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TP Kroll/Gelbrich

Entwurf und Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit bionisch inspirierten Krafteinleitungssystemen durch Einsatz flexibler GFK-Schalungen



Kurzfassung

Die moderne Architektur wird in den letzten Jahren zunehmend von dem Trend bestimmt, Gebäude organisch mit doppelt gekrümmten Oberflächen zu gestalten. Die Herstellung jener einfach und doppelt gekrümmten großflächigen Tragwerke aus Beton erfordert derzeit komplexe Schalungskonstruktionen, die in der Regel material- und kostenaufwändig sind. Mit den in der ersten Förderperiode entwickelten flexibel formbaren Schalungselementen aus glasfaserverstärktem Kunststoff können als neuer technologischer Lösungsansatz die Defizite weitgehend behoben werden. Dabei wird unter Ausnutzung des anisotropen Strukturverhaltens eine gezielte Einstellung von Krümmungszuständen gestattet.

Die somit hergestellten gekrümmten Tragwerke aus textilverstärktem Beton benötigen allerdings eine große Anzahl an Befestigungselementen zur Verankerung an Gebäuden, die den Leichtbauvorteil derartiger Strukturen zunichtemachen. Folglich sollen zur leichtbaugerechten Gestaltung der Lasteinleitungszonen kraftflussangepasste Lasteinleitungselemente als metallische Fraktal-Inserts entwickelt werden, die eine optimierte „Verzahnung“ der Werkstoffe untereinander und somit einen bestmöglichen Lastabtrag gestatten. Weiterhin soll durch eine variabelaxiale Anordnung des Fadenverlaufs mittels multiaxialer Gelegetechnik mit Kett- und Schussfadenversatz entlang der gekrümmten Kraftflusslinien, insbesondere im Bereich der Lasteinleitung, eine volle Ausnutzung der hohen spezifischen Eigenschaften im Verbundbauteil erreicht werden. Aufgrund der komplexen räumlichen Spannungszustände im Bereich der Krafteinleitungen müssen erweiterte Berechnungs- und Optimierungsverfahren zur Ermittlung kraftflussgerechter Fadentrajektorien herangezogen werden. Zur technologischen Umsetzung der freigeformten Beton-Leichtbauelemente mittels flexibler GFK-Schalung, ist abhängig vom Krümmungszustand eine Anpassung des Feinbetons hinsichtlich Verarbeitungstechnologie und rheologischer Eigenschaften durchzuführen. Dazu soll ein neuronales Netz nach bionischem Vorbild erstellt und das Eigenschaftsprofil der mineralischen Matrix anforderungsgerecht rechnerisch optimiert werden. Für den Berechnungs- und Bauingenieur soll folglich nach Ende der Entwicklungen ein schnelles Programmsystem zur anforderungsspezifischen Einstellung der Betoneigenschaften in Hinblick auf die Textilverstärkungen und Schalungselemente zur Verfügung gestellt werden.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll
lothar.kroll@mb.tu-chemnitz.de
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Dr.-Ing. Sandra Gelbrich
sandra.gelbrich@mb.tu-chemnitz.de
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Bearbeiter/in:

Dipl.-Ing. Andreas Ehrlich
andreas.ehrlich@mb.tu-chemnitz.de
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Dipl.-Ing. Lars Ulke-Winter
lars.ulke-winter@mb.tu-chemnitz.de
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Dipl.-Ing. Henrik Funke
henrik.funke@mb.tu-chemnitz.de
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Dipl.-Ing. Carolin Petzoldt
carolin.petzoldt@mb.tu-chemnitz.de
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Projektlaufzeit:

Phase 2 von 10/2014 bis 09/2017

Die gekrümmten Schalungen zur Herstellung freigeformter Beton-Leichtbauelemente erfordern in Abhängigkeit vom Krümmungszustand und den verwendeten Krafteinleitungssystemen eine gezielte Einstellung der Rheologie des Frischbetons. Dabei werden bestehende Feinbetonrezepturen an die Anforderungen wie Fadenarchitektur, -orientierung, Schichtaufbau, Belastung und Geometrie angepasst. Neben den mechanischen und rheologischen Eigenschaften sollen dabei gleichzeitig Restriktionen hinsichtlich Schalungsform, Technologie und Qualität berücksichtigt werden. Hierfür soll eine Methode entwickelt werden, die eine numerische Beschreibung des Materialsystems in Hinblick auf Herstellungstechnologie und Eigenschaftsspektrums liefert und so den üblichen Versuchsaufwand drastisch minimiert. Dieser Optimierungsalgorithmus dient zur Anpassung des Eigenschaftsprofils mineralischer Matrices, wobei eine Approximation der Einflussgrößen auf mechanische und rheologische Eigenschaften von Rezepturbestandteilen in einem künstlichen neuronalen Netz (KNN) erfolgt (Bild 1). Aufgrund von Adaptionsfähigkeit ist diese künstliche Intelligenz zur Abbildung von Prozessen mit vielen und teilweise unbekannten Einflussgrößen prädestiniert.

Bild 1: Vierstufiges vorwärts gerichtetes künstliches neuronales Netz, wobei durch Hintereinanderschaltung von Neuronen beliebige Funktionen abgebildet werden können

Ausgehend von ermittelten Messdaten werden zunächst freie Parameter einer konkreten Netzstruktur mittels Kombination verschiedener Optimierungsverfahren bestimmt. Anhand einer Regressionsanalyse werden die Abweichungen zwischen den Trainingsdaten der Materialversuche und dem künstlichen Netz minimiert, wodurch ein beispielbasiertes Lernen eine sukzessive Verbesserung der Netzqualität bewirkt. Weiterhin gestattet die Abbildung des Herstellungsprozesses der mineralischen Matrix in Form eines neuronalen Netzes die Bestimmung der zu erwartenden Materialeigenschaften noch unbekannter Rezepturen. Ein Ziel ist dabei, mit Hilfe eines genetischen Algorithmus – der biologische Vererbungskonzepte in abstrakter Form nachahmt – optimale Rezepturen zu extrahieren.

Darüber hinaus liegt ein Schwerpunkt bei der eigenschaftsgerechten Parametrisierung der Eingangs- und Ausgangsgrößen. Als Eingangsgrößen wurden die Materialkonzentrationen der einzelnen Rezepturbestandteile des Feinbetons und als Ausgangsgrößen die zugehörigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Feinbetonmischung definiert (vgl. Bild 2).

Bild 2: Ein- und Ausgangsgrößen sowie Grenzen des künstlichen neuronalen Netzes

Hinsichtlich der Minimierung von Abweichungen zwischen Messdaten und Kennwerten aus dem neuronalen Netz wird bei wachsender Angabe von Trainingsdaten eine repräsentative Anzahl an Herstellungsversuchen durchgeführt. Im Rahmen dieser Fertigungsversuche wurden nun genormte Probekörper mit unterschiedlichen Anteilen der Rezepturbestandteile hergestellt und deren rheologische und physikalische Materialkennwerte des Frischbetons untersucht. Weiterhin wurden am ausgehärteten Beton mechanische und physikalische Untersuchungen durchgeführt. Zudem werden verschiedene Netztopologien des KNN aufgebaut, wobei durch einen Optimierungsprozess innerhalb des KNN die geeignetste Struktur ermittelt wird. Die Grundlage für diesen Optimierungsschritt bildet die grafische Auswertung der Materialkonzentration-Eigenschafts-Zusammenhänge (vgl. Bild 3).

Bild 3: Abbildung der Materialeigenschaften im künstlichen neuronalen Netz in Abhängigkeit von der Anzahl der Trainingsdaten

Als erste Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der unterschiedlichen Feinbetonrezepturen sind beispielhaft in Bild 4 die Druckfestigkeit und das Fließmaß des Feinbetons in Abhängigkeit des Zementgehaltes dargestellt. Dabei zeigt sich erwartungsgemäß eine Steigerung der Druckfestigkeit und des Fließmaßes bei steigendem Zementgehalt der Mischungen mit minimalen, mittleren und maximalen Zementkonzentrationen.

Bild 4: Druckfestigkeit und Fließmaß in Abhängigkeit von der Zementkonzentration der Feinbetonrezeptur

Im Hinblick auf die Diagramme in Bild 3 sind im weiteren Verlauf des Projektes zusätzliche Werte für die Materialkonzentrations-Eigenschafts-Zusammenhänge experimentell bzw. rechnerisch zu ermitteln, wodurch das Lernen des künstlichen neuronalen Netzes unterstützt wird.

Schließlich kann über flexibel einstellbare Bewertungsfunktionen die Konzentration der Materialbestandteile mit gewünschten Materialeigenschaften ermittelt werden.

Veröffentlichungen

[1] Funke, H.; Gelbrich, S.; Ehrlich, A.: Development of a new hybrid material of textile reinforced concrete and glass fibre reinforced plastic. In: Hufenbach, W. A.; Gude, M. (Ed.): Procedia Materials Science 2 (2013) − Materials Science Engineering, Symposium B6 − Hybrid Structures, pp. 103−110
[2] Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.: A New Hybrid Material of Textile Reinforced Concrete and Glass Fibre Reinforced Plastic. Journal of Materials Science Research 2 (2013) 3, pp. 96‑102
[3] Gelbrich, S.; Funke, H.; Ehrlich, A.; Petzoldt, C.; Kroll, L.: Flexible GFK-Schalen zur Herstellung von gekrümmten Textilbeton-Leichtbauelementen. In: TUDALIT e.V. (Hrsg.): Magazin Nr. 9 zur 5. Anwendertagung Textilbeton am 24.–25.9.2013 in Friedrichshafen, S. 10
[4] Funke, H.: Entwicklung eines glasfasermodifizierten Architekturbetons für die Fassadengestaltung des Poseidon-Hauses in Frankfurt a. M. In: Breitenbücher, R.; Mark, P.: Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium. 07.−08.11.2013, Ruhr-Universität Bochum, S. 29−34.
[5] Funke, H.; Gelbrich, S.; Ehrlich, A.: Formation of a new hybrid material of textile reinforced concrete and glass fibre reinforced plastic. In: Proceedings of the 4th International fib Congress 2014, 10.−14.2.2014 in Mumbai (India), Vol. 1, 8 S. (full paper published on CD-ROM)
[6] Funke, H.; Gelbrich, S.; Ehrlich, A.; Kroll, L.: Rheological and mechanical development of a fiber-reinforced concrete for an application in civil engineering. SOJ Materials Science & Engineering 2 (2014) 2, S. 1−4 − doi.org/10.15226/sojmse
[7] Funke, H.; Gelbrich, S.; Ehrlich, A.; Ulke-Winter, L.; Kroll, L.: Unsymmetrical Fibre-Reinforced Plastics for the Production of Curved Textile Reinforced Concrete Elements. Open Journal of Composite Materials (2014) 4, 191−200 − doi: 10.4236/ojcm.2014.44021
[8] Gelbrich, S.; Ehrlich, A.; Petzoldt, C.; Kroll, L.: Flexible fibre reinforced plastic-formworks for the production of curved textile reinforced concrete. In: El-Hacha, R. (Hrsg.): Proceedings of 7th international Conference on FRP Composites in Civil Engineering. 20.−22.8.2014,Vancouver
[9] Kroll, L.; Gelbrich, S.; Funke, H.; Ehrlich, A.; Ulke-Winter, L.; Petzoldt, C.: Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 198−207 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171509
[10] Funke, H. L.; Gelbrich, S.; Ulke-Winter, L; Ehrlich, A.; Kroll, L.: A novel flexible and adjust table fibre-reinforced plastic formwork technology for freeform textile reinforced concrete elements. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 17.–20.8.2015 in Amsterdam (the Netherlands), paper No. IASS2015-479199, 13 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick)
[11] Gelbrich, S.; Funke, H.; Ehrlich, A.; Petzoldt, C.: Integration von freigeformten textilen Bewehrungen zur Herstellung dünnwandiger Betonschalen. In: Tagungsband zur 19. Ibausil, 2015 in Weimar, Band 1, S. 1295-1300
[12] Funke, H.; Gelbrich, S.; Ehrlich, A.; Ulke-Winter, L.; Kroll, L.: Anisotropic fibre-reinforced plastics as formworks for single and double-curved textile reinforced concrete. Journal of Materials Science Research 4 (2015) 1, pp. 36-45 – doi:10.5539/jmsr.v4n1p36, ISSN: 1927-0585 (print), 1927-0593 (online)
[13] Funke, H.; Gelbrich, S.; Ulke-Winter, L.; Kroll, L.; Petzoldt, C.: An application of asymmetrical glass fibre-reinforced platics for the manufacture of curved fibre reinforced concrete. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology 4 (2015) 1, pp. 732-740