Gleiche Lasten mit geringerem Materialaufwand

Statische Idealform: Die „aufgeblasene“ Stütze

Die Hybrid-Stütze „Perfecto“ besteht aus zwei deckungsgleich zugeschnittenen Edelstahlblechen, die am umlaufenden Rand zusammengeschweißt und mit Wasser aufgeblasen werden. Wissenschaftler des KIT Stahl- und Leichtbau am Karlsruher Institut für Technologie haben nun mithilfe numerischer Simulationen die perfekte Ausgangsform für die Bleche ermittelt, sodass beim Aufpumpen keine Falten und Beulen entstehen.

Ohne teure Formwerkzeuge können so Bauteile bis zu einer Länge von 16 Metern hergestellt werden.

„Es hat tatsächlich vor ein paar Jahren mit einem Eiswürfelbeutel angefangen“, erklärt Professor Thomas Ummenhofer die Idee hinter dem Projekt. „Beim Betrachten eines solchen habe ich mich gefragt, ob man nicht auch zwei an den Rändern verbundene Bleche aufblasen kann.“

Die Herausforderung: Die Bleche müssen wirklich die perfekte Form haben – sonst werfen sie beim Umformen mit Wasser unschöne Falten. Und auch die Schweißnaht muss hochwertig sein, sonst begünstigt ein starker Schweißverzug die Faltenbildung oder es kommt zu einem frühzeitigen Platzen während des Aufblasens.

„Wir haben uns dann mit numerischen Simulationen an die optimale Ausgangsform herangetastet“, sagt Ummenhofer. Nicht umsonst trägt das Projekt den Namen „Perfecto“ – denn den Karlsruhern ist es gelungen die „perfekte“ Form für die Bleche zu finden, die sich dann faltenfrei aufblasen lässt.

„Wir sind in der Lage, die Stütze in individuellen Längen und Durchmessern je nach Wunsch auf den Zentimeter genau und reproduzierbar herzustellen“, sagt Ummenhofer. Aber könnte man so eine zweifach gekrümmte Edelstahlschale nicht auch anders herstellen? „Ja, man könnte diese Formen theoretisch auch durch Tiefziehen herstellen, aber für ein so großes Bauteil wie eine 16 Meter lange Stütze bräuchte man dann ein extrem teures Formwerkzeug“, sagt Ummenhofer.

Gleiche Lasten mit geringerem Materialaufwand

Der Edestahlkorpus der Stütze fasziniert durch seine außergewöhnliche Form und die spiegelnde Optik. Daher sahen die Karlsruher Wissenschaftler vor allem in der Architektur eine Anwendung für die Hybrid-Stütze. Hybrid deshalb, weil zum einen die „aufgeblasenen“ Bleche die Außenhaut bilden und sich zum anderen im Inneren ein Stab aus hochfestem Stahl befindet, der die beiden Stützenenden geradlinig verbindet. Der Raum zwischen Hülle und Stab ist mit selbstverdichtendem Beton verfüllt.

„Die äußere Form kommt der Idealform aus statischer Sicht sehr nahe und wir können die gleichen Lasten mit einem geringeren Materialaufwand als bei konventionellen Stützen abtragen. Mit einem Minimum an Material realisieren wir ein Maximum an Funktion und Tragfähigkeit“, sagt Ummenhofer. Die Stütze sieht also nicht nur gut aus, sondern sie kann auch höchste Lasten abtragen. „Das macht die Stütze zu einem optimalen Bauelement und eben nicht nur zu einem Designelement“, so Ummenhofer.

Als nächsten Entwicklungsschritt muss die Stütze noch Feuerwiderstandsuntersuchungen durchlaufen. „Aufgrund der hohen Materialkosten für Edelstahl existieren weltweit nur vereinzelt Stabtragwerkwerke aus Edelstahl. Wir schätzen daher die Marktchancen für die Hybrid-Stütze, die durch die dünne Hülle ein Minimum an Edelstahl benötigt, gut ein, da durch sie der Bau von Stabtragwerkskonstruktionen aus Edelstahl ressourceneffizient ermöglicht wird“, sagt Ummenhofer.

Messeauftritte in München, Karlsruhe und Dubai

Die „Hybrid-Stütze „Perfecto“ wurde erstmals auf der BAU München im Januar 2019 am Gemeinschaftsstand der „Informationsstelle Edelstahl rostfrei“ vorgestellt. Am 10. Juli 2019 wird sie auch beim Innovationstag „Neuland“ am KIT zu sehen sein. Die Messe „The Big 5“ in Dubai gilt als die wichtigste und größte Messe des Bausektors des arabischen Raums. Dort wird die Hybridstütze im November 2019 in einer sechs Meter langen Variante am Gemeinschaftsstand des Landes Baden-Württemberg ausgestellt sein.

Die Hybridstütze in Zahlen

  • Abmessungen: individuelle Längen (bis 16 m) und entsprechende Mitten- und Enddurchmesser
  • Außenhülle (Edel-)Stahl: Wanddicke 1 mm bis 5 mm
  • Oberflächenausführungen: z.B. Spiegelpolitur, Satinierung, elektrochemische Färbung oder galvanischer Edelmetallauftrag
  • Aufführungsbeispiel: Traglast bei einer Stützenlänge von 3 m, Mittendurchmesser 21 cm und Enddurchmesser 6 cm: 1 000 kN
  • Einsatzgebiet: Einzelpendelstütze oder als Element in Stabtragwerken (z.B. Raumfachwerken)

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