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Strukturell Tragwerksanalyse und Berechnung

Das Kompetenzzentrum Gebäudehülle und Ingenieurbau ist die Anlaufstelle für komplexe Berechnungen, die nicht in Normen beschrieben werden. Die Strukturen werden analysiert und möglichst real modelliert. Die vorhandene Tragreserve wird dadurch ausgeschöpft und verringert die Materialkosten. 

Computergestützte Berechnung - Versuch Elastomerlager

Finite-Elemente-Analysen im Bereich Gebäudehülle 

Berechnungen von Produkten mit unterschiedlichen Materialien sowie komplizierten Geometrien stimmen bei Handrechnungen meist nicht mit der Realität überein. Mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden in Modellen die realen Begebenheiten exakter berechnet. Die Schwierigkeit dieser Methode liegt beim Modellieren des realen Bauteils, bei der Eingabe der exakten Werkstoffparameter sowie bei der Plausibilisierung der Ergebnisse. Das Kompetenzzentrum besitzt das Know-how und die entsprechende Software, um Bauteile möglichst genau berechnen zu können.

Fassadenstatik

Der moderne Metallbau hat sich längst im Hochbau etabliert und liefert Tragwerke von grosser Komplexität. Die ingenieurtechnischen Fragestellungen sind im Zuge dieser Entwicklung gewachsen und heute entsprechend komplex und vielfältig. Das Kompetenzzentrum bietet mit eigenem Know-how und bei Bedarf mit zusätzlicher Kompetenz durch die interdisziplinäre Kooperation mit anderen Forschungsgruppen und Kompetenzzentren der Hochschule Luzern – Technik & Architektur Leistungen für Partnerinnen und Partner aus der Forschung und Industrie an. Die Expertinnen und Experten des Kompetenzzentrums beraten diese bei der Entwicklung von Tragstrukturen bis hin zur prüffähigen Baustatik.

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Die Expertinnen und Experten des Kompetenzzentrums setzen sich aus Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie Tragwerksplanerinnen und -planer mit langjähriger Erfahrung aus Forschung und Praxis zusammen, die Wirtschaftspartnerinnen und -partner bei der Umsetzung von Visionen unterstützen. Dabei reicht das Angebot von Konzeptstudien über die Entwicklung von Tragstrukturen bis hin zu Bauteilversuchen.

 

Glasstatik

In den letzten Jahren konnten durch die Verwendung von Glas innovative und dank ihrer Transparenz architektonisch einzigartige Tragwerke realisiert werden. Der Baustoff Glas wird immer bedeutender. Inzwischen erlauben grössere Glasformate und optimierte Glasveredelungsmöglichkeiten, Glasscheiben auch zur planmässigen Abtragung von Lasten einzusetzen. Hier setzt die Arbeit der Expertinnen und Experten des Kompetenzzentrums an, die ihre Kundinnen und Kunden bei der Planung von statischen Glasbauelementen unterstützen.

 

Befestigungstechnik

Die Befestigungstechnik ist das Bindeglied der Fassade zum Rohbau und muss in der Lage sein, alle auftretenden Lasten weiterzugeben. Das Kompetenzzentrum unterstützt seine Kundinnen und Kunden bei der Planung, Auswahl und beim Nachweisen von Befestigungsmittel für Standard- und Spezialanwendungen. Neben Berechnungen können in den Laboren und Prüfeinrichtungen des Kompetenzzentrums auch Versuche durchgeführt werden, um die Eigenschaften von Materialien oder die Festigkeit von Elementen zu bestimmen.

Windengineering

Dank neuer Entwicklungen in der Materialisierung und bei den Berechnungsmethoden werden Tragwerke, Fassadenstrukturen sowie Sonnenschutzsysteme immer filigraner, optimierter und leichter. Die realistische Ermittlung der Windeinwirkung und die dazugehörigen Einflüsse bei filigranen Tragwerken und der Gebäudehülle spielt eine entscheidende Rolle für eine wirtschaftliche und nachhaltige Bemessung. Das Kompetenzzentrum beschäftigt sich seit einigen Jahren mit Themen wie Windströmungen, numerischer Strömungssimulationen (CFD), Windkräften auf bewachsenen Seilfassaden und windinduzierte Schwingungen. Es bietet mit eigenem Know-how und bei Bedarf mit zusätzlicher Kompetenz anderer Kompetenzzentren der Hochschule Luzern – Technik & Architektur Leistungen im Themenbereich Wind für Bauherrschaften, Planungsteams sowie Partnerinnen und -planer aus der Forschung und Industrie.

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Strömungsanalyse

Die Komplexität in der Architektur und der Gebäudehülle erfordert zumeist numerische Simulationen im virtuellen Windkanal. Die Anwendung von numerischen CFD-Simulationen hat sich durch die Software-Entwicklung und die hohen Rechnerleistungen in den letzten Jahren als wichtiges Werkzeug etabliert, was inzwischen zu einer Verankerung in den Tragwerksnormen geführt hat. Das Kompetenzzentrum Gebäudehülle und Ingenieurbau bietet in enger Zusammenarbeit mit dem Kompetenzzentrum Fluidmechanik und Hydromaschinen Leistungen und Kompetenzen in diesem Bereich an, basierend auf Erfahrungen aus unterschiedlichsten Projekten. Das Leistungsspektrum erstreckt sich von Brücken, Gebäuden, Fassadenelementen, Schutz von Sonnenschutzsystemen bis hin zur Untersuchung von Windkomfortanforderungen.

Dynamik

Windinduzierte Schwingungen spielen eine wesentliche Rolle für die Planung und Bemessung von schlanker Konstruktion. Betroffen sind Tragwerke und Bauteile aller Art und Grösse, welche eine tiefe Eigenfrequenz aufweisen. Die Expertinnen und Experten des Kompetenzzentrums unterstützen ihre Kundinnen und Kunden bei der Ermittlung der dynamischen Einflüsse und bei der Optimierung der Konstruktion bezogen auf die Interaktion zwischen Wind und Tragwerk. Neben Berechnungen und Simulationen können in den Laboren und Prüfeinrichtungen des Kompetenzzentrums auch Versuche an Fassadenelementen, Fassadentragwerken und Sonnenschutzsystemen durchgeführt werden, um Produkte normgemäss zu klassifizieren oder den Windwiderstand von Elementen zu überprüfen.

Erdbebeningenieurwesen

Die Auslegung von Gebäuden und Tragelementen gegen Erdbeben gehört zu den anspruchsvollen Aufgaben. Dies aufgrund der komplexen Einwirkung und des nichtlinearen Tragverhaltens bei zyklischer Beanspruchung. Am Kompetenzzentrum sind in den letzten Jahren eine Vielzahl von Projekten in der Forschung, in den Bauteilentwicklungen mit Industriepartnerinnen und -partnern und in der praxisnahen Anwendung erfolgreich bearbeitet worden.

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Das Kompetenzzentrum unterstützt seine Kundinnen und Kunden bei der Beantwortung von Fragen und im Rahmen konkreter Projekte mit seiner Erfahrung und Kompetenz. Neben Bauteilversuchen in den Laboren und Prüfeinrichtungen deckt das Portfolio auch die Simulation mit Hilfe von nichtlinearen Finite-Elemente-Simulationen ab. Letztere kommen insbesondere bei Optimierungsaufgaben und der Produktentwicklung zum Einsatz.

Nichtlineare Finite-Element-Analyse von Stahl- und Spannbetontragelementen

Die vertiefte Analyse von Stahl- und Spannbetonelementen im Grenzzustand der Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit wird mit Hilfe der Finite Elemente Methode unter Berücksichtigung jeglicher Nichtlinearitäten ermöglicht. Auf diese Weise können das Tragverhalten und die vorhandenen Tragreserven bestehender Tragkonstruktionen ermittelt werden. Andererseits kann die konstruktive Durchbildung von neu zu entwerfenden Konstruktionen optimiert werden.

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Die Tragwerksanalyse erfolgt mit Hilfe eines an der Hochschule Luzern implementierten Modells (Publikationen) mit folgenden Merkmalen:

  • Verwendung des an der ETH Zürich entwickelten «gerissenen Scheibenmodells»
  • konsistente mechanische Modellvorstellung
  • Abbildung von schlaffer und vorgespannter Bewehrung