CarboLight Bridge
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title CarboLight Bridge als Demonstrator für die SPP1542-Projekte des IMB, TU Dresden | CarboLight Bridge as demonstrator for the SPP1542 projects of the IMB, TU Dresden Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / SPP 1542 | Institut für Massivbau, TU Dresden | Deutsches Museum München Fertigstellung | Finished 12/2021 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributors Dipl.-Ing. Marc Koschemann, Iurii Vakaliuk M.Sc. Unterstützer | Supporters HICONFORM – Freitaler Modellwerkstätten eG, Freital | Heidelberger Beton GmbH | Institut für Baustoffe, TU Dresden |
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Kür geglückt. IMB: 12 Punkte!
CarboLight Bridge im Deutschen Museum München
Das Bauen mit Beton ressourcenschonender und klimafreundlicher zu gestalten, gehört zu den wichtigsten Zielen im Bauwesen. Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ wurden dafür bionische und mathematische Entwurfsprinzipien angewandt, um innovative Betone effizient einzusetzen. Als Demonstrator für diesen Ansatz wurde am Institut für Massivbau eine Brücke aus Carbon- und Infraleichtbeton entwickelt und im modernisierten Bereich Brückenbau im Deutschen Museum München aufgebaut.
Die CarboLight Bridge ist als filigrane Konstruktion aus zwei flach geneigten Stützen und einem dreigeteilten Überbau mit 9,50 m Länge und von 1,20 m Breite konzipiert. Die gestalterischen und konstruktiven Möglichkeiten des leichten Bauens mit Beton und Carbonbeton werden vor allem durch das Konstruktionsgewicht von lediglich 2,1 t und die schlanken V-förmigen Stützen aufgezeigt. Maßgeblichen Anteil dafür haben die kraftflussoptimierte Form und der Sandwichaufbau des Überbaus. Der dreischichtige Aufbau variiert in der Höhe zwischen 60 mm und 160 mm. Die zweiachsig gekrümmte Unterseite und die ebene Oberseite bestehen aus einer nur 20 mm dicken Schicht Carbonbeton. Dazwischen befindet sich Infraleichtbeton mit einer Dichte von ca. 800 kg/m³.
Mittels einer 3D-Modellierung der Brücke wurden die Geometrie hinsichtlich des Lastabtrags und der Konstruktion optimiert sowie Schalungen aus gefrästem Sperrholz gefertigt. Um die Montage, das Erscheinungsbild und die Tragfähigkeit der Carbonbetonbrücke zu erproben, erfolgte die Herstellung eines Testexemplars der Brücke im Otto-Mohr-Laboratorium. Nach erfolgreicher Beprobung, wurden fünf vorgefertigte Segmente zum Einbauort in ca. 3 m Höhe ins Deutsche Museum transportiert. Mithilfe eines verstellbaren Unterstützungssystems wurden die Segmente ausgerichtet und der Infraleichtbeton sowie die Deckschicht aus Carbonbeton vor Ort eingebracht.
Ergänzend zur Ausstellungsbrücke verdeutlicht ein Tastexponat des Überbauquerschnitts das optimierte Zusammenspiel von Carbon- und Infraleichtbeton in der hybriden Konstruktion. Dadurch wurde letztlich eine signifikante Ressourceneinsparung gegenüber einer Stahlbetonkonstruktion vergleichbarer Tragfähigkeit erzielt. Beide Exponate sind ab Sommer 2022 im Deutschen Museum zugänglich.
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
Bereit für die Kür
Belastungsversuch des Testexemplars der Carbonbetonbrücke
Im Zuge der Modernisierung des Deutschen Museums in München wird zukunftsfähigen Innovationen mehr Raum geboten. Dazu gehört in der Bauingenieurabteilung bald auch eine Ausstellungsbrücke aus Carbonbeton. Ein erstes Exemplar wurde in diesem Jahr im Otto-Mohr-Laboratorium der TU Dresden hergestellt und erfolgreich getestet.
Die Carbonbetonbrücke ist mit einer Länge von 9,50 m als filigrane Konstruktion aus zwei flach geneigten Stielen und einem dreigeteilten Überbau konzipiert. Die gestalterischen und konstruktiven Möglichkeiten des leichten Bauens mit Beton und Carbonbeton werden vor allem durch die schlanken V-förmigen Stiele und dem Konstruktionsgewicht von lediglich 2,1 t aufgezeigt. Maßgeblichen Anteil dafür haben die kraftflussoptimierte Form und der Sandwichaufbau des Überbaus. Der dreischichtige Aufbau variiert in der Höhe zwischen 60 und 160 mm. Die zweiachsig gekrümmte Unterseite und die ebene Deckschicht werden aus Carbonbeton von 20 mm Dicke hergestellt. Die Schicht dazwischen besteht aus Infraleichtbeton mit einer Dichte von ca. 800 kg/m³.
Anhand einer 3D-Modellierung der Brücke wurde die Geometrie hinsichtlich des Lastabtrags und der Konstruktion optimiert. Die Stiele und die unteren Schalen des dreiteiligen Überbaus sind als Fertigteile hergestellt, wohingegen die Aufbetonschichten vor Ort eingebracht werden. Auf Grundlage des finalen 3D-Modells wurden Schalungen aus gefrästem Sperrholz gefertigt. Um die Montage, das Erscheinungsbild und die Tragfähigkeit der Carbonbetonbrücke sowie einzelner Segmente zu erproben, erfolgte im Laufe des Jahres die Herstellung eines Testexemplars der Brücke im Otto-Mohr-Laboratorium. Dafür wurden die filigranen Elemente auf Holzunterkonstruktionen gelagert, massive Auflager konstruiert und ein höhenverstellbares und horizontal verschiebbares Unterstützungssystem konzipiert. Nach Ausrichtung der fünf Brückensegmente wurde die Randschalung montiert, die Schicht aus Infraleichtbeton eingebracht und die Brücke anschließend mit der Deckschicht komplettiert. Nach Absetzen der Unterstützungen, wurde das Verformungsverhalten der Konstruktion unter Gebrauchslast über mehrere Tage dokumentiert und die Brücke schließlich bis zum Bruch geprüft. Die aufgebrachte Last von 4 x 1,5 t übersteigt das 20-Fache der geplanten Nutzlast und damit auch alle Erwartungen. Nach der erfolgreichen Generalprobe folgt nun die Kür.
Für Anfang 2021 ist der Aufbau der Ausstellungsbrücke im Deutschen Museum München vorgesehen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
LEICHT, LEICHTER, CARBONBETON!
Visualisierung der Ausstellungsbrücke aus Carbonbeton
Museen gelten in der Regel als Orte des Vergangenen und bieten den Besuchern einen geschichtlichen Rückblick. Das Deutsche Museum München traut sich den Blick nach vorn und bietet zukunftsfähigen Innovationen mehr Raum. Im Zuge der Neuordnung des Bereiches Brücken- und Wasserbau wird es bald auch eine Ausstellungsbrücke aus Carbonbeton zu betrachten geben.
Diese Brücke ist als filigrane Konstruktion aus zwei flach geneigten Stielen und einem dreigeteilten Überbau mit einer Länge von 9,50 m geplant und zeigt die gestalterischen und konstruktiven Möglichkeiten des leichten Bauens mit Beton und Carbonbeton auf. Das Konstruktionsgewicht beträgt dabei lediglich 2,0 t bei einer Breite von 1,20 m. Die beiden V-förmigen Stiele besitzen eine Länge von ca. 3,0 m und werden mit einer Dicke von 50 mm in Carbonbeton ausgeführt. Um die Stabilität gegen ein mögliches Knicken zu erhöhen, wurden ein Kreissegmentquerschnitt und eine leichte Überhöhung in Längsrichtung gewählt.
Der Überbau besteht aus einem 3,6 m langen mittleren Segment und zwei spiegelgleichen Randfeldern. Der dreischichtige Aufbau variiert in der Dicke zwischen 60 und 180 mm. Die zweiachsig gekrümmte Unterseite wird mit einer Carbonbetonschicht von 20 mm hergestellt. Die mittlere Schicht besteht aus Infraleichtbeton mit einer Dichte von weniger als 1.000 kg/m³. Eine ebene obere Schicht Carbonbeton komplettiert den Sandwichaufbau.
Zweiachsig gekrümmte Carbonbetonschale für die Unterseite der Randfelder
Zur Geometriefindung und Optimierung des Tragverhaltens wurde ein parametrisiertes 3D-Modell der Brücke, mithilfe von Rhino und Grasshopper, erstellt. Die Parametrisierung ermöglichte eine umfassende Variantenuntersuchung, angefangen vom Stützweitenverhältnis bis hin zu Detailpunkten, wie dem Verbindungspunkt zwischen Stiel, Mittelfeld und Randfeld. Durch Programmierung einer Schnittstelle zu RFEM wurden alle erforderlichen statischen Berechnungen am gleichen Modell durchgeführt. Mithilfe dieses Ansatzes können Auswirkungen infolge einer Geometrieänderung auf den Lastabtrag quasi-simultan bestimmt werden.
Die Geometriedaten des finalen 3D-Modells waren die Grundlage für die anschließende Planung und Fertigung der Schalungen. Diese wurden aus massiven Sperrholzplatten gefräst und anschließend versiegelt. Erste Brückensegmente wurden bereits erfolgreich hergestellt. Für das Jahr 2020 sind Technologietests, Laborversuche und die Montage der Carbonbetonbrücke im Deutschen Museum München vorgesehen.