SIMPLE THIN[G] by king-concrete
SIMPLE THIN[G] 01 by king-concrete
Inhalt 03_Design & Konzept 05_Formfindung 07_Ausführung 09_Analyse & Berechnung 11_Bewehrungskonzept 13_Details 15_Schalungskonzept 17_Materialien
Anhang 18_Dokumentation Vormodelle Ergonomiestudie Belastungsstudie Probekörper [gespachtelt & gegossen] Oberflächentests Beton mischen 21_Ergonomie & Belastung 22_Testobjekt 23_King Concrete 24_Sponsoren
SIMPLE THIN[G] 02 by king-concrete
Design
0°
Ansichten
30°
60°
90°
120°
150°
180°
SIMPLE THIN[G] 03 by king-concrete
Konzept „SIMPLE THIN[G]“ basiert auf dem Gedanken, dass ein Möbel aus Beton mit heutigen Fertigungs- und Fügetechniken vor allem eins sein muss: So dünn wie möglich. Ein solches Möbel muss zudem ohne Hilfskonstruktionen auskommen und möglichst schlicht aussehen. Eine der klassischen Herausforderungen für einen Architekten der sich in den Bereich des Möbeldesigns begibt, ist das Design eines Sitzmöbels. Also warum nicht ein Sitzmöbel aus einem so dünnen Beton bauen, dass niemand glaubt, eine Person könne von diesem Möbel getragen werden? Die Form entsprang dabei einer einfachen Idee: Wenn die Geometrie tragwerkstechnisch günstig gewählt ist, dann erlaubt sie einen geringen Querschnitt. Hierfür bietet sich vor allem eine gekrümmte Geometrie an, die eine gewisse Eigensteifigkeit besitzt. Wenn die Form, die Kontur des Möbels dann noch einfach zu erfassen ist, dann ist das Möbel ein „SIMPLE THIN[G]“.
SIMPLE THIN[G] 04 by king-concrete
Formfindung
Skizzen zur Formfindung
Formentwicklung
SIMPLE THIN[G] 05 by king-concrete
Formfindung Ausgehend von der Schale als sinnvolle Tragwerksgeometrie entstand eine Vielzahl von Skizzen, die erste, räumliche Ideen hervorbrachten. Eine mehrfach gekrümmte Schale, die aus einer dieser Skizzen hervorging schien vielversprechend zu sein um den Ansprüchen der simplen Struktur, der statisch sinnvollen Form und der Ausformulierung einer Sitzfläche mit Rücken- und Armlehnen zu entsprechen. Ein erstes handgefertigtes Modell aus Modelliermasse legte dann den Grundstein für Gruppendiskussionen über die genauere räumliche Ausformung. Grundsätzliche Parameter wie Sitzhöhe, ergonomisch geformte Rückenlehne und ungefähre Proportionen der Gesamtform wurden abgestimmt und das Sitzmöbel anschließend von allen Gruppenmitgliedern parallel digital modelliert. Die einzelnen Ergebnisse wurden im Anschluss verglichen, Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Das beste Ergebnis wurde daraufhin optimiert und die Form in einem Gipsplott vom digitalen zum analogen Modell zurückgeführt. Das Ergebnis brachte die Notwendigkeit der Verlagerung des Schwerpunkts an den Tag. Ein eins zu eins Modell der Sitzschale aus Styropor wurde zudem angefertigt und erlaubte, über das direkte Testen der Sitzergonomie, die Optimierung dieser. Die statischen Eigenschaften wurden digital simuliert und analysiert und die Ergebnisse auf das Design übertragen. Schlussendlich entstand nach einem ausgiebigen Optimierungsprozess ein Sitzmöbeldesign, dass geschwungen und leicht wirkt. Die ergonomisch geformte Sitzschale ist in der Seitenansicht exakt ablesbar und fügt sich nahtlos in die geschwungene Silhouette des Möbels ein. Trotzdem ist die Geometrie für das Auge nicht komplex, sie ist elegant, sie ist simpel, sie ist ein „SIMPLE THIN[G]“.
SIMPLE THIN[G] 06 by king-concrete
Ausf端hrungszeichnungen 1:10
61cm 1cm
106cm
43cm
40cm
94cm
106cm
44cm
51cm
4cm
65cm 79cm
65cm
Grundriss
Ansicht vorne
Ansicht links
SIMPLE THIN[G] 07 by king-concrete
Ausf端hrungszeichnungen 1:10
62cm 30cm
0,6cm
43cm
2cm
94cm
20cm
3,5cm
2,3cm
51,4cm
4cm
72cm 62cm
Schnitt A-A
A
Schnitt B-B
B
B
A
SIMPLE THIN[G] 08 by king-concrete
Bemessungswerte für die Tragwiderstände
Bemessung des Sessels Für die Bemessung der statisch notwendigen Bewehrung wird das Bemessungsverfahren des Kompetenzzentrums Textilbeton der RWTH Aachen herangezogen. An der RWTH Aachen wurden bereits mehrere Möbel aus textilbewehrtem Beton realisiert und Bemessungsverfahren für die grundlegenden Beanspruchungsarten basierend auf theoretischen und experimentellen Untersuchungen erstellt. In diesen Ingenieurmodellen werden die wesentlichen Mechanismen des Tragverhaltens vereinfacht berücksichtigt.
Die Tragfähigkeit des Verbundwerkstücks im Bruchzustand hängt allein von von der Zugtragfähigkeit der Textilbewehrung ab, da rissüberbrückende Zugspannungen im Beton nicht berücksichtigt werden. Nach den Erkenntnisssen der RWTH Aachen hängt die Tragfähigkeit der Bewehrung im Verbundbauteil vor allem vom Fasermaterial, dem textilen Bindungstypen der Bewehrung, der Orientierung der Fasern zur Kraftrichtung, dem Auftreten von Querzugspannungen und der Herstelltechnik ab. Die Wirkung der wesentlichen Einflüsse auf die Zugtragfähigkeit des Verbundquerschnitts wird durch empirische Beiwerte berücksichtigt.
Für das Sicherheitskonzept werden in Anlehnung an die DIN 1045 Teilsicherheitsbeiwerte auf Beanspruchungs- und Widerstandsseite verwendet. Für die Beanspruchung ergibt sich somit ein Teilsicherheitsbeiwert von γF = 1,5 für ungünstig wirkende unabhängige veränderliche Einwirkungen. Der Teilsicherheitsbeiwert für die Bestimmung des Tragwiderstands im Grenzzustand der Tragfähigkeit wird für die ständige und vorübergehende Bemessungssituation mit γC = 1,5 angegeben. Zur Berücksichtigung der größeren Streuung der Materialeigenschaften bei Betonfestigkeitsklassen > C55/67 ist der Teilsicherheitsbeiwert γC mit dem Faktor
Die Berechnung der Zugtragfähigkeit eines Rowings wird mit Hilfe der Formel der RWTH Aachen durchgeführt.
F t = At⋅f fil⋅k 1⋅k 0, α⋅k 2 mit At ffil k1 k0,α k2
1
1 γC ' = = = 1,13 1,0 f ck 106,0 1,1− 1,1− 500 500
zu vergrößern. Damit ergibt sich γC zu γC = 1,5 • 1,13 = 1,7.
Querschnittsfläche der Bewehrung [mm²] Filamentzugfestigkeit [N/mm²] Effektivitätsfaktor [-] Beiwert für schiefwinklige Beanspruchung[-] Beiwert für zweiaxiale Beanspruchung [-]
Dichte Kohlefaserbewehrung: Verhältnis Masse pro Länge:
Die Bemessungsschnittgrößen werden mit dem FEM-Programm Ansys berechnet. Dazu wurden im Vorfeld Flächen zur Lasteinführung auf dem Sessel definiert. Der Berechnung mit Ansys ist zu entnehmen, dass die maximale Zugspannung bei δmax = 6,06 • 107 Pa liegt. Dies entspricht 60,6 MPa bzw. 6,06 kN/cm².
1600 tex => 1600 kg/m = 1,6 g/m
Querschnittsfläche eines Rowings: At = 1,6 g /m = 0,9 cm² /m= 0,9 mm²
Bemessungswerte für die Einwirkungen Als charakteristische vertikale Einwirkung auf den Sessel wird eine Gewichtskraft von Gv = 2,0 kN angenommen. Dies entspricht einem Körpergewicht von 200 kg. Als charakteristische horizontale Einwirkung wird Gh zu 1,0 kN angenommen. Multipliziert mit den Teilsicherheitsbeiwerten ergeben sich dann die Bemessungswerte für die Einwirkungen zu Gv,d = 1,5 • 2,0 kN = 3,0 kN und Gh,d = 1,5 • 1,0 kN = 1,5 kN.
1,77 g/cm³
1,77 g /cm³
Filamentzugfestigkeit:
Die maximale Schubspannung liegt bei δmax = 1,499 • 107 Pa bzw. 1,5 kN/cm² Diese Tatsache ist allerdings den Randbedingungen, in diesem Fall der Lagerung geschuldet. Da der Rest des Sessels eine Schubspannung zwischen 4,13 • 10-6 und 2,95 • 106 aufweist, wird mit 4,13 • 10-6 Pa bzw 413 N/cm² gerechnet.
ffil = 3950 N/mm²
Der Effektivitätsfaktor k1 zur Berücksichtigung der verschiedenen Kettrichtungen der einzelnen Gelegevarianten wird zu 1 angenommen, da die einzelnen Filamente nicht gewirkt sind, sondern geradlinig verlaufen. Der Beiwert k0,α berücksichtigt den Neigungswinkel α zwischen der Bewehrung und der Kraftrichtung und wird hier auf der sicheren Seite liegend ungünstig zu 45° angenommen. Damit ergibt sich:
45 k 0, α= 1− α = 1− = 0,5 90 90 Nach bisherigen Erkenntnissen der RWTH Aachen zu zyklische Belastungen wird angenommen, dass unterhalb von 70 % der Textilbruchspannung kein
SIMPLE THIN[G] 09 by king-concrete
Einfluss einer begrenzten Anzahl von Lastwechseln auf die Resttragfähigkeit der textilen Bewehrung besteht.
Nachweise
Untersuchung des Tragverhaltens von Scheiben unter zweiaxialen Spannungszuständen zeigte eine Abnahme der Tragfähigkeit bei Querzugspannungen von 26 %, wohingegen Querdruckspannungen keinen Einfluss auf die Tragfähigkeit hatten. Für den Beiwert k2 ergibt sich damit folgender Zusammenhang:
Zugspannung:
k2 = {0,74 bei Querzug; {1,0 bei Querdruckspannungen
Benötigt werden 5 Rowings pro cm²
Auf der sicheren Seite liegend wird k2 zu 0,74 angenommen.
FT = 1315,4 N/cm² > 6060 N/cm² = σmax => Nachweis nicht erfüllt
=> 5 • 1315,4 = 6577,0 N/cm² > 6060 N/cm² = σmax
Damit ergibt sich die Zugtragfähigkeit eines Rowings zu: F t = At⋅f fil⋅k 1⋅k 0, α⋅k 2 = 0,9 mm²⋅3950 N /mm²⋅0,5⋅0,74= 1315,4N
Querkraft: σmax = 413 N/cm² < VRd,ct = 423,0 N/cm²
Bemessungswert der aufnehmbaren Querkraft ohne Querkraftbewehrung Zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit wird eine für textilbewehrte Bauteile angepasste Gleichung nach DIN 1045 - 1 angewendet. Dabei werden die wesentlichen Parameter wie die Zugfestigkeit des Betons, der Längsbewehrungsgrad und der Maßstabseffekt berücksichtigt. Die Querkrafttragfähigkeit ergibt sich zu:
σ V Rd , ct = 0,177⋅β⋅ηl⋅κ⋅(100⋅ρl⋅ tex⋅f cm)⋅b⋅d f yk mit Faktor für Sprengwerktragwirkung gewählt: 1,0 Tragfähigkeitsbeiwert < 2,0 Maßstabsfaktor gewählt: 2,0 <0,02 Längsbewehrungsgrad gewählt: 0,02 δtex = 3950 N/mm² fyk = 500N/mm² fcm = 108 N/mm² b = 20 mm d = 20 mm Die Querkrafttragfähigkeit wird für einen Querschnitt von 1 cm² berechnet. Alle Eingangswerte wurden auf der sicheren Seite liegend gewählt. bzw. 423,0 N/cm²
=> Nachweis erfüllt
Der Berechnung mit Ansys ist zu entnehmen, dass die maximale Zugspannung bei δmax = 1,93 • 107 Pa liegt. Dies entspricht 19,3 MPa bzw. 1,93 kN/cm². Die maximale Zugspannung ist ca 1/3 kleiner als vorher (6,06 kN/cm²)
Aufmaß der Bewehrung Fläche des Stuhls: 1,5 m² Auf der sicheren Seite liegend wird der Stuhl ganzflächig einlagig bewehrt. In den Bereichen, wo starker Zug (ca. 1/3 der Fläche) auftritt, ist die Bewehrung mit 5 Rowings pro cm² einzulegen. Benötigt werden also 1,5 m² + 5*1/3*1,5m² = 4 m² plus Zugabe für Verschnitt und Übergreifungsstöße: 4,5 m² Alternativ und sicher sinnvoller 2m² für einlagige Bewehrung + einzelnes Rowing auf Spule als Zulage.
2. Berechnung Da die Beanspruchungen sehr hoch sind und der vorhandene Platz für die statisch notwendige Bewehrung nicht ausreicht, haben wir uns dafür entschieden, die Maße des Sessels zu verändern. Durch die größere statische Höhe im Bereich der stärksten Belastung vergrößert sich der innere Hebelarm und die aufzunehmenden Zugkräfte werden kleiner. Berechnungen mit Ansys:
Die maximale Schubspannung liegt jetzt bei 11,5 MPa bzw. bei 1150 N/cm² Da die statische Höhe gestiegen ist, steigt auch die Querkrafttragfähigkeit, da die statische Höhe in die Berechnung mit eingeht. V Rd , ct = 0,177⋅1,0⋅1,0⋅2,0⋅(100⋅0,02⋅
1/ 3
3950 ⋅108) ⋅10⋅30= 1269,1N 500
SIMPLE THIN[G] 10 by king-concrete
Nachweis: σmax = 1150 N/cm² < VRd,ct = 1269,1 N/cm²
Bewehrungs-Schnittmuster [Parametrische Herangehensweise]
=> Nachweis erfüllt
vordere Bewehrungslage Zugspannung: FT = 1315,4 N/cm² > 1932 N/cm² = σmax => Nachweis nicht erfüllt Benötigt werden 2 Rowings pro cm² => 2 • 1315,4 = 2630,8 N/cm² > 1932 N/cm² = σmax
Aufmaß der Bewehrung Fläche des Stuhls: ca. 1,5 m² Auf der sicheren Seite liegend wird der Stuhl ganzflächig einlagig bewehrt. In den Bereichen, wo starker Zug (ca. 1/3 der Fläche) auftritt, ist die Bewehrung mit 2 Rowings pro cm² einzulegen. Benötigt werden also 1,5 m² + 2*1/3*1,5m² = 2,5 m² plus Zugabe für Verschnitt und Übergreifungsstöße: 3,0 m²
hintere Bewehrungslage
SIMPLE THIN[G] 11 by king-concrete
Bewehrungskonzept 1:5
Bewehrungslage [qualitativ] Detail_2
Detail_1
SIMPLE THIN[G] 12 by king-concrete
Detail_1 Kniebereich
Bewehrung 2D-Fl채chengewirke Kohlefaser
SIMPLE THIN[G] 13 by king-concrete
Detail_2 Armlehne
Bewehrung 2D-Fl채chengewirke Kohlefaser
SIMPLE THIN[G] 14 by king-concrete
Schalungskonzept Schalungselemente
Obomodulan Platten
R체ckseite Seite zum Spachteln
Gesamte Schalung [verbunden] Einzelteile aus Obomodulan [Fr채sfertig]
Schalungskonzept in Schichten [Fr채sbar mit 3-Achs-Fr채se]
SIMPLE THIN[G] 15 by king-concrete
Schalungskonzept
RandstĂźck aus Gummi
Hilfselement [Styrodur]
Unterkonstruktion [Holz]
Betoniertes MĂśbel
Schalungsteil 1 aus Obomodulan Schalungsteil 2 aus Obomodulan Unterkonstruktion [Holz]
Hilfselement [Styrodur]
Unterkonstruktion [Holz]
Unterkosntruktion [Holz]
Unterkonstruktion [Holz]
SIMPLE THIN[G] 16 by king-concrete
Materialien Beton Zement, Wasser, Zusatzmittel ( Flussmittel, Entlüfter, Mittel zur Reduzierung von Trocknungsschwinden), Pigmente (schwarz)
Bewehrung 2D-Flächengewirke aus Kohlefasern
Schalung Obomodulan-Platten aus Polyurethan (10cm x 50cm x 150cm) Die Platten werden in Einzelteilen gefräst, dann in geometrisch sinnvollen Gruppen verklebt und diese dann wiederum miteinander verschraubt.
Oberflächenbehandlung / Trennmittel Die Obomodulan-Platten werden, nachdem sie zusammengesetzt wurden, mit unterschiedlichen Körnungen geschliffen und gesäubert. Danach wird als Trennmittel Wachs oder Öl aufgetragen. Fugendichtung Offene Fugen werden mit Silikon abgedichtet. Ansonsten erfolgt die Dichtung der Fugen über die Klebe- und Schraubverbindungen zwischen den Schalungsplatten. Unterkonstruktion Unterkonstruktion aus Holz zur Gewährleistung der Stabilität und zur Positionierung der Schalung für das Betonieren.
SIMPLE THIN[G] 17 by king-concrete
Anhang Dokumentation Vormodelle
Ergonomiestudie
Belastungsstudie
SIMPLE THIN[G] 18 by king-concrete
Anhang Dokumentation Belastungsstudie
Probekรถrper [Schalung aus Obomodulan]
SIMPLE THIN[G] 19 by king-concrete
Anhang Dokumentation Oberfl채chentests
Beton mischen
SIMPLE THIN[G] 20 by king-concrete
Anhang Ergonomiestudie
Belastung des Probestückes M 1:1
Horizontale Belastung
Vertikale Belastung
Belastungsstudie
10 cm
Eingespanntes Probestück
Parallel zum Entwurfsprozess wird ein Belastungstest, mit horizontaler Last auf die Sitzfläche und vertikaler Last auf die Rückenlehne, durchgeführt. Hierfür wird ein Probestück genommen, welches sich aus der mittigen Schnittlinie des Stuhls ergibt. Um die Anfertigung der Schalung zu vereinfachen, wird die Schnittlinie um 10 cm extrudiert. Eine textile Bewehrung ist im Probestück eingelegt. Mehrere Betonmischungen werden überprüft. Das Probestück wird im Massstab 1 zu 1 angefertigt. Mittiger Schnitt durch Stuhl
Extrudiertes Probestück
Mit diesem Belastungstest, soll das Verhalten des Stuhls bei Belastung überprüft werden, um weitere Änderungen am Design mit mehr Feingefühl zu bestimmen.
SIMPLE THIN[G] 21 by king-concrete
Anhang Testobjekt
Prototyp_Betonschale Als Versuch werden zwei Schalungselemente aus Obomodulan-Platten gefräst. Die Rohlinge haben jeweils eine Größe von 50 x 40 x 10 cm und können passgenau aufeinander angebracht werden. Zwischen den Platten gibt es einen Hohlraum, welcher die Form des herzustellenden Betonschale beschreibt. Die Dicke der Betonschale beträgt durchgehend etwa 7 mm. Die Form ist doppelt asphärisch gekrümmt und soll dadurch eine gute statische Wirkung erzielen. Der erste Schritt der Fertigung ist das Anbringen einen dünnen Betonschicht von etwa 3mm auf die eingeschnittene Form im unteren Schalungselement. Durch das Laminieren ist eine glatte Oberseite der Schale gewährleistet. Als nächstes ist die textile Carbonbewehrung einzulegen. Das zweite Schalungselement wird nun von oben auf das untere Schalungselement angebracht und fest justiert. Vorher sollten Einbohrungen an geeigneter Stelle gemacht werden, damit der flüssige Beton eingegossen werden kann. Am besten an den höchsten zwei Punkten, um ein Abfliessen des Betons herzustellen.
Zusammensetzung der Elemente Schalungselemente und Produkt
SIMPLE THIN[G] 22 by king-concrete
Anhang king-concrete
design concrete formwork sponsoring
1982
design concrete formwork organisation
1987
concrete specialist surface tests
1988
ergonomics specialist surface tests
1987
reinforcement specialist structural analysis
1980
SIMPLE THIN[G] 23 by king-concrete
Anhang Sponsoren Weisszement, Grauzement und Zusatzstoffe
http://www.dyckerhoff.de/online/de/Home.html
Mörtel
http://www.pagel.com/
Fräsbares Schalungsmaterial aus Polyurethan
http://www.obo-werke.de/
Bewehrung aus Textilfasern
http://www.solutions-in-textile.com/
Übernahme von Fräskosten M O N TO L A
©
http://www.montola.de
Übernahme von Prototypingkosten
MY COVER
.DE
http://www.mycover.de
SIMPLE THIN[G] 24 by king-concrete