Nichtlineare Analyse des Tragverhaltens von gefalteten Carbonbetonmodulen

Steigende Anforderungen an die Nachhaltigkeit von Bauwerken erfordern den Übergang von massiven zu dünnwandigen, hocheffizienten Bauteilen. Basierend auf der Faltbarkeit textiler Bewehrungen bieten dünnwandige Origami‐Faltschalen aus Carbonbeton eine effizient herstellbare Alternative zu traditionellen Stahlbetonstrukturen. Trotz intensiver Forschung existieren bislang keine etablierten Bemessungs‐ und Analysemethoden, die eine hinreichend genaue Vorhersage des Tragverhaltens gefalteter Schalen erlauben und somit eine zielgerichtete Entwicklung hinsichtlich Tragfähigkeit, Spannungsumlagerungen und Versagensmechanismen unterstützen können. Vor diesem Hintergrund werden zwei FEM‐Modellierungsansätze zur Analyse von Faltschalenmodulen vorgestellt. In diesen Ansätzen wird die Carbonbewehrung sowohl in verschmierter als auch in aufgelöster Form modelliert. Das Materialverhalten des Betons wird mithilfe eines Schädigungsplastizitätsmodells abgebildet. Der Modellierungsansatz wird anhand von getesteten Prototypen validiert. Der Ansatz bildet eine allgemeine Grundlage für den Entwurf und die Analyse gefalteter Origami‐Schalen.

Given the increasing demand for low‐carbon construction, the shift from massive to thin‐walled, highly efficient elements are becoming increasingly necessary. The origami‐inspired folded carbon concrete shells are emerging as an alternative to traditional reinforced concrete structures for the development of economical and sustainable structures. However, the field currently lacks any well‐established design and analysis methods that can reliably predict how folded shells will behave structurally when optimal variants, load‐bearing capacity, stress redistribution, and failure mechanisms are considered. Based on this, two FEM modeling approaches to analyze folded waterbomb‐patterned shells were implemented. In these approaches, the carbon reinforcement is modeled in both smeared and resolved forms, whereas a damage plasticity model is applied to the concrete. The testing of the demonstrator elements validates the results of these approaches, which complement the foundation for the design and analysis of folded origami shells.