Reader möbiusban(k)d by Aliaksei Rybalchanka

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Structural Surface Ø±½¸´»·¬«²¹¬®¿¹©»®µ» ¿« ¼«µ¬·´»³ Þ»¬±²

Structural Surface Ø±½¸´»·¬«²¹¬®¿¹©»®µ» ¿« ¼«µ¬·´»³ Þ»¬±² Ü±µ«³»²¬¿¬·±² Ð®±¶»µ¬¿®¾»·¬ Í±Í» îðïì Ë²·ªòóÐ®±ºò Ü·°´òó×²¹ò Ó¿²º®»¼ Ù®±¸³¿²² Ü·°´òó×²¹ò Ð¸·´·°° Û·»²¾¿½¸ Óò ßò Ü·°´òó×²¹ò Ó±®·¬¦ Î«³°º Óò ßò øßßÜ÷ Î¿¹«²¿¬¸ Ê¿«¼»ª¿²

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Inhalt Vorwort 1. Einleitung 2. Theoretischer Exkurs 3. Der Standort 4. Entwurfsphase 5. WettbewerbsbeitrĂ¤ge 6. MĂśbiusban(k)d Danksagung Bildnachweise Textnachweise

09 11 13 28 30 32 91 126 131 141

Vorwort Leichte und schlanke Betonstrukturen werden in Zukunft eine entscheidennender Einsatz von Baustoffen gewährleistet wird. Um Flächentragwerke, insbesondere Schalen, realisieren zu können, die so schlank wie möglich sind, bedarf es einer komplexen Formgebung, die nach dem Prinzip `form

die gegenwärtigen Materialkenntnisse von Hochleistungsbeton (z.B. UHPC) sowie vorhandene Kenntnisse über digital gesteuerte Fertigungsmethoden wie CNC-Fräsen im Formenbau mit neuen Erkenntnissen über das Tragver-

kennen zu lernen und schließlich zusammenzubringen, um eine innovative Leichtbaustruktur zu schaffen. Nach der Ermittlung der Entwurfsgrundlagen sollen Entwurfstudien zu Typologien für Schalen mit Membrantragwirkung erstellt werden. In einem interdisziplinären, studentischen Entwurfsprozess mit Architektur- und Bauingenieurstudierenden soll ein ultradünnes, freigeformtes Schalentragwerk aus Hochleistungsbeton der Firma Ducon entstehen. Diese multifunktionale Installation soll im Laufe des Semesters an der Zentral Mensa der Universität

werden. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Freiformschalung. Es sollungssystems geführt werden, deren Ergebnisse idealerweise beim Fertigungsprozess implementiert werden. Schlussendlich soll die Struktur unter Verwendung der am Fachbereich 06 und 14 vorhandenen Produktionsmöglichkeiten in diversen Maßstäben vom Mockup bis hin zum realisierbaren 01

01 Grohmann, Eisenbach, Rumpf, Vasudevan (2014): Structural Surface - Hochleistungstragwerk über dem Amphitheater: https://portal.uni-kassel.de, letzter Zugriff 03.032014.

1. Einleitung - Hochleistungstragwerk über dem Amphitheater“ werden in der folgenden Dokumentation detailliert dargestellt. Neben den reinen Darstellungen verschiedenster Entwurfsansätze bis hin zur Realisierung, eines aus dem inter-

für einen kleinen theoretischen Exkurs geschaffen worden. In diesem Zusammenhang werden Grundlagen im Bereich Schalentragwerke und Hochleistungsbeton vermittelt. Des Weiteren werden an Hand verschiedenster Arbeitsschritte, welche zu erfolgreichen Umsetzung des(der) Möbiusban(k) d von Nöten waren, wie, Konstruktion, Fügung und Produktionsaspekte detaillierter hinterleuchtet.

Betrachter besser verständlich zu machen, wird hier ein kurzer inhaltlicher Überblick dargestellt. Dem Vorwort und der Einleitung folgt ein theoretischer sammenfasst. Neben technischen Belangen wird der Leser in diesem Zusammenhang auch über die Firma Ducon, den Standort (Bauplatz) sowie

Teil der Dokumentation folgen 7 Wettbewerbsbeiträge, unter dem sich der len zum Verständnis nötigen Zeichnungen. Der eigentliche Hauptteil dieses Berichtes beschäftigt sich mit der Optimierung, der Fertigung, der Fügung des aus dem Wettbewerb hervorgegangen Siegerentwurfes. Neben diesen zentralistischen Punkt der Realisierung, beschäftigt sich diese Dokumentation, aber vor allem mit Detaillösungen im Bereich Betonieren, Bewehrung, Unterkonstruktion, Fundament, Positionier, Ausmaß und der Segmentierung der Gesamtgeometrie vor Fertigungsbeginn.02 02 Tim Reichert: Einleitung, Kassel 2014

2. Theoretischer Exkurs Geschichtliche Entwicklung von Schalenkonstruktionen Bis zum Bau des römischen Pantheons wurden Kuppeln meist auf Wandscheiben gemauert. Das Pantheon besteht aus einer inneren und eine äußeren Schale aus Gussbeton (Opus caementitium), damals (Bauzeit ca. 118 bis 125 n.Chr.) eine technische Neuerung. Diese Konstruktion ermöglichte eine Spannweite von 43,50 Meter. Nach diesem Prinzip der Zerlegung der Kuppeln entstand auch die Jahrhunderthalle in Breslau (1911-1913) mit einer Kuppel von 65 Meter Spannweite. Mit Einführung des Stahlbetons (erste Bauten Mitte des 19. JH, Verbreitung ab 1900) endete die Tradition der gemauerten Kuppeln und diese wurden nach und nach durch dünnwandi-

neuer Materialien wurden dem Schalenbau nach 1945 neue Impulse gegeben. Hauptvertreter für phantastische Schalenarchitektur sind die Architek-

Jahren. In den 1960er Jahren vollendete der Architekt Ulrich Müther an die 50 gekrümmte Schalenbauten, die er im Spritzbetonverfahren fertigte. Für weit spannende leichte Flächentragwerke ist der Architekt Frei Otto bekannt. Die Kombination verschiedener Materialien u.a. der Einsatz von Membranen und Beton wird als Membranbetonverbundbau bezeichnet. Schalenbauwerke werden nach wie vor konzipiert und realisiert. Beispiele aus dem 21. Jahrhundert sind das 2003 eingeweihte Auditorium Santa Cruz auf Teneriffa von Santiago Calatrava oder das Shell House in Karuizawa von Kotaro Ide/ Artechnic architects.03

Abb. 02 Foto Pantheon Rom 03 Baunetz Wissen (2014): Geschichtliche Entwicklung von Schalenkonstruktionen

Bauweisen/ Konstruktionen von Schalentragwerken ren Lasten sowohl senkrecht als auch in der Fläche abgetragen werden können. Die Lasten werden durch Biegung und Längskräfte aufgenommen. Die Dicke der Schale ist im Verhältnis zu ihrem Ausmaß sehr gering. Die Spannweiten von Schalenkonstruktionen können bis zu 150 m betragen. Die Schalenbauweise ermöglicht eine Vielzahl geometrischer freier Formen von der Kuppel bis zu hyperbolischen Paraboloiden, in sich gedrehte und gebogene Flächen.

Gittertragwerke Die Fläche der Schale kann als Gitter ausgebildet werden. Gitterschalen sind biegesteife Flächentragwerke. Materialien wie Stahl, Holz oder Stahlbeton kommen hierbei zum Einsatz. Ausfachungen aus Glas, Metall oder Betonfertigteilen schließen das Traggerüst. Ein Beispiel für ein Gittertragwerk ist das Tempodrom in Berlin.

Membranbetonverbundbau Die Konstruktion ergibt sich aus der Herstellung. Die Fertigung einer zweischaligen Membranhülle verfügt über ein durchgängiges Kammersystem zwischen den beiden Membranen. Sie wird am Boden befestigt und durch Luftdruck aufgeblasen. Ist die Gebäudeform hergestellt, wird ein Überdruck in ihm erzeugt, das Kammersystem mit Luftdruck aufgeblasen und anschließend mit Beton verfüllt.

Vorgefertigte Schalenkonstruktionen wünscht sind sowie im Hallen- und Bäderbau. Durch vorgefertigte Bauteile

Abb. 03 Steinkirche Cazis: Betonschalenskulptur von 1996/1997 (Heinz Isler, Entwurf: Werner Schmidt)

soll eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit erzielt werden.04

Schalenkonstruktionen und ihre Architekten Wegen ihrer komplizierten Anforderung an Statik, Geometrie und Material ist die Realisierung sehr kostenintensiv und planerisch aufwendig. Durch die

1945 neue Impulse gegeben.

Frei Otto Den Schalenkonstruktionen gehen zahlreiche Versuche mit Modellen und pneumatischen Versuchen voraus. Drahtmodelle, die Frei Otto in Seifenlauge taucht und dann von Seifenblasen mit der geringsten möglichen Kohärenz überspannen lässt. Als weitere elementare Formen sind der Pneu, Gitterschalen und Seilnetze zu nennen. Er überträgt das natürliche Formungsprinzip dann auf Seilnetze, indem er diese Netze aufhing, deren Form stabilisierte und sie schließlich umkippte. Nach diesem Verfahren der Formgebung gestaltete er auch Gitterschalen aus Beton.

Heinz Isler Die Schalenelemente aus Spannbeton sind eckgestützt, das heißt die Schalen basieren auf einem quadratischen Grundriss. Sie eignen sich bestens

optimalen statischen Form (nur Druckspannungen) und einem speziellen Verfahren bei der Herstellung sind die Isler-Schalen rissfrei, wasserdicht und nahezu unterhaltsfrei.

Santiago Calatrava Calatrava orientiert sich in seinen Entwürfen an natürlichen Strukturen (BlattAbb. 04 Betonschalentragwerk der Dietrich-Bonhoeffer-Kirche in Bremen-Huchting (1971) Frei Otto und Carsten Schröck 04 Baunetz Wissen (2014): Bauweisen/Konstruktionen von Schalentragwerken,

werk, Skelette oder Flügeln). Das Auditorium in Santa Cruz auf Teneriffa erinnert an einen Rochen oder eine Riesenwelle mit Fischmaul. Eine gebaute Skulptur, deren glitzernde Hülle aus Trencadís, einem Material aus Millionen Bruchstücken weißer Kacheln, besteht. Das Betondach schwingt sich über einem 60 Meter breiten Sockel 60 Meter empor und endet nach einem aberwitzigen Bogen über fast 100 Meter in einer Spitze. Für dieses Bauwerk wurden spezielle Schalsysteme bzw. Schalelemente entwickelt.05

Berechnungsgrundlagen von Schalenkonstruktionen Zur Berechnung von Schalenkonstruktionen werden die Membrantheorie und die Biegetheorie unterschieden.

Membrantheorie Im Gegensatz zur Biegetheorie geht man bei der Membrantheorie von Vereinfachungen aus, die keine genauen Lösungen als Berechnungsgrundlage erhalten, sondern auf vielen Praxisanwendungen basieren. Durch die gerin-

verlauf werden vernachlässigt. Das Tragwerk wird in unverformten Zustand untersucht. Die Kräfte an den Schalenrändern sind tangential zur Mittelebene gerichtet.

Biegetheorie Wenn die Voraussetzungen der Membrantheorie nicht oder nicht annähernd gegeben sind, muss die Biegetheorie angewendet werden, d.h. die Biege06

Abb. 05 Auditorium Santa Cruz auf Teneriffa (2003), Santiago Calatrava 05 Baunetz Wissen (2014): Schalenkonstruktionen und ihre Architekten, Kassel 06 Baunetz Wissen (2014): Berechnungsgrundlagen von Schalenkonstruktionen

Mikrobewehrter Hochleistungsbeton Neue Perspektiven für Baukonstruktionen Hochleistungsbetone werden im Bauwesen für besonders druck- oder biegebeanspruchte Bauteile, für chemisch oder mechanisch stark geforderte Bauwerksteile und Verbundkonstruktionen verwendet. Im Wohnhausbau wachsen die Vorteile des Hochleistungsbetons mit steigender Gebäudehöhe. Die hoch-festen Betone machen Stahlbetonlösungen wirtschaftlich und werden vor allem für druck- und biegebeanspruchte Konstruktionen und für aussteifende Kerne verwendet. Ferner erlauben sie neue gestalterische und konstruktive Lösungen im Wohn- und Ge-werbebau, denn durch hochfeste derheit ist mikrobewehrter Hochleistungsbeton, der als Spezialbeton zum Schutz von Gebäuden und Fassaden gegen Erdbeben, Explosionen oder den Auf-prall eines LKWs entwickelt wurde.07

Hochleistungsbeton erhaftigkeit der betonierten Bauteile von mindestens ebenso großem Inte-

Nutzungsanforderungen wie Undurchlässigkeit, Selbstverdichtung, hoher Widerstand gegen physikalische oder chemische Einwirkungen oder andere Spezialanforderungen wird das Betongefüge optimiert, wie durch die Minimierung des Wasserzementwertes, den Einsatz leistungsfähiger Fließmittel und die Feinabstimmung der Gesteinskörnungs- und Zementsteineigenschaften. Durch die Auswahl geeigneter Gesteinskörnungen wird die charakteristische, homogene Struktur des Hochleistungsbetons erreicht. Ein

07 Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Neue Perspektiven für Baukonstruktionen, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik Abb. 06 Christian Keinstar "ZwanzigZehn" Stahlbetonskulptur

weiterer charakteristischer Unterschied zur Zusammensetzung von Normalbeton ist der Zusatz von Feinststäuben (Silicastaub, Mikrosilica oder Nanosilica). Durch den Zusatz von Mikrosilica können Druckfestigkeiten von über 100 N/mm² erreicht werden. Sie steigern die Dichtheit des Gefüges und verbessern den Verbund zwischen Zementstein und Gesteinskörnung. Zusätzlich oder stattdessen können auch andere Mikrofüller verwendet werden, wie Steinmehle, Carbonstaub oder Feinstzement, gemahlene Flugasche

geringen Wasserzementwerten lassen sich Druckfestigkeitsklassen bis C 70/85 auch ohne Mikrosilica herstellen. Grundsätzlich sind wegen des niedrigen Wasserzementwerts von hochfestem Beton Zusatzmittel erforderlich.

Verarbeitung des Betons auf der Baustelle. Selbstverdichtende Betone gehören heute zum Stand der Technik und sind bauaufsichtlich eingeführt.08

Mikrobewehrter Hochleistungsbeton Zum Schutz gefährdeter Gebäude und Bauteile wurde ein Hochleistungsbeton mit Mikrobewehrung entwickelt. DUCON® heißt der patentierte Hochleistungsbeton, der Druckfestigkeiten von 100 - 200 N/mm2 und Biegezugfestigkeiten von 16 - 75 N/mm2 erreicht. Der Name DUCON steht für Ductile Concrete und bezieht sich auf ein wesentliches Leistungsmerkmal dieses Werkstoffes: die hohe Duktilität und die damit verbundene hohe Energieabsorption. Ein Zuschlag im Korngrößenbereich 0-4 mm und die miteinander räumlich verknüpften feinen Stahlmatten im Betonbauteil führen dazu, dass das Material unter Einwirkung äußerer Kräfte nicht reißt oder bricht, sondern sich plastisch und dauerhaft verformt. Diese Fähigkeit (Duktilität) ermöglicht die Lastaufnahme selbst bei großen Verformungen und verhindert ein 22

08 Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Hochlesitungsbeton, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik

schlagartiges Versagen von tragenden Bauteilen. Die Eigenschaft ist zudem die wesentliche Grundlage für den erfolgreichen Einsatz des Baustoffs als Stützenverstärkung in Erdbebengebieten. Andere Produkteigenschaften, wie die hohe Druckfestigkeit, die außergewöhnliche Abrieb- und Verschleißfestigkeit und seine ästhetische Optik machen das Material zu einem idealen Beton für Fassadenplatten, Schutzmauern, Industriefußböden oder Dicht-

lichen eine genaue Justierung der Bauteileigenschaften. Das gewünschte Materialverhalten des Baustoffes kann durch den Materialaufbau gezielt von

Materialaufbau kommt bei schlanken, tragfähigen Platten zum Einsatz. Der

Schutzes gegen dynamische Einwirkungen. Darüber hinaus werden optional Verdrängungskörper wie Hohl- oder Massivkugeln in die räumliche Bewehrung integriert, um die Materialeigenschaften zu optimieren. Der Werkstoff zeichnet sich neben der hohen Festigkeit auch durch seine Dauerhaftigkeit aus und ermöglicht zugleich die Realisierung sehr geringer Bauteilstärken (ab 15 mm). Die Herstellung erfolgt als Betonfertigteil und in Ortbeton.09

Breites Anwendungsspektrum Die Materialeigenschaften von mikrobewehrtem Hochleistungsbeton in Verbindung mit der Möglichkeit einer schlanken Ausführung eröffnen ein breites Anwendungsspektrum für die Architektur. Die Anwendungen erstrecken sich von Explosions- und Erdbebenschutzmaßnahmen über nachträgliche Bauteil- und Gebäudeverstärkungen, hoch belastbare Industrieböden bis hin

09 Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Mikrobewehrter Hochlesitungsbeton, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik

seine hohe Duktilität über einen hohen Widerstand gegenüber hochdynamischen Lasten, wie Explosionen, Beschuss, Lastanprall und Erdbeben. In Versuchen wurde zudem die hohe Durchbruchhemmung nachgewiesen beton verfügt im Vergleich zu Stahlbeton über mindestens die doppelte Leistungsfähigkeit und kann mit halber Bauteilstärke und mit halbem Gewicht ausgeführt werden. Darüber hinaus ist der Baustoff weitgehend splitterfrei. Der Baustoff wird aufgrund seiner hohen Schutzwirkung vorwiegend zum Schutz von gefährdeten Einrichtungen und kritischen Infrastrukturen eingesetzt. Dabei kommt das Material in Form von Schutzwänden, Fassadenplatten, Trümmerschutzdecken und Stützenverstärkungen zum Einsatz. Materialeigenschaften wie Dichtigkeit, Abriebfestigkeit, Rissbreitenbeschränkung und Dauerhaftigkeit bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit sind Voraussetzung für die Instandsetzung und Ertüchtigung von geschädigten und maroden Bauwerken. Eine der Stärken von mikrobewehrtem Hochleisschleiß- und Dichtschichten und die Ertüchtigung von bestehenden Strukturen durch Decken- und Stützenverstärkungen. Bei der Instandsetzung von geschädigten Flächen und Deckenverstärkungen wird die Mikroarmierung auf dem geschädigten Untergrund ausgelegt und mechanisch mit dem Bestand verbunden. Anschließend wird weitgehend fugenlos der selbstnivellierende, hochfeste Beton aufbetoniert. Die Mikroarmierung gewährleistet neben der höheren Lastaufnahmefähigkeit die Aufnahme von Temperaturdehnungen und somit die Überbrückung bestehender Risse des Untergrun-

zwischen 25 und 60 mm. Durch dieses Verfahren wird anstelle des Abbruchs 24

und Neubaus einer Fläche diese dauerhaft verstärkt durch eine zusätzlich aufgebrachte Schicht mikrobewehrten Betons. Der große wirtschaftliche Vorteil des Verfahrens liegt in der Minimierung der Abbruch- und Entsorgungskosten bei gleichzeitig kurzen nutzungsbedingten Ausfallzeiten.10

Neue Perspektiven für freie Formen Für alltägliche Bauaufgaben wie die Sanierung von hochbelasteten Industrieböden eignet sich der Hochleistungsbeton ebenso wie für anspruchsvolle Architektur, wie zum Beispiel die 4,3 m lange freitragende Faltwerktreppe, die über 15 Stufen spannt und über-all eine Bauteilstärke von nur 8 cm aufweist. Die hohe Leistungsfähigkeit in Kombination mit den durch die Mikrobewehrung möglich gewordenen geringen Materialstärken ab 15 mm eröffnen für

Tragwerke, wie dünne begehbare Platten für Balkone und Laufstege, monolithische Eingangsportale oder Schalentragwerke mit Membrantragfähigkeit ligran ausgebildet werden, wie zum Beispiel gewellte Fassadenplatten und

higkeit der Konstruktion. Optisch ermöglicht der Hochleistungsbeton eine

geben einen Eindruck von dem großen Potential und der Vielfältigkeit der Einsatzgebiete für mikrobewehrten Hochleistungsbeton. In Bezug auf nachhaltiges Bauen tragen die schlanke Ausführung und der damit verbundene geringere Materialverbrauch sowie die hohe Lebensdauer des Werkstoffs im Vergleich zu Stahlbeton zur Schonung der Umwelt und der Ressourcen bei.11 10 Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Breites Anwendungsspektrum, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik 11 Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Neue Perspektiven für freie Formen DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik

Parapluie

DUCON ® nologie im Jahr 2004 gegründet. Seitdem konnten wir Partner gewinnen, lichkeiten unseres Produktes stetig steigern. Durch diesen ständigen Prozess der Weiterentwicklung bietet Ihnen die DUCON® GmbH ein stets auf dem neuesten Stand der Technik basierendes Produkt, das Ihren Ansprüchen entsprechend maßgeschneidert werden kann.12

DUCON® (DUctile CONcrete) verkörpert einen innovativen Hochleistungsbaustoff. DUCON setzt sich im Wesentlichen aus einem selbstverdichtenden Hochleistungsbeton (UHPC) und einer räumlichen Mikroarmierung (MicroMat®) zusammen. Durch eine Vielzahl von Varianten im Materialaufbau kann

Der innovative Baustoff erlaubt aufgrund seiner hohen Tragfähigkeit, Widerstandsfähigkeit und Dauerhaftigkeit dünnwandige, frei formbare Bauteile. Der besondere Aufbau dieser patentierten Technologie macht DUCON® zu einem multifunktionalen Werkstoff mit herausragenden Sicherheitseigenschaften. Durch den geringen Herstellungsaufwand und das vereinfachte Baukastensystem ist DUCON® eine deutlich wirtschaftlichere Lösung als andere Hochleistungsbaustoffe. Vor allem bei Instandsetzung, Verstärkung und Abdichtung vorhandener Bausubstanz und Neuanfertigung von Bauteilen mit hohen Sicherheitsanforderungen sowie hoher Lebensdauer ist DUCON® die erste Wahl. Dünnwandige Bauteile mit hoher Tragfähigkeit in

Formensprache in der Architektur.13 12 www.ducon.d3; Das Unternehmen 13 www.ducon.de: Was ist Ducon? Abb. 07 Foto Parapluie Abb. 08 Logo DUCON®

3. Der Standort

Zu Beginn des Semesters war die Errichtung einer Installation aus duktilem Beton am Amphitheater der Uni Kassel geplant. Diverse Unstimmigkeiten bezüglich des Ortes und der Dimension des zu realisierenden Entwurfs, macht eine Verlegung des Bauplatzes unumgänglich. Der neue Standort

tätsgelände in unmittelbarer Nachbarschaft zur Zentral Mensa. Der durchaus als prominent zu beschreibender Ort bietet die gleichen, wenn nicht sogar mehr Möglichkeiten zur Realisierung. Des Weiteren kann in diesem

werden, da wir es an diesem Platz mit einer nicht versiegelten Fläche zutun haben. Schlussendlich kann dieser Platz auf Grund der hohen Frequentierung der Zentralmensa wunderbar zur Internierung des Entwurfes genutzt werden und vereint gleichermaßen den praktischen und nutzungsorientierten Anspruch an die Geometrie.14 14 Tim Reichert: Der Standort , Kassel 2014 Abb. 09 Lageplan Uni Kassel Zentral Mensa M 1:500 Abb. 10 Foto Bauplatz Weide

4. Entuwurfsphase Um ein effektives Arbeiten gewährleisten und den für die Entwurfsphase sehr sportlich angesetzten Zeitraum von rund drei Wochen effektiv nutzen zu können, wurden die gesamte Teilnehmerzahl auf sieben verschiedene Gruppen aufgeteilt. Die Gruppengröße variierte in diesem Kontext nur wenig. Man spricht hierbei von einer Gruppengröße von ca. 3 bis 5 Personen. Die Konstellationen blieben von Beginn der Entwurfsphase, bis hin zur späteren Jury erhalten. Die stark variierenden Beiträge zum Wettbewerb und ein homogenes Ergebnis im Detaillierungsgrad der Beiträge zeugen von großen Arbeitseinsatz und einer tollen Gruppendynamik.

In diversen Präsentationen, welche sich einmal pro Woche in dem oben genannten Zeittraum abspielten, wurden unterschiedlichste Entwurfsansätze diskutiert und bewertet. Woche für Woche stieg der Detaillierungsgrad stetig an und kam gegen Ende zu seinem Hochpunkt. Alle Entwurfsbeiträge, die zum internen Wettbewerb zugelassen wurden, wiesen alle das geforderte Realisierungspotential auf. Einzig im Bereich Dimensionierung und Ressourcenverbrauch unterschieden sich einzelne Entwürfe stark voneinander.

Um den Entwurfsprozess genauer nachvollziehen zu können, müssen hier ein paar wichtige Entwurfsvorgaben und Voraussetzungen geklärt werden. Grundlage des Entwurfs sollte ein Flächentragwerk (Schale) bilden, welches im Bereich Materialdicke optimiert werden musste. Zudem sollte die zu

sondern funktionale Aspekte wie Sitze und/oder Überdachung in sich vereinen. In diesem Zusammenhang sprechen wir auch von Ergonomie, Sonnenund Regenschutz.15 15 Tim Reichert: Entwurfsphase, Kassel 2014 Abb. 11 Isler "like" Schalentypologie Skizze

5. Wettbewerbsbeiträge

Ausformulierung der Entwurfsbeiträge im Vordergrund stand. Alle 7 Grup-

festgelegten Kriterien einreichen. Hierbei lag der Fokus, neben der reinen Realisierbarkeit, vor allem auf der materialentsprechenden Ausprägung der Geometrie und der damit verbundenen ästhetischen Ausformulierung des Entwurfsbeitrags. Neben den allgemeinen Anforderungen an den Entwurf wurde auch dessen Präsentationmittel im Voraus festgelegt. In diesem Kontext Sprechen wir von einer Beamepräsentation, einem A0 Plakat im Hochformat und zwei Modellen in den Maßstäben 1 : 50 und 1:5 (1:10). Um die Modelle möglichst genau nachbilden zu können, wurden diverse Rapid Prototyping Verfahren angewendet. Neben der uniinternen 3-Achs-Fräse, dem Lasercutter und dem 3dDrucken, kamen auch konventionelle Fertigungsformen, wie beispielsweise das Modellieren von Hand (Gipsbinden etc.) zum Einsatz. Eine rundgangsähnliche Situation traf die 7 teilnehmenden Gruppen bei der Jurierung, welche durch die Betreuer Dipl.-Ing. Philipp Eisenbach, Dipl.-Ing. M.A. Moritz Rumpf und M.A. (AAD) Ragunath Vasudevan moderiert wurde. Das Jurorenteam, bestehend aus Prof. Mirco Becker, Dr. Markus Schein und Dr.-Ing. Stefan Hauser, ernannte, nach einer lang andauernder Diskussigerissene Wendepunkt trat nach diesem Szenario ein, da wir es nun mit einem Kollektiv aus allen Studenten zu tun hatten. Diese neu gebündelten Kompetenzen, aus den verschiedensten Disziplinen der Architektur, sollten dem(der) daraus resultierenden Möbisusban(k)d zum Erfolg verhelfen.16 16 Tim Reichert: Wettbewerbsbeiträge, Kassel 2014 Abb. 12 Isler "like" Schalentypologie Skizze Wettbewerbsbeiträge

Diversity Curvature

in der geometrischen Ausformulierung eines skulptural anmutenden Raumes, welcher in der Nähe der Zentralmensa der Universität Kassel entstehen sollte. Die Raumskulptur muss zur Aufwertung der örtlichen Gegebenheiten beitragen und eine gleichgewichtete Erweiterung der Aneignungsmöglichkeiten generieren. Die Struktur ist hierbei stark von ihrer Ausrichtung geprägt, die wichtige Bezugspunkte aus der Umgebung aufnimmt und neu inszeniert. Aufgrund der prominenten und hoch frequentierten Lage generiert dieser Entwurf einen Ort der Begegnung und Kommunikation. Die angestrebte Geometrie und dessen Geste vermag zugleich, einen Ort der Ruhe zu schaffen. Analogien aus der Natur bilden die Grundlagen für den konzeptionelstellte die Materialien, wie Beton und dessen Bewehrung, zur Verfügung, um die Übersetzung solcher Vorbilder zu ermöglichen. Das Flächentragwerk wurde in diversen Entwurfsphasen von einer schie-

Teil der Gesamtgeometrie stellt Raum zum Verweilen, Lesen, Ausruhen und ähnliches zur Verfügung. Das Platzangebot richtet sich in diesem Kontext an 1 bis 2 Personen. Die aus dem Konzeptdiagramm

Abb. 13 Diversity Curvature Visualisierung 1

bildet die analytische Grundlage f체r den Entwurf. Die daraus resultierenden performativen Eigenschaften der Blattgeometrie wurden in eine systemkonforme Tragwerksystematik 체bertragen. Betrachtet man die Resultate der Analyse genauer, wird deutlich, dass eine diEigenschaften von Beton und Bewehrung nur bedingt zu realisieren ist. In diesem Kontext fallen Worte wie Kriechen, Biegung und Torsion, welche genau auf die Grenzen und Bedingungen hinweisen. Schlussendlich ist ein Schalentragwerk aus Beton entstanden, welches den Anspr체chen an Material und Nutzung zu leisten vermag. Das generierte Schalentragwerk wird durch ein Volumen von 0,545 m3, mit einem Gewicht von 1362,5 kg repr채sentiert. Die notwendige 36

Abb. 14 Diversity Curvature Ansichten

trägt 22,73 m2. All diese Bezugsgrößen wurden im Entwurfsprozess so optimiert, dass eine Fertigung im Rahmen der Möglichkeiten der Universität Kassel zu leisten wäre. Bei der zukünftigen Realisierung soll die Segmentierung der beiden sich aneinander lehnenden Schalenteile so gering wie möglich ausfallen. Dieses Streben nach Großteiligkeit ist dem Anspruch zu schulden, welches eine möglichst durch wenig Fugen durchzogene Geometrie vorsieht. Einzig die Stoßkanten der beiden Schalensegmente durchbrechen die kontinuierliche Anmutung der Flächengeometrie. Durch präzises Nacharbeiten der Spachtelvorgänge auf ein Minimum reduziert werden. Die Standsicherheit der Drei-Punkt Schale und die damit verbundene Gründung 17

17 Tim Reichert: Diversity Curvature , Konzeptbeschreibung, Kassel 2014

Diversity Curvature

Twisted Frames Der Entwurf TWISTED FRAMES befasst sich mit der Gestaltung eines Hochleistungstragwerks aus HighPerformanceConcrete auf durch Weiterbearbeitung und Weiterentwicklungen vorangegangener Konzepte, insbesondere Übernahme und Ableitung architektoZwei maßgebende Entwürfe werden im folgenden Absatz beschrienandergereihten Rahmenkonstruktion. Der einzelne Rahmen nimmt dabei die Form einer dynamisch abstrahierten Grundgeometrie, in unserem Fall dem des Dreiecks, an. So entstehen bezogen auf den Verbindungsteil als Überdachung dienend. Die insgesamt 8 Rahmen sind zu einem Bezugspunkt hin ausgerichtet, sodass sich das Gesamtkonstrukt auffächert. Konzept zwei bedient sich der Formensprache eines abgestürzten und dabei zu Bruch gekommenen Meteorieten. Die Zerstörung, abstrahiert durch angewinkelt stehende Scheiben besticht durch seine wellige und zufällig anmutende Kontur. Das Gesamtkonstrukt zu einer Seite geöffnet und zur anderen Seite Muschelartig geschlossen, schafft einen qualitiv hochwertigen Innenstände, der Scheiben. Problematisch bei beiden Entwürfen, waren einerseits die Größe, wobei skalieren zu Verlusten der architektonischen keit, da beide auch aus Cortenstahl / Holz konstruiert werden könnten.

Abb. 17 Twisted Frames Visualisierung 1

Ein Zwischenentwurf waren drei hintereinander gestellte, an de-

sich wie folgt. Die Geometrie besteht aus zwei Rahmen von einem Punkt entspringend, an einer Achse gespiegelt. Inklusive dem Ursprungspunkt des Hochleistungstragwerks, enstehen so drei Aufzwischen beiden Rahmen wird ein Loft, welches als Witterungs- und Sonnenschutz dient, aufgespannt. Somit ist der Entwurf Materialspe-

anschliessend folgende Tragwerksanalyse mit Hilfe von Karamba3d 44

Abb. 18 Twisted Frames Ansichten

ergab eine maximale Deformation unter Eigenlast von 0,03 mm. Des

te Auslastung des Hochleistungsbetons aufweist, bis maximal 70%. Unsere Überlegung zur Konstruktion des endgültigen Entwurfs, waren folgende: Da die Deformation im Bereich des, zwischen den beiden Rahmen aufgespannten Loftes am größten sind, folgerten wir daraus unsere Überdachung auf dem Kopf zu fertigen und anDachbereich in einem Stück gegossen werden, woraus in weiteren Betoniervorgängen, die drei Beine des Konstruktes entspringen.18

18 Harun Faizi, Nils Kühn und Leon Charlet: Twisted Frames, Kassel 2014

Twisted Frames

Aerocon Um einen Einstieg in die Entwurfsaufgabe zu bekommen, führten wir einige Studien durch. Dabei setzten wir verschiedene Schwerpunkdung, sowie die Form durch die Einwirkung einer Kraft entstehen zu lassen. Die Idee, eine Skulptur auf dem Bauplatz zu platzieren, folgte dem als Kunstwerk steht und in erster Linie eine ästhetische Wirkung haben sollte. Im Bereich der funktionalen Studien, brachten wir die Nutzungen zusammen, die im Bereich des Bauplatzes, der örtlichen Zentralmensa, hauptsächlich verwendet werden. Dazu gehören die Funktionen des nutzungen brachten wir, zusammen mit den örtlichen Gegebenheiten und den örtlichen Sichtbezügen, in Zusammenhang. Die letzte, von uns durchgeführte Studie, folgte dem Prinzip, eine Form anhand einer Krafteinwirkung entstehen zu lassen. Hierbei befassten wir uns mit den Hängemodellen von Heinz Issler. Im weiteren Verlauf der Entwurfsphase untersuchten wir verschiedene Krafteinwirkungen auf Schalen. Ein Ansatzpunkt war, eine Form-

Abb. 21 Aero Shell Visualisierung 1

wurde. Da unser vorgegebenes Material bis zu einem gewissen Grad auch imstande ist, Zug und Biegung aufzunehmen, entschieden wir bar zu machen. Aufgrund der Materialeigenschaft, ist es uns möglich, es in einer vergleichbar geringen Querschnittstärke ausbilden zu können. Die Leichtigkeit, die durch ein so hochleistungsfähiges und dennoch dünnes Material erreicht werden kann, assoziierten wir mit einem hauchdünnen Textilstoff beziehungsweise einem Tuch. Infolgedessen entstand die Idee, dieses Tuch mit Hilfe einer Windkraft, in eine doppelt gekrümmte Fläche zu bringen und damit den Wind als formgebende Kraft nutzbar zu machen. 52

Abb. 22 Aero Shell Ansichten

wegt. Das Tuch ist mit drei Fixpunkten am Boden verankert. Mit Hilfe einer Simulation wurde ein Luftstrom von unten auf das Tuch gerichtet und das Bewegungsverhalten untersucht. An einer bestimmten Stelle wurde die Simulation gestoppt und die entstandene Figur einten abzutragen. Des Weiteren spannt sich dazwischen eine Sitz- und Überdachung über und dient als Sonnen- und Windschutz. Durch die Positionierung auf dem Bauplatz bleibt der Blick frei für die davor lie19

19 Witali Suchan: Aerocon, Kassel 2014

Aerocon

Windwirbel

Funktion auf der Mensaterasse der Uni Kassel platziert wird. Ein aufchen Band, aufgrund von Veränderung bestimmter wetterlicher Bedingungen, eine völlig neue Form entsteht. Bildlich wird hier ein Band immer größeren Windstärken ausgesetzt. Ende an, schlägt bei starkem Wind um und wird letztlich durch einen Tornado aufgewirbelt. Die Bewegung des Bandes, welches gerade Mensaterasse eingefroren bzw. im wahrsten Sinne des Wortes durch den Beton versteinert. Dies kann als Bild der Universität Kassel verstanden werden, welche sich aktuell in einer impulsiven, aufgewirbelten Phase mit Raumnot, großen Baumaßnahmen und einem erhöhten wird versteinert und so zum symbolischen Gedenkstein oder Fossil der Universität Kassel im Jahr 2014.

dem Rhino- Plugin Grashopper aus der Verformung zweier gleichförmiger Spiralen. Die Spiralen werden geloftet und verzerrt. Im An-

Abb. 25 Windwirbel Visualisierung 1

Segmentierung der Spiralen wird es möglich die Form genauer zu steuern und so an das Tragverhalten und die Nutzbarkeit anzupassen. Ferner wird durch die erweiterte Steuerungsmöglichkeit der

Erweitert wird diese Bewegtheit der Struktur durch eine mittige dritte steuerbare Kurve, welche aus den beiden Ursprungskurven resultiert. Hiermit werden die konvexen und konkaven Ausbildungen der Die Fläche, welche sich über die drei verformten Spiralen spannt wird mit einer Materialstärke von ca. 2 cm versehen und ergibt so 60

Abb. 26 Windwirbel Ansichten

eine Struktur, die vielseitige Ruhemöglichkeiten bietet. So kann man sich beispielsweise setzten, hinlegen, kauern, anlehnen oder sich anderweitige Funktionen vorstellen. Die Struktur ist als multifunktionelle Form konzipiert, die den Nutzern kreativen Spielraum lässt. Durch surface“ zusätzlich eine kleine Verschattung.

neues Bild und neue Nutzungsmöglichkeiten. Das entspricht in allen Hinsichten einem aufgewirbelten Band, dessen Form so zufällig zu entstehen scheint.20

20 Andreas Steffen: Windwirbel, Kassel 2014

Windwirbel

Kante zu Kante

skulpturalen Raum zu schaffen, der sowohl Aufenthaltsqualitäten, als auch Ausblicke auf den Campus generieren sollte. Die Struktur ist dabei stark von ihrer Ausrichtung geprägt, die wichtige Bezugspunkte aus der Umgebung aufnimmt. Der Hochpunkt liegt dem Campus und der Bibliothek zugewandt und nimmt somit eine sich öffnende Haltung ein. Richtung Dekanat und Trauerweide nimmt sich die Struktur in ihrer Höhenentwicklung zurück. So kommuniziert sie mit den wichtigen Anlaufstellen des Universitätsgeländes. Um diese Ziele zu erreichen näherten wir uns dem parametrischen Entwurfsprozess mit klassischen Methoden. So erzeugten wir zunächst eine Pavillon-Box, die dann durch Dekonstruktion die gewünschten Richtungen und Ausblicke gewahrte. Mit der so zerstörten Box arbeiteten wir weiter. Die Rand- und Eckpunkte bildeten die Grundlage für unsere Geometrie. Durch die Punkte wurden Kurven generiert, die dann wiederum Flächen erzeugten. Verschnitten ergaben diese Schalkörper dann den Ansatz für unseren endgültigen Entwurf. Die drei Schalen lehnen an ihren oberen Kanten aneinander, quasi Kante an Kante und steifen sich gegenseitig aus. Das konstruktive Prinzip bildet somit eine Analogie zum Kartenhaus, das lediglich durch das aneinander lehnen stabilisiert wird. Mit dieser zweiten Grundidee, neben den Ausblicken, wurde die Struktur mit Hilfe von Grasshopper und Kangaroo optimiert. So nahmen zum einen die Schalen eine doppelte gekrümmte Form an, um die Vorteile des Materials UHPC besser zu nutzen. Gleichzeitig wurden die Fußpunkte tischen, als auch statischen Grenzen zu treiben. Gleiches geschah auch mit den Wendepunkten der Schalen. Hier wurden die Kanten noch stärker Abb. 29 Kante zu Kante Visualisierung 1

ausgearbeitet, vor allem um die Knickfestigkeit der Bewehrung zu testen. Während all dieser Prozesse wurde stets darauf geachtet, dass die Teile weiterhin dem Kartenhaus-Prinzip folgen und somit immer noch ineinander fallen. Vereinfacht wäre dies bei drei gleichen Teilen gewesen, die alle die selben Lasten verteilen. Da die Gleichförmigkeit der Struktur aber nicht in unserem Sinne war, haben wir gezielt versucht die Form so zu verbessern, dass sie so aussieht, als würde sie nicht halten beziehungsweise umkippen. Dieses Imaginäre Kippmoment unterstützt die Dramatik des Entwurfs. In der Realisierung soll dabei die Segmentierung so gering wie möglich gehalten werden. So werden die einzelnen Schalen nicht weiter unterteilt son-

sind. So reduziert sich die gesamte Konstruktion auf drei Teile, die nur an-

Abb. 30 Kante zu Kante Ansichten

Schale ein eigenes Fundament, dass diese gegen Schub sichert. Gleichzeitig wird eine Lagersicherung an den Kanten in Form von Bolzen benötigt. Durch den Anspruch der Segmentierung und der Handhabbarkeit musste

die gewünschte Funktion als Pavillon verloren. Abschließend fassen wir den ganzen Entwurf nunmehr als Raumskulptur

Nutzen freigestellt als Beispiel für die Leistungsfähigkeit von UHPC und dem Bewehrungssystem von Ducon fungieren soll. Das Ausreizen des Materials und des statischen Prinzips bilden den klaren Fokus dieser Entwurfsarbeit.21

21 Henrik Neusüß: Kante zu Kante, Kassel 2014

Kante zu Kante

ìôïê ðôîíë ðôîíë

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Endless Es ist der natürliche Hunger nach Wissen und Erkenntnis der in den Universitäten versucht wird gestillt zu werden. Dieser ist endlos, den allwissend zu sein ist ein Ding der Unmöglichkeit. Von diesem Gedanken ausgehend und dem Bauplatz in einem zentralen Bereich des Campus der Universität, wurde als Grundform für die Schale die Form des Möbiusbandes gewählt. Seine Form ist gekennzeichnet durch eine Fläche und eine Linie. Es entsteht durch ein Bandes das zerschnitten und bei dem ein Ende, vor nem Stift die Fläche ab so färbt man, ohne abzusetzen, diese Fläche gänzlich ein.

ten, ausgehend von der Mathematik, die die Geometrie beschreibt, über die Wirtschaft, wie beispielsweise im Logo der Commerzbank und in großer Vielfalt in der Kunst. Man weiß, dass sich geladene Teilchen die sich im

der Technik wird es in Riemengetrieben eingesetzt, wo es für gleichmäßige Abnutzung sorgt. Ebenso wie die Vielfalt der Wissenschaften die durch das Möbiusband verbunden sind soll die Vielfalt der Nutzungen sein. Die Skulptur übernimmt dabei die Funktion einer Sitzmöglichkeit verschiedenster Art und stellt damit ein Pendant zu der halbrunden Bank unter der Weide dar.

Die klassische Form des Möbiusbandes wurde parametrisiert und die verschiedenen Funktionen nach den Blickrichtungen des Campus verteilt. Hauptkriterium war dabei eine gute Sicht auf prominente Orte wie die BibAbb. 33 Endless Visualisierung 1

dung war, die Eigenschaften des Baustoffes Ducon soweit wie möglich auszureizen und seine Qualitäten zu zeigen. Die Form wurde anschließend am Computer mit dem Grasshopper-Tool Karamba auf sein Tragwerk optimiert. Die Sitz-Skulptur wird von zwei Fundamenten gehalten um ein umstürzen bei Belastung zu vermeiden. Für die einfache Fügung ist das Möbiusband zweierlei unterteilt worden. Zum einen in vier Elemente die aneinander gefügt werden und zum anderen in vier Elemente und eine Zwischenfuge, die die endlose Linie des Möbiusbandes verstärkt zeigen soll. Die Fügung ist insofern unproblematisch, als das keines der Elemente das Gewicht von 120 kg übersteigt und somit die Herstellung als auch den Transport zum Bauplatz zu einem realistischen Unterfangen macht.

In seiner Positionierung schmiegt sich die skulpturale Sitzgelegenheit dem 76

Abb. 34 Endless Ansichten

Oval seiner umgebenden Fläche an. Die Ausrichtung erfolgt dabei wie bereits beschrieben. Die verschiedenen Nutzungen resultieren aus den Blickbezügen des Standortes. Zur Mesa ist das Band bis auf den Boden gesenkt und zeigt eine einladende Offenheit. Das Band wurde an dieser Stelle nicht unterbrochen, um seine ursprüngliche Geometrie nicht zu zerstören.

wölbt sich die Skulptur auf eine Höhe von 50 cm und bildet eine Bank aus. Zur Ahna und ihrem Dickicht, einer weniger attraktiven Blickrichtung, vergrößert sich die Fläche und erhöht sich erneut. An dieser Stelle bildet sie eine

digkeit der Skulptur bietet dem Ort eine weitere Sitzgelegenheit die zum Diskutieren, Lernen, Essen oder Entspannen einladen soll.22 77

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Endless

Leaf a Trace Der Entwurf LEAF a trace basiert auf einer intensiven Auseinandersetzung mit dem Bauplatz. Eine Wiese vor der Mensa, an dem sich viele Leute aufhalten, eine Fläche die zum Verweilen und Entspannen einlädt, die gleichzeitig umgeben ist von Menschenströmen, die auf den umliegenden Wegen passieren. An einem solchen Ort zu bauen, bedeutet, sich mit den Möglichkeiten die der Ort bietet und mit den Bedürfnissen der Menschen, die diesen Ort nutzen, zu befassen. Die Analyse des Ortes, hinsichtlich Lage, Aussehen und Gegebenheiten, führte zu dem Entschluss, eine Art nutzbare Skulptur zu entwerfen, die in ihrer Formensprache der Natur nahe kommt und in abstrahierter Form Symbole aus der Natur benutzt. Eine Wiese, die von einem großen, schattenspendenden Baum domiDie daraus abgeleitete Symbolik, beinhaltet die Form und Trageigenschaften eines Blattes, die geschwungenen, sich überlagernden For-

dürfnissen der Menschen an diesem Ort. Ein Ort zum Ruhen, also zum Sitzen und Liegen, aber auch ein Ort zum Sehen und Gesehen werden, sowie ein Ort der Bewegung.Auf diesen Grundlagen basiert der Entwurf des LEAF a trace, einer nutzbaren Skulptur aus Beton, die auf unterschiedlichste Weise bespielt werden kann. Der Entwurf

Abb. 37 Leaf a trace Visualisierung 1

ist speziell auf das Material DUCON, welches für das Bauvorhaben zur Verfügung steht, zugeschnitten. Ein hochleistungsfähiger Beton ist nötig, um die Freiform umzusetzen, deren Leichtigkeit nur durch eine geringe Materialstärke zum Tragen kommt.

Die große, mittlere Fläche bildet einen weiten Kragarm aus, der ein starkes, leistungsfähiges Material erfordert, welches neben seinen Eigenlasten die Gewichtslasten von mindestens einer darauf sitzenden Person aufnehmen muss. Die Tragfähigkeit der Form ergibt sich durch die Krümmungen, die die Fläche hat. Die doppelsinnig, gegen84

Abb. 38 Leaf a trace Ansichten

sinnig gekrümmten Flächen erreichen eine hohe, natürliche Stabilität. terialstärke von 4 cm zu einem Volumen von 0,24 m³ führt. 12 m² geschalt und gegossen und nach Fertigstellung am Bauplatz gefügt. So sind alle Teile handhabbar, da sie eine maximale Größe von 1,36 m² und ein maximales Gewicht von 130 kg nicht überschreiten. Da die Elemente zusammengesetzt werden, ergibt sich ein im Nachwerden kann und zum Beispiel die Struktur eines Blattes in vereinfachter Form wieder aufnehmen kann.23

23 Laura Nolte: Leaf a trace, Kassel 2014

Leaf a Trace

6. Möbiusban(k)d

structural surface, welches im Sommersemester 2014 am Fachbereich Ar-

Prof. Manfred Grohmann, Philipp Eisenbach, Moritz Rumpf und Ragunath Vasudevan. Die Studenten erarbeiteten während des Semesters 7 Entwürfe, welche sich

führung zu bearbeiten. rung eines skulptural anmutenden Raumes, welcher in unmittelbarer Nähe Abb. 41 Möbius(k)d Visualisierung 1 Abb. 42. Möbiusban(k)d Lageplan Uni Kassel Zentral Mensa M 1:500

der Zentralmensa der Universität entstehen sollte. Die Raumskulptur muss zu einer Aufwertung der örtlichen Gegebenheiten beitragen und eine gleichgewichtete Erweiterung der Aneignungsmöglichkeiten erzeugen. Aufgrund der prominenten und hoch frequentierten Lage generiert dieser Entwurf Möglichkeiten der Begegnung und Kommunikation sowie einen Ort der Ruhe. Technisch betrachtet stehen in diesem Kontext der parametrische Entwurf und die statische Optimierung mittels evolutionärer Algorithmen über eine Manipulation der Grundgeometrie und der Schalenstärke. Die Segmentierung und Fügung des Bauwerks sowie die Übersetzung des Möbiusbandes in eine Flächentragwerkssystematik stehen dabei im Vordergrund. Als Material wird ein mehrlagiger mikroarmierter Hochleistungsbeton der Firma DUCON® verwendet. Besonderes Augenmerk liegt auf der Detailierung der hierfür entwickelten 92

Abb. 43 Möbiusban(kd) Ansichten

Fügungstechnik der vorgefertigten einzelnen Schalensegmente untereinander. Die einzelnen Betonelemente wurden mit doppelseitigen PU-Schalungen vorab so hergestellt, dass die Bewehrungsmaschen an den späteren Fugen als Anschlussbewehrung frei liegen. Diese wurden so miteinander

kraftschlüssiger Übergang entsteht.

Als Ergebnis entstand ein Flächentragwerk in Form einer Endlosschleife aus Stahlbeton mit Plattendicken von teilweise nur 20 mm welches als Prototyp einer neu entwickelten Fügungstechnik dient und in einer digitalen Prozesskette vom Entwurf bis zur Ausführung realisiert wurde.24

24 Dipl.Ing. Philipp Eisenbach &Tim Reichert: Möbiusban(k)d, Kassel 2014

Mรถbiusban(k)d

Mock-up

Schon bereits in der Entwurfsphase wurden erste Prototypen diverser Schalungsgeometrien im Fachgebiet intern gefräst und zum Betonieren vorbereitet. Spricht man in diesem Zusammenhang von Vorkonfektionierung fallen Wörter wie Beschichtung, Zuschnitt, Bewährung, Abstandhalter und das Verrödeln. All diese Prozessbestandteile mussten mit hoher Sorgfalt durchgeführt werden, um eine hohe Qualität der Mock-ups zu erreichen. Diverse iterative Prozesse in den eben beschriebenen Handlungen brach-

gab es Erfolge sowie Misserfolge zu verzeichnen. Die Nebenstehende Fotostrecke verweist auf die zugrundeliegenden Fertigungsprozesse und zeigt zugleich einen evolutionären Entwicklungsprozess auf, welcher von ersten dilettantischen bis hin zu nahe perfekten Fertigungsabläufen reicht.25 Abb. 46 Fotocollage Mockups 00 Abb. 47 Detail Aufnahme Mockup 25 Tim Reichert: Mock-up, Kassel 2014

Optimierung Nachdem entschieden wurde, welcher Entwurf weiter bearbeitet werden sollte, ging es in Phase 2 um die Optimierung der Form. Die Form des Möbiusbandes bietet hierfür verschiedene Ansatzpunkte. Wir haben uns mit der Optimierung der Ergonomie, der Tragfähigkeit, des Materialeinsatzes und des Designs beschäftigt. 1. Design Bei der Optimierung des Designs haben wir uns mit der Frage nach der Kantenausbildung beschäftigt. Das Möbiusband steht für Kontinuität und Unendlichkeit, da es nur eine Kante besitzt. Im ersten Entwurf tauchte diese Kante in die Erde ein, wodurch sie abgeschnitten wirkte und die Kontinuität zerstört wurde. Dieses Problem sollte mithilfe einer Schattenfuge umgangen werden. Die Kante sollte nicht in ihrer vollen Breite in die Erde tauchen,

tinuität wahrgenommen werden kann. Letztendlich haben wir uns allerdings gegen diese Ausführung entschieden, da hierbei mehr Material eingesetzt werden müsste, als statisch benötigt wird und dies nicht mit unserem Grundsatz, eine möglichst dünne Schale zu bauen, einhergeht. Im Zuge dieser Überlegungen haben wir uns auch mit der Frage beschäftigt, ob die Kanten abgerundet oder eckig ausgeführt werden sollen. Da man durch den Aufbau der Schalungen immer eine scharfe Kante bekommen wird, haben wir uns entschieden alle Kanten scharf auszubilden, da man sonst an einigen Stellen diskontinuierliche Übergänge erzeugen würde. Außerdem kommt durch die scharfen Kanten die Schlankheit der Schale besser zum Ausdruck. 2. Ergonomie Da es sich bei diesem Entwurf um eine Sitzgelegenheit handelt, ist es wich101

tig, alle Maße auf das Maß des menschlichen Körpers anzupassen. Wir ha-

macht und uns überlegt, welche Krümmungen ein angenehmes Sitzen und Lehnen zulassen. Diese Optimierung erfolgte in engem Austausch mit der Optimierung der Tragfähigkeit. 3. Materialeinsatz

entwickeln. Um dies zu erreichen, sollte der Materialeinsatz minimal gehalten werden. Wir haben uns damit beschäftigt, wie dick die Geometrie an unterschiedlichen Punkten sein muss. Mithilfe verschiedener Finite-ElementeProgramme (u.a. Karamba) haben wir die Form solange optimiert, bis eine Randdicke von 20 mm möglich war. Die Querschnitte der Fläche sind gevoutet, in der Mitte wird eine statische Höhe von 32 mm benötigt. Lediglich 102

Optimierung

im Bereich des Schwertes musste etwas mehr Material eingesetzt werden, sodass hier eine maximale Dicke von 70 mm erreicht wird. Die Querschnittsdicke resultiert daraus, das Knicken der Geometrie zu verhindern. 4. Tragfähigkeit Über allen Optimierungsgesichtspunkten stand die Optimierung der Tragfähigkeit. Da es sich bei Schalen um sehr leistungsfähige Tragwerke handelt, die allerdings schon auf kleine Veränderungen stark reagieren, ist es wichtig das Tragverhalten immer im Blick zu haben. Um die Tragfähigkeit zu verbessern, haben wir die Krümmungsradien der Flächen erhöht. Im Bereich der

ergonomischen Anforderungen begrenzt sind, wurde hier ein Wert gewählt, der sowohl ergonomisch, als auch statisch vertretbar ist.26 26 Cynthia Ward: Optimierung, Kassel 2014

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Segmentierung

Die Segmentierung der Schalungsgeometrie spielte eine essentielle Rolle im gesamten Entwurfsprozess. Das angestrebte Ziel, alle Fertigungsbelange der Möbiusban(k)d universitätsintern zu realisieren, stellte alle Beteiligten vor eine große Herausforderung. Um die Schalung überhaut mit der universitätseigenen Fräse fertigen zu können, musste die Gesamtgeometrie in 6 großformatige Teile zerlegt werden. Auf Grund der begrenzten Höhe des Fräsportals, wurden diese Teile nochmals im Schichtverfahren unterteilt. Je nach Format der segmentierten Teile ergab sich eine individuelle Anzahl an Schichten. Das daraus resultierende Schichtmodel der Ober- und Unterschalung wurde im weiteren Fertigungsprozess miteinander verklebt. Die übersetzte Gesamtgeometrie und die damit verbundene Schalung konnte somit in diversen Fügungs- und Betoniervorgängen zur gewünschten Möbiusban(k)d verbunden werden.27 Abb. 50 Diagramm gesamte Schalungsgeometrie Abb. 51 Segmentierung Möbiusban(k)d 27 Tim Reichert: Segmentierung, Kassel 2014

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Fertigung

Nach Beendigung der Arbeiten an der Ausführungsplanung konnte die endgültige Geometrie in ein fräsfähiges Format übertragen werden. Die fertigen Schalungsteile wurden infolgedessen in eine Werkhalle in der Gottschalkstraße in Kassel transportiert und weiterbearbeitet. Diverse Schritte zur Fertigstellung der Schalungsgeometrie mussten mit hoher Sorgfalt durchgeführt werden. Zu Beginn wurden die Schichten der Schalungssegmente mit einem Harz verklebt und im Anschluss mit Trennmittel bestrichen. Die Bewehrung der späteren Betonschale wurde an die Schalunsgeometrie angepasst und zugeschnitten. Zur Verbindung dieser Schichtung wurde Rödeldraht verwendet. Zudem wurde das Bewehrungspaket mit Plexiglas-Plättchen (18mm Kreise) ausgestattet, um eine Trennung von Metall und Schalungslungsteile mit innen liegender Bewehrung mit Hilfe von Silikon Maurermörtel und Dichtungsbänder verschlossen. Zur Fixierung der fertigen Gußschalung kamen Spanngurte und Kanthölzer zum Einsatz.28 Abb. 53 Fotocollage Fetigung Abb. 54 3-Achsefräse Universität Kassel FB 6 28 Tim Reichert: Fertigung, Kassel 2014

109

Aufmaß & Positionierung

Damit die Position und Ausrichtung von Fundament und Unterkonstruktion, vom Digitalen auf die Baustelle übertragen werden kann, wurde ein Raster, bestehend aus vier Quadranten (Q1-Q4), erstellt. Dieses Raster entstand anhand von fünf abgesteckten Punkten, von denen die ersten zwei (P0, P1) sich direkt aus der Umgebung ablesen ließen. Diese zwei Punkte zusammen, bilden zum Einen die Achse und zum Anderen den Mittelpunkt der Geometrie des Möbiusbandes, welches aus einer Ellipse als Ausgangsform

möglich zu halten, wurden die Punkte (P2, P3, P4) ebenfalls abgesteckt und

eines Quadranten liefert die genaue Position eines zuvor digital gesetzten Punktes ohne bei bestimmten Überschneidungen eine Ungenauigkeit zu erlauben. Auf diese Weise wurde auch die Ausrichtung des Fundamentaushubes und der Unterkonstruktion herausgearbeitet. Zu beachten ist dabei, dass mindestens zwei Schnittpunkte von Nöten sind, damit die genaue Ausrichtung und die exakte Position einer Geometrie ermittelt werden kann.29 Abb. 55 Diagramm Aufmaß & Positionierung 1 Abb. 56 Diagramm Aufmaß & Positionierung 2 29 Witali Suchan: Außmaß & Positionierung, Kassel 2014

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Betonieren

Wie schon aus den vorhergegangenen Text ersichtlich, wurde bereits zu Beginn des Semesters erste Betonierversuche durchgeführt. Diese wurden im unieigenen Betonlabor des Fachbereichs 14 Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen abgehalten. Die nebenstehende Fotocollage verweist auf diverse Arbeitsschritte die notwendig sind, um ein den Ansprüchen der Gruppe genügendes Betonierergebnis zu realisieren. In diesem Zusammenhang ist besonders auf die Zusammensetzung (das Rezept) des Betons zu achten. Fließfähigkeit und Ausbreitmaß sind in diesem Kontext der Indikator für die ausreichende Verteilung des Betons in der Schalung. Der Anteil von Sand, Zement und Fließmittel bilden hierbei die Grundlage für die gewünschte Eigenschaft des Materials. Neben diesen zu berücksichtigen Punkten, musste besonders der sorgfältige Umgang (Sauberkeit, etc.) mit Maschinen und den eingesetzten Materialien erlernt werden.30 Abb. 57 Fotocollage Betonieren Abb. 58 Foto Betonierentrog 30 Tim Reichert: Betonieren, Kassel 2014

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Unterkonstruktion

Eine passende Unterkonstruktion stellte sich auf den ersten Blick als schwierig heraus. Zum Einen musste sie als Positionierungshilfe fungieren und zum Anderen sollte ihre statische Eigenschaft dem Druck den großformatigen Betonschalensegmenten standhalten. Des Weiteren sollte die Konstruktion relativ leicht und offengehalten sein, um eine Zugriff auf die Fundamente zu gewährleisten. Um all diese Eigenschaften umsetzen zu können, bediente man sich dem Vorbild des Gitarrenständers. In diesem Zusammenhang wurde eine Steckverbindung aus OSB-Platten realisiert, welche auf Kantholzrahmen positioniert wurde. Dieser Rahmen wurde mit Unterleghölzern und –keilen in Waage gebracht. Diese Art der Unterkonstruktion generierte eine ausreichende Festigkeit und erlaubt das Bewehren und Betonieren der Fundamente. Nach völliger Aushärtung der Betonschale kann die Unterkonstruktion vollständig entfernt werden.31 Abb. 59 Unterkonstruktion Gesamt Explosionszeichnung Abb. 60 Unterkonstruktion Detail Twist Explosionszeichnung 31 Tim Reichert: Unterkonstruktion, Kassel 2014

115

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Fügung

Die großformatigen Schalensegmente wurden nach einer Aushärtungszeit an den Bauplatz gebracht und von ihrer Schalung befreit. Infolgedessen wurden sie mit der Unterkonstruktion positioniert. In diesem Kontext dient die Unterkonstruktion nicht nur zur Positionirunge, sondern unterstützt gleichermaßen die Gesamtgeometrie der Möbiusban(k)d bei der vollständigen Aushärtung. Die hervorstehenden Bewehrungsmatten mussten von überschüssigen Beton befreit werden, damit ein Überlappen der einzelnen Matten möglich war. Mit den bekannten Plexiglas-Coins und Rödeldraht konnte somit die Verbindung der Bewehrung in den Fugen realisiert werden. Im Anschluss wurden die Fugen mit Ober- und Unterschalung aus PU-Schaum überdeckt. Kanthölzern sowie Spanngurte dienten auch hier zur Fixierung

für Stück vergossen und somit verbunden werden.32 Abb. 61 Fotocollage Impressionen Fügung Abb. 62 Diagrammatische Darstellung Fügung 32 Tim Reichert: Fügung, Kassel 2014

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Fundamente

Das(die) Möbiusban(k)d benötigt auf Grund der geometrischen und sta-

damit verbundenen Fundamente. Zum einen dienen die aus Bewehrungseisen und Beton bestehenden Fundamente zur Fixierung und Gründung des Entwurfs. Andererseits benötigt die Sitzbank die feste Verbindung zum Boden, um ein Umkippen bei einseitiger Belastung zu verhindern. Der Grund für das endstehende Kippmoment bei eben beschriebener

um den Entwurf möglichst leicht erscheinen zu lassen. Auf der Neben stehende Fotocollage ist die Schwertgründung mit Bewehrungsankern und

zu erkennen. Beide Fundamente wurden zu Beginn mit einer Sauberkeitsschicht versehen und nach Beendigung der Fügungsarbeiten vergossen.33 Abb. 63 Fotocollage Impressionen Fundamente Abb. 64 Skizzen Diagramm Fundamente 33 Tim Reichert: Fundamente, Kassel 2014

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Danksagung Allen Beteiligten im gleichen Maße Dank auszusprechen, stellt sich in diesem Kontext als große Herausforderung da. Trotz allem möchten wir mit diesen Zeilen all denen danken, die zur Realisierung des(der) Möbiusban(k) d beigetragen haben. In diesem Zusammenhang stehen besondere Menschen, ohne deren Unterstützung diese Umsetzung der Entwurfsaufgabe zum Scheitern verurteilt gewesen wäre. Aus diesem Grund möchten wir einige dieser Personen gesondert aufführen und ihnen speziellen Dank aussprechen. Wir danken insbesondere der Firma DUCON® Europe GmbH & Co.KG, Herrn Dr.-Ing. Stephan Hauser für die Bereitstellung aller Komponenten, die zur Herstellung eines Schalentragwerkes aus dem Composit-Materials Ducon® von Nöten waren sowie Frau Dipl.-Ing (FH) Catherine Olemotz für Ihren Rat und dem nötigen Know-How. Neben dieser eher Material orientierten Unterstützung ist des Weiteren die gute, interdisziplinäre Zusammenarbeit an der Universität Kassel zu erwähnen. In diesem Kontext danken wir besonders Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling, Dipl.-Ing. Jenny Thiemicke und Klaus Trost vom FG Massivbau sowie Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Middendorf, Anna-Katharina Reim und Dipl.-Ing. Als Stellvertretender für das Immobilienmanagement der Universität Kassel gilt unser besonderer Dank Dipl.-Ing. Norbert Krempel. Des Weiteren danken wir der Paul Bauder GmbH & Co.KG für die Bereitstellung des PU-Schaums für die Schalung und der Firma Max Frank GmbH & Co.KG für die Bereitstellung der Beschichtung der Schalung. Zudem möch125

126

Abb. 67 Sponsoren Collage

Danksagung ten wir Clemens Preisinger in Kooperation mit Bollinger-Grohmann-Schneider ZT GmbH Vienna danken, die die Software karamba (www.karamba3d. com) zur Analyse des Tragverhaltens bereit gestellt haben. Neben all diesen Kategorien im Bereich der Dankeserklärung reiht sich der didaktische Aspekt ebenso ein wie all bereist genannten. In diesem Zusammenhang möchten wir ganz besonders dem Jurorenteam, bestehend aus Prof. Mirco Becker (Städelschule Architecture Class), Dr. Markus Schein (Kunsthochschule Kassel) und Dr.-Ing. Stefan Hauser (DUCON), für die kon-

Besonderer Dank gilt in diesem Kontext dem FB06 – Architektur FG Tragkonstruktion und Digitale Entwurfstechniken der Universität Kassel und die damit in verbindungstehenden Personen Univ. Prof. Dipl.-Ing. Manfred Grohmann, Dipl.-Ing. Philipp Eisenbach, Dipl.-Ing. M.A. Moritz Rumpf und M.A. (AAD) Ragunath Vasudevan für die tolle Organisation, Betreuung, die zahl-

Last but not least muss Adrian Barbura, Alex Lischke, Aliaksei Rybalchanka, Andreas Steffen, Christoph Herlitze, Denista Koleva, Jakob Leppin, , Cynthia Ward, Florian Reichmann, Harun Faizi, Henrik Neusüß, Jannik Kratzenberg, Jessica Fröse, Julia-Yvonne Scharf, Laura Nolte, Leon Charlet, Michael Korn, Jan Nicklas Rieckmann, Nils Kühn, Nora Levsen, Richard Pfeiffer, chert , Witali Suchan und Yiyang Liu für deren Engagement, Kreativität und Arbeitseifer explizit gedankt werden.

127

Bildnachweise ß¾¾ò ðï Ý±ª»®

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Textnachweise u Andreas Stefen: Konzeptbeschreibung, Windwirbel, Kassel 2014 u Baunetz Wissen (2014): Geschichtliche Entwicklung von Schalenkonstruktionen http://www.baunetzwissen.de/standardartikel/Beton_Einfuehrung_151122.html, letzter Zugriff 20.07.2014. u Baunetz Wissen (2014): Bauweisen/Konstruktionen von Schalentragwerken: http://www.baunetzwissen.de/standardartikel/Beton_Einfuehrung_151122.html, letzter Zugriff 20.07.2014. u Baunetz Wissen (2014): Schalenkonstruktionen und ihre Architekten: http://www.baunetzwissen.de/standardartikel/Beton_Einfuehrung_151122.html, letzter Zugriff 20.07.2014. u Baunetz Wissen (2014): Schalenkonstruktionen und ihre Architekten: http://www.baunetzwissen.de/standardartikel/Beton_Einfuehrung_151122.html, letzter Zugriff 20.07.2014. u Cynthia Ward: Erläuterungstext, Optimierung, Kassel 2014 u Dipl.Ing. Philipp Eisenbach & Tim Reichert : Konzeptbeschreibung, Möbiusban(k)d, Kassel 2014 u Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Neue Perspektiven für Baukonstruktionen, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik: http://www.dbz. de/artikel/dbz_Mikrobewehrter_Hoch_leistungsbeton_Neue_Perspektiven_fuer_Baukonstruktionen_828190.html, letzter Zugriff 03.032014. u Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Hochleistungsbeton, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik: http://www.dbz.de/artikel/dbz_Mikrobewehrter_Hoch_leistungsbeton_Neue_Perspektiven_fuer_Baukonstruktionen_828190.html, letzter Zugriff 03.032014. u Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Mikrobewehrter Hochleistungsbeton, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik: http://www.dbz.de/ artikel/dbz_Mikrobewehrter_Hoch_leistungsbeton_Neue_Perspektiven_ fuer_Baukonstruktionen_828190.html, letzter Zugriff 03.032014. u Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Breites Anwendungsspektrum, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik: http://www.dbz.de/artikel/ dbz_Mikrobewehrter_Hoch_leistungsbeton_Neue_Perspektiven_fuer_ Baukonstruktionen_828190.html, letzter Zugriff 03.032014. 141

Textnachweise u Dr.-Ing. Stephan Hauser, Mörfelden-Walldorf, Neue Perspektiven für freie Formen, DBZ Ausgabe 02/2010 - Bautechnik: http://www.dbz.de/ artikel/dbz_Mikrobewehrter_Hoch_leistungsbeton_Neue_Perspektiven_ fuer_Baukonstruktionen_828190.html, letzter Zugriff 03.032014. u DUCON®, Das Unternehmen: http://www.ducon.de, letzter Zugriff 03.08.2014. u DUCON®, Was ist Ducon?: http://www.ducon.de, letzter Zugriff 03.08.2014. u Grohmann, Eisenbach, Rumpf, Vasudevan (2014): Structural Surface - Hochleistungstragwerk über dem Amphitheater: https://portal.uni-kassel.de, letzter Zugriff 03.03.2014. u Henrik Neusüß: Konzeptbeschreibung, Kantezu Kante, Kassel 2014 u Laura Nolte: Konzeptbeschreibung, Leaf a Trace, Kassel 2014 u Nils Kühn: Konzeptbeschreibung,Twisted Frames, Kassel 2014 u u Tim Reichert: Einführung, Inlaytext (Cover), Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläuterungstext, Betonieren, Kassel 2014 u Tim Reichert (2014): Erläterungstext, Der Standort, Kassel 2014 u Tim Reichert (2014): Erläterungstext, Einleitung, Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläterungstext, Entwurfsphase, Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläuterungstext, Fertigung, Kassel 2014 u 32 Tim Reichert: Erläuterungstext, Fügung, Kassel 2014 u 33 Tim Reichert: Erläuterungstext, Fundamente, Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläuterungstext, Mockups, Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläuterungstext, Segmentierung, Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläuterungstext, Unterkonstruktion, Kassel 2014 u Tim Reichert: Erläterungstext, Wettbewerbsphase, Kassel 2014 u Tim Reichert: Konzeptbeschreibung, Diversity Curvature, Kassel 2014 u Witali Suchan: Erläuterungstext, Aufmaß & Positionierung, Kassel 2014 u Witali Suchan: Konzeptbeschreibung, Aerocon, Kassel 2014 u Florian Fischer, Ursprung und Sinn von ‘form follows function’, / Louis H. Sullivan, Kindergarten Chats and other Writings, Dover Publications, Inc. New York, 1979. 143

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