Irreguläre ebene Stabwerke

Irreguläre Stabwerke gewinnen im Bauwesen an Bedeutung seit sich diese mit parametrischen Entwurfswerkzeugen generieren und analysieren lassen. Das Thema dieser Forschungsarbeit ist der optimierte Entwurf irregulärer ebener horizontaler Stabwerke. Es wird dazu ein von einem Entwerfer zu steuernder Entwurfsprozess entwickelt, in den eine computergestützte Mehrkriterienoptimierung integriert wird. Eine mehrkriterielle Optimierung ist erforderlich, um die vielfältigen Optimierungsziele für irreguläre Stabwerke zu berücksichtigen. Diese Ziele bestehen in der Realisierung der gestalterischen Zielsetzung, in der Minimierung des Materialeinsatzes und in der Reduktion des konstruktiven Aufwands. Auf der Ebene der Themenfelder Gestaltung, Tragwerk und Konstruktion werden im Rahmen dieser Arbeit die wichtigsten Kriterien identifiziert, in quantitativen Analysen ausgewertet und in Form von normalisierten Bewertungen umgesetzt.
Während bereits in vielen Forschungsarbeiten die Kriterien der Gestaltung von Entwürfen durch die Einschränkung der möglichen Entwurfsvarianten Berücksichtigung finden, werden in dieser Arbeit die gestalterischen Ziele im Mehrkriterienoptimierungsprozess eingebunden. Gestützt auf eine theoretische und empirische Analyse der Wahrnehmung von irregulären Linienanordnungen erfolgt die Quantifizierung der gestalterischen Eigenschaften anhand der Charakteristika Dichte, Flächen, Knoten und Winkel. Der angestrebte Irregularitätsgrad dieser Charakteristika und deren Wichtigkeit im Vergleich zueinander werden für die Bewertung des Themenfeldes Gestaltung vom Entwerfer vorgegeben.
Für die Optimierung des Tragwerks von irregulären orthogonal zu ihrer Ebene beanspruchten Stabwerken werden bezüglich der Modellierung, Analyse und Bewertung neue Ansätze entwickelt und in den Entwurfsprozess integriert. Bei der Modellierung wird die parametrische Abhängigkeit der Eigenlasten des Nebentragwerks von dem maßgebenden Abstand der Hauptträger untersucht. Für die Tragwerksanalyse geht aus einem Vergleich von drei Software-Anwendungen zur baustatischen Analyse (Karamba, RSTAB und Sofistik) hervor, dass der Grenzzustand der Tragfähigkeit durch einen an Karamba angelehnten eigens erweiterten Algorithmus ermittelt werden kann. Die Verformungen des Tragwerks werden mit einem in dieser Arbeit entwickelten Ausnutzungsansatz sowohl global als auch lokal nachgewiesen. Die Bewertung des Tragwerks erfolgt mit einem neu entwickelten Kriterium, dem Gewichtsäquivalent, das die Topologieoptimierung mit nur einem zusammenfassenden Bewertungsparameter effizient ermöglicht.
Im Themenfeld Konstruktion werden verschiedene Konstruktionsvarianten identifiziert. Zur Ableitung konstruktiver Bewertungsparameter werden den Varianten Konstruktionsdetails bezüglich der Trägerebenenanordnung, der Verbindungsdetails und des Nebentragwerks zugeordnet.
In einer finalen Synthese werden die Bewertungen der drei Themenfelder für jede Entwurfsvariante zusammengeführt. Diese Gesamtbewertungen werden als Zielfunktion der Optimierung hinterlegt, die von einem genetischen Algorithmus hinsichtlich optimierter Entwurfsvarianten erkundet wird. Der mehrkriterielle Entwurfsprozess wird dadurch vervollständigt. Die Anwendbarkeit des Prozesses wird anhand eines Beispielentwurfs verdeutlicht.