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Sobek / Sawodny / Reinhardt / Garrecht

Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen – Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung



Kurzvorstellung

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erforschung von Entwurfs- und Berechnungsverfahren sowie von Methoden zur automatisierten Herstellung von funktional gradierten Betonbauteilen. Funktional gradierte Bauteile sind durch eine ortsabhängige kontinuierliche Eigenschaftsänderung in bis zu drei Raumrichtungen charakterisiert.

Die Gradierung ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen an das Bauteil abzustimmen. Damit greift dieses Forschungsvorhaben den Leitsatz des Schwerpunktprogramms form follows force auf und ergänzt diesen um den Aspekt der Optimierung der inneren Bauteilstruktur, unabhängig von der äußeren Bauteilgeometrie. Bei der Erforschung der Gradierung von Bauteilen werden keine neuen Werkstoffe entwickelt, sondern bekannte und bewährte Werkstoffe werden entsprechend ihres Eigenschaftsprofils im Bauteil so angeordnet, dass eine optimale Erfüllung des Anforderungsprofils eines Bauteils entsteht.

Mit gradierten Bauteilen können sortenreine sowie multifunktionale Bauteile hergestellt werden, beispielsweise sandwichartige Außenwände mit porösem Dämmbetonkern und einer zunehmenden Verdichtung in den Deckschichten. Das große Potential zur Einsparung von Masse, Material und grauer (embodied) Energie sowie eine verbesserte Rezyklierbarkeit sind die wesentlichen Vorteile des Ansatzes.

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Werner Sobek
werner.sobek@ilek.uni-stuttgart.de
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Prof. Dr.-Ing. habil. Oliver Sawodny
oliver.sawodny@isys.uni-stuttgart.de
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Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Hans-Wolf Reinhardt
reinhardt@iwb.uni-stuttgart.de
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Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht
harald.garrecht@iwb.uni-stuttgart.de
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Bearbeiter/in:

Dipl.-Ing. Michael Herrmann
michael.herrmann@ilek.uni-stuttgart.de
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Dipl.-Ing. Jan Mittelstädt
jan.mittelstaedt@ilek.uni-stuttgart.de
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Dipl.-Ing. Claudia Wolf
claudia.wolf@ilek.uni-stuttgart.de
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Dr.-Ing. Walter Haase
walter.haase@ilek.uni-stuttgart.de
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Dipl.-Ing. Mark Wörner
mark.woerner@isys.uni-stuttgart.de
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Dipl.-Ing. Sören Sippel
soeren.sippel@iwb.uni-stuttgart.de
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Projektlaufzeit: von 04/2012 bis 04/2015
 

Forschung im Projekt

Die spezifische Forschungstätigkeit im Bereich der Betontechnologie basiert derzeit auf der Entwicklung von zwei Referenzmischungen, im Folgenden als Mischung I und Mischung II bezeichnet. Mischung I bildet die Eigenschaft minimaler Porosität mit zugehörig maximaler Festigkeit ab. Mischung II besitzt gegenläufige Eigenschaften mit maximaler Porosität und zugehörig geringer Festigkeit. Die konträren Anforderungen aus statischer und bauphysikalischer Sicht werden hierbei über Grenzbetrachtungen berücksichtigt. Die Mischungen I und II bestehen aus möglichst wenigen Komponenten, um einerseits eine Veränderung der Zusammensetzung und andererseits die Anpassung auf die jeweiligen Herstellungsverfahren zu ermöglichen. Erste Ergebnisse der praktischen Umsetzung der Herstellungsverfahren zeigen bereits bei manueller Durchführung das Potential dieser Verfahren hinsichtlich der Möglichkeit, fließende Porositätsverläufe herzustellen.

Herstellungsansätze und Ergebnis einer unidirektionalen Dichtegradierung im Bauteilquerschnitt: volumenspezifische Vermischung der Ausgangsmischungen in der Einbringvorrichtung mit anschließendem Schichtauftrag (links); volumenspezifische Vermischung der Ausgangsmischungen während des Materialauftrages mittels Trockenspritzen (rechts) [7].


Ergebnis einer bidirektionalen Dichtegradierung mittels Schichtauftrag (links); Druckfestigkeit von Mörtelprismen (40 × 40 × 160 mm) vs. Trockenrohdichte anhand diskreter Mischungsverhältnisse ausgehend von zwei Referenzmischungen I und II (rechts) [2].

Ein zentraler Aspekt bei der Erforschung der Gradientenbetontechnologie ist die Entwicklung von Herstellungsmethoden für eine zielgenaue, reproduzierbare Steuerung der Porositätsverläufe innerhalb der Bauteile. Die zwei Verfahren Schichten und Trockenspritzen haben sich im Rahmen der Forschungstätigkeit der Verfasser als zielführend herausgestellt. Eine Automatisierung erscheint angesichts der Komplexität und Detailgüte der angestrebten Realisierung notwendig. Wesentlich für die zukünftige Forschung ist die Kopplung materieller Anforderungen mit Fragestellungen der Regelung und Steuerung einer automatisierten Herstellung. Hierzu wurde im Rahmen der Forschungsarbeit ein Manipulator entwickelt und befindet sich derzeit in der Realisierung. Dieser erlaubt die systematische Einstellung und Untersuchung der prozessdeterminierenden Variablen des Applikationssystems für das Schichten und Trockenspritzen. Die Düsenführungsbewegung wird dabei mittels eines Schwerlast-Portalsystems ausgeführt, welches 3 Freiheitsgrade und einen quaderförmigen Arbeitsraum besitzt (Länge 3 Meter, Breite 3 Meter, Höhe 1.5 Meter). Zur dreidimensionalen Orientierung der Ausbringvorrichtung respektive Düse und zur Realisierung von unterschiedlichen Düseneigenbewegungen wird am Portal eine sogenannte Stewart-Gough-Plattform mit 6 Freiheitsgraden montiert. Insgesamt besitzt der entwickelte Manipulator 9 Freiheitsgrade, wobei durch die Redundanz einzelner Freiheitsgrade eine energieeffiziente und zeitoptimale Applikation des Spritzbetons realisiert werden kann. 

Applikationssystem zur Herstellung funktional gradierter Betonbauteile



Automatisierung in der Betontechnik: Düsensystem, Regelung und Trochenspritzmaschinen


 



Prototyp zum automatisierten Herstellen gradierter Betonbauteile: Portal (oben) und Hexapod (unten)

Der automatisieren Herstellung geht der Entwurf dichtegradierter Bauteile voraus. Die Entwicklung der optimalen Eigenschafts- und Materialverteilung im Bauteil, des sogenannten "Gradientenlayouts", stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Die Strukturoptimierung stellt hierfür ein geeignetes Vorgehen dar. Grundlage der numerischen Optimierung bildet eine materiell nichtlineare Simulation, welche das Verhalten gradierter Bauteile zutreffend beschreibt. Erste Simulationen wurden mit dem kommerziellen Finite-Elemente-Programm ABAQUS durchgeführt. In einem ersten Schritt wurden bestehende Referenzversuche [7] mit einem diskreten Schichtenaufbau materiell nichtlinear simuliert. Die verwendeten Materialmodelle konnten anhand experimentell ermittelter Festbetoneigenschaften kalibriert werden. Diese Ausgangssimulation bildet die Grundlage der numerischen Optimierung. Die Topologieoptimierung als Teil der Strukturoptimierung beschäftigt sich mit der optimalen Materialverteilung in einem Entwurfsraum. Dabei wird im Laufe der Optimierungsschleifen Material entnommen oder umgelagert. Die verbleibende Struktur ist unter einer gegebenen Belastung möglichst voll ausgenutzt (fully stressed design). Die Ziele und Herangehensweisen der Topologieoptimierung decken sich mit dem Ansatz der Dichtegradierung eines Bauteils. Die Optimierung wurde im materiell linear elastischen Bereich durchgeführt. Als Designvariable der Optimierungsaufgabe dient die relative Dichte. Zwischen der Designvariable und dem E-Modul und damit der gewählten Betonmischung besteht ein exponentieller Zusammenhang. Als Optimierungsziel dient die Minimierung der mittleren Nachgiebigkeit. Im Vergleich zur Referenzsimulation kann die Steifigkeit bei gleichem Materialeinsatz deutlich erhöht oder die Bauwerksmasse bei gleichbleibender Steifigkeit weiter reduziert werden. Ergebnis des Optimierungsprozesses ist ein digitaler Bauplan, welcher die zugehörige Dichte zur räumlichen Position im Bauteil enthält und die Grundlage für den Übertrag hin zur automatisierten Fertigung liefert.

Das Forschungsvorhaben wird in enger Kooperation zwischen den Instituten für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) und Systemdynamik (ISYS) der Universität Stuttgart bearbeitet. Hierdurch ist die Abdeckung des beschriebenen erforderlichen Kompetenzspektrums gewährleistet.

Das Projekt soll 2015 in einer Reportage bei Arte vorgestellt werden. Hier Ausschnitt aus der Arte-Reportage "Architektur und das Wetter": Video

Veröffentlichungen

[1] Heinz, P.; Herrmann, M.; Sobek, W.: Herstellungsverfahren und Anwendungsbereiche für funktional gradierte Bauteile im Bauwesen. Abschlussbericht Forschungsinitiative Zukunft Bau (1/2011), Stuttgart: ILEK, 2011
[2] Herrmann, M.; Sobek, W.: Zur Gradientenbetontechnologie und deren Anwendung auf gewichtsreduzierte einachsige Bauteile. In: Deutscher Bautechnik-Tag 2013, Hamburg: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., 04.2013, S. 55–56
[3] Herrmann, M.; Haase, W.: Tragverhalten biege- und querkraftbeanspruchter Bauteile aus funktional gradiertem Beton. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 6, S. 382–394
[4] Herrmann, M.; Mittelstädt, J.; Wörner, M.; Sippel, S.; Sobek, W.; Sawodny, O.; Reinhardt, H.-W.: Precast components made from functionally graded concrete. Concrete Plant International (2013) 6, S. 44–49
[5] Herrmann, M.; Mittelstädt, J.; Wörner, M.; Sippel, S.; Sobek, W.; Sawodny, O.; Reinhardt, H.-W.: Optimalstrukturen aus funktional gradiertem Beton − Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium in Bochum, 07.−08.11.2013, Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 41−46
[6] Wörner, M.; Sawodny, O. : Automatisierter Prozess zur Herstellung funktional gradierter Betonbauteile. Erfindungsmeldung Az 0521.9-12/1019 (eingereicht 10/2013)
[7] Herrmann, M.: Weiterentwicklung der Gradientenbetontechnologie und deren Anwendung auf gewichtsreduzierte einachsige Bauteile, Dissertation. Universität Stuttgart, voraus. 2014
[8] Wörner, M.; Sawodny, O.: Hybrider Manipulator zur Herstellung funktional gradierter Betonbauteile. (Zur Veröffentlichung eingereicht bei at-Automatisierungstechnik im Mai 2014)
[9] Wolf, C.; Herrmann, M.; Haase, W.; Sobek, W.: Entwurf und Herstellung von Optimalstrukturen aus funktional gradiertem Beton. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 112−121 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171424
[10] Sippel, T. S.; Reinhardt, H.-W.: Mischungsentwicklung für funktional gradierten Betonbau. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag Institut für Massivbau der TU Dresden, 2014, S. 162–167 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171477
[11] Wörner, M.; Sawodny, O.: Automatisierte Herstellung funktional gradierter Betonbauteile. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag Institut für Massivbau der TU Dresden, 2014,  S. 168–175 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171483