz bis hin zur vollflächigen Verglasungg mit raumhohen Skizzieren Sie 3 Konfigurationen für Geschoßbauten mit rechteckigem Grundriss und aussteifenden Kernen. Beschreiben Sie Vor und Nachteile ihrer 3 Aussteifungskonzepte. Welche Nutzung kann diesen Kernen zugewiesen werden?
Welche Aufgabe übernehmen Wind und Stabilisierungverbände? Windverband: Verstrebungen von Fachwerkträgern, die waagrecht auftretende Windkräfte (Winddruck und Sogkräfte) aufnehmen, zu Lagerpunkten übertragen und dort abgeleitet werden. Können als waagrechter, schräger oder senkrechter Verband aus Zug und Druckstäben oder nur als Zugelemente zur Aufnahme der durch den Wind auf das Bauwerk hervorgerufenen horizontalen Kräfte ausgebildet sein. Die Kombination als Zug und Druckstäbe ist vor allem bei wechselnden Windlasten erforderlich. Waagrechte Windverbände finden sich z. B. auf der Fahrbahnebene von Eisenbahnbrücken (Brückenträger) oder bei Hallendecken. Senkrechte Windverbände finden üblicherweise bei Wänden oder aufrechten Trägern Anwendung, schräge Windverbände beispielsweise an den Seiten eines knick und biegesteifen Dreiecksträgers (siehe auch Träger als tragendes Bauteil). Definieren Sie allgemein gültige Regeln für die Stabilisierung von einer Deckenscheibe unter einer beliebigen Horizontalkraft durch Wandscheiben mit Hilfe von Text und Skizzen.
KONSTRUKTIVES DETAIL (10%) Anschlussmechanismen: Erklären Sie die Begriffe Formschluss, Reibungsschluss und Stoffschluss und bringen Sie jeweils ein Beispiel und verdeutlichen Sie dieses mit einer Skizze. Formschluss: Der Formschluss ist ein Schluss zwischen zwei sich berührenden Wirkflächen fester Körper senkrecht zu den Berührungsflächen. Die Verbindung wird durch eine bestimmte Formgebung oder durch zusätzliche Elemente als Mitnehmer hergestellt. Formschlüssige Verbindungen sind beispielsweise im Stahlbau die Schrauben und Bolzenverbindungen oder im Holzbau die verschiedenen Dübel, Bolzen und Nagelverbindungen, aber auch die unterschiedlichsten Haken und Schnappverbindungen sowie Kupplungen zählen dazu. Auch im Glasbau werden formschlüssige Verbindungen verwendet.
Reibungsschluss Beim Reibungsschluss wird die Kraft von einem Teil in den anderen durch Reibung übertragen, wozu unter anderem die Klemmreibung, die Keilreibung oder die Umschlingungsreibung baupraktisch genützt werden können. Stoffschluss Stoffschlüssige Verbindungstechniken sind das Kleben und das Schweißen. Beim Schweißen werden die zu stoßenden Teile an den Berührungsstellen aufgeschmolzen und unter Zugabe verflüssigten Füllmaterials, gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung wie das Material der Teile, miteinander verbunden. Schnittigkeit und Exzentrizität: Bei welcher Art der Verbindung sind diese Begriffe relevant? Bringen Sie ein Beispiel und erklären Sie die Begriffe anhand einer Skizze. Schnittigkeit: Je nachdem, wie viele Berührflächen (Schnitte) zwischen parallel zueinander verlaufenden stabförmigen oder flächigen Einzelteilen in der Verbindung aufeinander treffen, spricht man von ein, zwei, dreischichtigen etc. Verbindungen. Bei Formschlüssige Verbindungen z.b. Schraubenverbindungen im Stahlbau; Schraubbolzen, Stabdübel und Nagelverbindungen im Holzbau Schnittigkeit einer Schraubverbindung unter Zugbelastung aus Stahlfachblechen: skizzieren sie eine 2 schnittige (m=2) und eine 3 schnitte (m=3) Verbindung.
Erklären Sie anhand zweischnittiger Scher Lochleibungsverbindung unter Zugbelastung den Kraftschluss durch diesen Verbindungstyp wie wirken sich Bolzendurchmesser und Laschendicken auf die Verbindung aus (Skizze) eine Art der Verbindung zweier Bauteile, welche in erster Linie im Stahlbau verwendet wird. Dabei werden Kräfte, die von den zusammengehaltenen Bauelementenn getragen werden müssen, quer zur Achse des Bolzens über den Anpressdruck an die Leibung der Bohrung übertragen. Der Bolzen wird dabei auf Abscheren beansprucht. Eingespannte Stütze: Skizzieren Sie jeweils für eine Beton bzw. eine Stahlstütze einen biegesteifen Anschluss an ein Fundament. Zeichnen Sie für eine Horizontalkraft die entsprechenden Reaktionskräfte in der Lagerfugee (Fuge zum Fundament) ein.
MATERIAL (10%) Eigenschaften von Werkstoffen: Beschreiben Sie das Bruchverhalten und das Verformungsverhalten von Stahl und Glas durch Zahlenwerte, Diagramm und Text. elastische Verformung = Stahl wird gedeht Rissbildung Fliessgrenze = Dehnung nimmt bei gleichbleiben der Spannung zu Stahl fließt Verfestigungsbereich Stahl kann bis zum Bruch eine weitere Belastung aufnehmen = plastische Verformung Bruch Material versagt. Stahl: 190 000 bis 210 000 N/mm² (Raumtemperatur) Bruchverhalten Stahl: duktil Bruchverhalten Glas: spröde Klaffende Fuge und Kern des Querschnitts erklären und anhand Mauerwerkspfeilers unter exzentrischer Vertikallast (Skizze) E Modul: geben Sie für zwei Materialien ihrer Wahl das E Modul an und machen Sie eine Aussage dazu, wie sich die Durchbiegung im Vergleich beider Materialien verhält E Modul: Der Elastizitätsmodul ist umso größer, je kleiner die Verformung ist, die ein Probekörper unter einer bestimmten Last erfährt. Stahl: 210.000 N/mm² Glas: 70.000 N/mm² Beton: 26.700 N/mm² Holz ǁ Faser: 11.000 N/mm² Brandverhalten von Holz: Beschreiben Sie den physikalischen Prozess. Welche Auswirkung hat dieser auf die ingenieurmäßige Bemessung des Baustoffs?
Nennen Sie die Bestandteile von Normalbeton. Erklären Sie den Unterschied zwischen Normalbeton und hochfesten Beton. Erklären Sie den Begriff W/Z Wert, welche Auswirkung hat er auf das Fetigkeitsverhalten von Beton. Nennen Sie jeweils 3 Vor und Nachteile von Stahlbeton an. Normalbeton: Beton mit einer Rohdichte (ofentrocken) über ρ= 2 000 kg/m³, höchstens aber 2 600 kg/m³ (bestimmt am erhärteten Beton) Hochfester Beton: Beton mit einer Festigkeitsklasse über C50/60 im Falle von Normalbeton oder Schwerbeton und einer Festigkeitsklasse über LC50/55 im Falle von Leichtbeton. Ρ > 2000 kg/m³ W/Z Wert: Wasser Zement Wert (W/B Wert: Wasser Bindemittel Wert) definiert das Verhältnis von Wasser zu Zement w/z = Gewicht des Wassers / Gewicht des Zements zu Zementvolumen. Der Zementleim umhüllt die Gesteinskörner, füllt die Hohlräume und macht den Frischbeton verarbeitbar. Durch das Erhärten des Zementleims entsteht Zementstein. Die Beschaffenheit des Zementsteins ist maßgebend für den Festbeton. Die Festigkeit des Zementsteins ist abhängig von der Zementfestigkeit und dem Verhältnis von Wasservolumen Vorteile: Große Gestaltungsfreiheit bei Formen Monolithischer Charakter der Tragwerke Hohe Dauerhaftigkeit Hohe Feuerbeständigkeit Nachteile: Hohe Eigengewichtskräfte (25 KN/m³) > Nachteile bei großen Spannweiten Hohe Wärmeleitfähigkeit zusätzliche Dämmmaßnahmen erforderlich
KONSTRUKTION BETON 10% Auskragende Balkonplatte aus Stahlbeton: Schätzen Sie für eine Auskragung von 4m die Bauhöhe und zeichnen Sie die Lage der notwendigen Hauptbewehrung ein. Mit welcher Bemessungsgleichung können Sie die Bewehrungsfläche abschätzen? Wie viel wiegt die Balkonplatte pro m²? Wie hoch ist die Querkraft pro m am Auflager? Fertigen Sie Zeichnungen (Skizzen) M1:50 an. Fertigen sie eine Zeichnung (Schnitt) inkl. der Einbindung der Balkonplatte in eine Geschoßdecke und der Darstellung der Bewehrung im Maßstab 1:50 an. Die Wichte des Stahlbetons γ = 25 KN/m³ q [kn/m²] = γ [kn/m³] x d [m] ( q Flächenlast, d Dicke) 1 kn = 102 kg LEICHTBAU (5%) Faltwerke: Geben Sie jeweils ein Beispiel für ein Faltwerk aus dem Bereich Industriedesign und aus dem Baubereich an. Beschreiben Sie anhand dieser Beispiele die Funktion von Faltwerken. Tribünedes 1.FC Köln 1967: System mit einer Falte: Normalspannung an gemeinsamer Kante sind gleichgerichtet Spannungsverteilung bleibt daher unverändert System mit 2 Falten: Spannungsfreie Horizontalscheibe wird mittels Scherkräfte belastet. Dadurch werden die Randspannungen verringert.
Kirche St. Paulus, Neuss Weckhoven, 1967: Faltwerke: Erklären Sie anhand eines signifikanten Beispiels die Wirkungsweise von Faltwerken. Verdeutlichen Sie die Erklärung anhand einer Skizze. Dreifache Tragwirkung der einfach gefalteten Platte: Vereinfachter Kräfteverlauf der Plattenwirkung Scheibenwirkung Fachwerk (Rahmen )wirkung einfach gefalteten Platte Tragverhalten von Faltwerken: Die einzelnen Flächen werden sowohl als Platte als auch als Scheibe beansprucht. Dabei tragen die einzelnen Elemente Belastungen quer zur Fläche zunächst als Platte zu den Kanten hin ab, welche als Auflager dienen. Entlang der Kanten werden die Kräfte in Richtung der benachbarten Flächen zerlegt. Dadurch werden diese Flächen als Scheibenaktiviert.Da die Verformungen der Einzelscheiben unter Belastung unterschiedlich sind, verschieben sich die Kanten gegeneinander. Um dies zu verhindern, müssen sie schubfest miteinander verbunden sein. Querrichtung > Plattenwirkung (1), Längsrichtung > Scheibenwirkung (2), Diagonalrichtung > Fachwerkwirkung (3) Schalentragwerke: 1. Definieren Sie die Wirkungsweise von Schalentragwerken. 2. Erklären Sie den Entwurfsprozess durch die Nutzung von Hängemodellen. Nennen Sie ein Bauwerk und den Architekten, der diese Methode genutzt hat Formgebung erlaubt bei Schalen die Nutzung der Membranwirkung, die der lediglich Druck und Zugspannungen tangential für Fläche des Bauteils auftreten, hingegen keinerlei Biege oder Querkraftbeanspruchung quer zu ihr. Die Steifigkeit der Konstruktion resultiert in erster Linie aus ihrer Krümmung, eine Grundvoraussetzung für die Wirkungsweise als Membrantragwerk. Aufhängmodell: Beim Hängemodell, das hauptsächlich für Schalen und Gewölbe aus Stein oder Beton verwendet wird, macht man sich die Schwerkraft zu Nutze, da das Eigengewicht das aufgehängte Seil oder Netz in ihre Stützlinie bringt. Dies ist die ideale Form um Lasten aufzunehmen und weiterzuleiten. Oft werden diese Versuche bei komplexen Körpern angewendet, um die richtigen Krümmungen, Längen und Abstände zu ermitteln. Hängemodell Gaudi für die Sagrada Familia
TRAGWERKSENTWURF (40%) Konzipieren Sie das Tragsystem einer Halle mit parallelen Hauptgesperren aus bogenförmigen Brettschichtholzbindern: Hauptabmessungen 20x40m, maximale Höhe 10m. Das tragende Hauptgesperre ist ein Dreigelenkbogentragwerk. Treffen Sie folgende Festlegungen: Abschätzung der Bauteilhöhe durch H/L Verhältnisse, alle notwendigen Aussteifungen und Stabilisierungsverbände. Materialien für Wand und Dachkonstruktion inkl. Notwendiger Unterkonstruktion, vor allem für die Giebelwände. Stellen Sie das Tragwerk der Halle in Grundriss und Schnitt dar (M 1:200). Fertigen Sie eindeutige Skizzen (z.b. Grundriss, Ansicht, Schnitt) des Fuß und Firstdetails des Hallentragwerks an. Maßstab 1:10.