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TP Schnellenbach-Held

Leichte Platten aus Beton mit biaxialem Lastabtrag als bionische Strukturen



Natürliche Strukturen als Motivation für den Betonbau

Die Ansprüche an die Gestaltung eines Bauwerks in Bezug auf das Erscheinungsbild und die Wirkung in der Umgebung spielen eine immer wichtigere Rolle im Entwurfsprozess. Hierbei geht die Entwicklung hin zu leichten, filigranen und tragfähigen Bauwerken. Der Verbundwerkstoff Stahlbeton besitzt alle Voraussetzungen, um Tragwerke und Bauteile innovativ, naturinspiriert und leicht zu gestalten. Die Natur bietet hierfür ein großes Reservoir an Möglichkeiten zur Adaption, die analysiert und für die Problemstellungen des Massivbaus ausgearbeitet werden können.
Die Adaption von Erkenntnissen aus der Natur setzt das Verständnis dieser Strukturen voraus, jedoch soll keine komplette Kopie der Natur auf die Technik entstehen. Die technischen Randbedingungen und Ansprüche sind zu erkennen und zu bewerten. Bionik bedeutet, dass eine direkte Analogie zur Funktionalität der natürlichen Struktur vorhanden ist.
In diesem Forschungsvorhaben wird das Ziel verfolgt, den innovativen Leichtbau mit Beton materialsparend, tragfähig und filigran zu gestalten. Die Entwicklung der unterschiedlichen Strukturen im Rahmen der ersten Forschungsphase basierte auf den Arbeitsschritten ‘Formfindung unter Einsatz von Optimierungsmethoden‘, ‘Finite-Elemente-Berechnungen‘ sowie ‘experimentelle Untersuchungen‘.

Finalisierung des Projektes

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer leichten tragfähigen Plattenstruktur mit biaxialem Lastabtrag und naturinspiriertem Kraftfluss. Durch den Einsatz Evolutionärer Algorithmen und unter Berücksichtigung der biologischen Wachstumsregel werden adaptierte Strukturen optimiert. Das Tragverhalten der Plattensysteme soll durch den Einsatz bionischer Strukturen hinsichtlich der Tragfähigkeit und des Materialeinsatzes verbessert werden. Durch die Anwendung bionischer Strukturen sollen die Vorteile eines natürlichen Kraftflusses genutzt werden, um langlebiger, nachhaltiger und tragfähiger zu bauen. Es wurden drei Grundstrukturen nach natürlichen Vorbildern entwickelt, die in der zweiten Forschungsphase weiter untersucht und mit Detailoptimierungen final ausgearbeitet werden. Bei den Strukturen handelt es sich um eine spinnennetzartige Bewehrungsanordnung, Querschnittsgestaltung (z. B.: Rippen) sowie Hohlkörper. Die Simulation und Optimierung dieser Strukturen wird unter Einsatz physikalisch nichtlinearer Finite-Elemente-Analysen wirklichkeitsnah durchgeführt.

Zusammenfassung

Die Natur bietet für viele Problemstellungen des Massivbaus Lösungs- bzw. Optimierungspotentiale. Durch die Entwicklung und den Einsatz bionischer Strukturen lässt sich das Tragverhalten beeinflussen und verbessern. Hierfür müssen sinnvolle Optimierungs- und Adaptionsprozesse durchgeführt werden. Mit der Simulation des physikalisch nichtlinearen Bauteilverhaltens unter Einsatz der FEM lassen sich komplexe Strukturen wirklichkeitsnah darstellen. In diesem Forschungsvorhaben werden drei bionische Plattenstrukturen untersucht und für den Betonbau adaptiert.
Durch Adaption einer hauptspannungsorientierten Bewehrungsanordnung nach dem Funktionsprinzip des Spinnennetzes konnte ein sehr duktiles Bauteilverhalten vor dem Versagen erreicht werden. Unter den gegebenen Randbedingungen verbesserte sich das Verformungsverhalten gegenüber einer Referenzplatte über 90% des gesamten Belastungszeitraums bei vergleichbarem Tragverhalten. Aktuelle nichtlineare Simulationen lassen weiteres Optimierungspotential hinsichtlich der Tragfähigkeit und der Bruchlast vermuten.
Die entwickelte bionische Rippendecke weist gegenüber einer Referenzplatte mit äquivalentem Materialeinsatz sowie einer konventionellen Rippendecke eine erhöhte Biegesteifigkeit auf.
In der dritten Arbeitsphase wird das Tragverhalten von Hohlkörperdecken u.a. in einer numerischen Vergleichsstudie untersucht. Es zeigte sich, dass durch eine sinnvolle Anordnung und Kombination unterschiedlicher Hohlkörperformen ein Einfluss auf das Tragverhalten und den effektiven Materialeinsatz genommen werden kann.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Martina Schnellenbach-Held
m.schnellenbach-held@uni-due.de
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Bearbeiter/in: Dipl.-Ing. Jan-Eric Habersaat
jan-eric.habersaat@uni-due.de
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Projektlaufzeit:

Förderphase 2 von 10/2014 bis 09/2015

Veröffentlichungen

[1] Schnellenbach-Held, M.; Habersaat, J.-E.: Bionik im Betonbau − Natürliche Strukturen und Konstruktionen als Inspiration für den Betonbau. Bauingenieur 88 (2013) 5, S. 205−213
[2] Habersaat, J.-E.: Innovative Bewehrungsanordnung nach dem Funktionsprinzip des Spinnennetzes. 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. 35−40
[3] Schnellenbach-Held, M.; Habersaat, J.-E.: Bionic Optimization of Concrete Structures by Evolutionary Algorithms. Structural Engineering International (2014) 2, S. 229−235
[4] Schnellenbach-Held, M.; Habersaat, J.-E.: Leichte Platten aus Beton als bionische Struktur. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 102−111 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171410