Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mark Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau
Dr.-Ing. Patrick Forman Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau
Vera Langanke, M.A. Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau
Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, die grundlegenden wissenschaftlichen Methoden für eine Herstellung von teiladaptiven Modulen aus Hochleistungsbeton in industrieller Fließfertigung zu entwickeln. Die Module sollen Seriencharakter besitzen und im Schnellbau assemblierbar sein. Die optische Individualität der zusammengesetzten Tragstruktur ist dabei zu erhalten, so dass skalierbare, adaptive und auch über die Nutzungszeit wandelbare Module und passende Fertigungskonzepte gesucht sind. Wissenschaftlich Entwicklungen erfolgen in den drei konkreten Forschungsfeldern: Entwerfen und Konstruieren unter dem Aspekt der Modularisierung, Fertigungsstrategien und Produktionskonzepte für skalierbare Module sowie durchgängig digitale Modelle für die Prozesse.
Die Generalisierung und Zusammenführung der Entwicklungen im Programm erfolgen grundlagenorientiert methodisch aus dem Zentralprojekt heraus. Es liefert ganzheitlich methodisch geschlossene Konzepte für die angesprochenen Stab- wie Flächenstrukturen, sämtliche Schritte des Batch-Prozesses der Produktion und ihre digitale Verknüpfung. Dies erfolgt längs der angesprochenen Felder aber auch verknüpfend dazwischen. Ziele sind ebenen übergreifende, allgemeingültige Konzepte für Modulstrukturen (System, Modul, Detail), zur generellen Etablierung und Kopplung von Qualitätssicherungsmaßnahmen und die Identifikation von erreichbaren Genauigkeiten bzw. unvermeidlichen Unschärfen, was sich nur übergreifend ganzheitlich erforschen lässt und sich in der Datenakquise aus den Teilprojekten generiert. Es führt den Verbund kohärent zusammen und dient dem Schluss von Lücken insgesamt. Inhaltlich wird die Vernetzung durch den Anschluss aller Teilprojekte an eine digitale Gesamtrepräsentation eingefordert. Entsprechende Plattformen und Softwarestrukturen werden aus einem Zentralprojekt heraus initiiert, etabliert und weiterentwickelt. Eigens motivierte Interaktionsketten zwischen den Teilprojekten und Benchmarks zeigen erste methodisch verbundene Teilabschnitte und exemplarische Gesamtkonzepte.
Die wissenschaftlichen Entwicklungen des Zentralprojekts dienten in der ersten Förderperiode in der Regel dem Lückenschluss und behandelten übergeordnete Themenbereiche. Diese lassen sich in Generalisierungskonzepte zur Bewertung der Tragfähigkeit von Modulen, der Ableitung von geometrischen Toleranzen modularer Tragwerke sowie der sensitivitätsbasierten Bewertung ebendieser zusammenfassen.
Die Tragfähigkeitsbewertung von Modulen gelingt anhand von generalisierten M-N Interaktionsdiagrammen. Diese wurden für die spezifischen Anforderung von materialminimierten, hochpräzisen Modulen erweitert. Mithilfe von Lamellenmodelle können beliebige Querschnittswerte sowie verschiedene Materialmodelle über entsprechende Festigkeiten und Grenzdehnungen abgedeckt werden. Für eine praktische Anwendung erfolgte dies initial für Hochleistungsbeton mit klassischer Stahlbewehrung. Geometrische Unschärfen, welche insbesondere bei sehr schlanken Bauteilen von Bedeutung sind, wurden als normierte Streuungen, z. B. der Bewehrungslagen oder der Querschnittshöhe, mittel Latin Hypercube Sampling in den Lösungsalgorithmus integriert. Die resultierenden Scharen von Interaktionskurven können anschließend in Fraktilwerte zur Bemessung umgewandelt werden.
Die geometrischen Unschärfen von einzelnen Modulen wurden generalisiert über Toleranzen von Prozessschritten sowie in Abhängigkeit des Materials bestimmt. Die Überlagerung dieser Unschärfen erfolgte nach Gauß‘scher Varianzfortpflanzung zur Superposition von Verteilungsfunktionen. In einem zweistufigen Ansatz wurden so Toleranzen von Modulen in Abhängigkeit der Fertigung infolge Schalung, Sorgfalt, Vermessung und Temperaturdifferenzen zwischen Herstellung und Montage bestimmt. Anschließend konnten diese für unterschiedliche Modulgrößen sowie definierten Fertigungsverfahren zu modularen Strukturen zusammengeführt und Tragwerkstoleranzen abgeleitet werden. Es resultieren erzielbare Tragwerkstoleranzen in Abhängigkeit der Fertigungsverfahren. Rückwärtsblickend können dann wiederum erforderliche Modultoleranzen für gegebene Strukturen bestimmt werden.
Zur Integration der geometrischen Unschärfen von Modulen auf die Tragstruktur wurden die Abweichungen der äußeren Modulabmessungen als äquivalenter Temperaturansatz hergeleitet. Eine Temperaturdifferenz auf ein Modul bewirkt dabei die geforderte Formabweichung der geometrischen Modulunschärfe. Um die Sensitivitäten der Unschärfe einzelner Module auf die Tragstruktur zu identifizieren ist zudem ein Sensitivitätsanalyse auf Basis der elementaren Effekte Methode entwickelt worden. Über die Änderung der Ungenauigkeiten einzelner Module kann so der Einfluss dieser auf die Verformungen der Gesamtstruktur bewertet werden. Anhand dieser Bewertung erfolgte eine Neuverteilung von Modulen in den untersuchten Strukturen, und zwar so, dass Module mit geringen Ungenauigkeiten in sensible Bereiche angeordnet wurden. Durch diese gesteuerte Anordnung der Module wird die Tragwerksverformungen maßgeblich reduziert.
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Letzte Änderung: 18. Dez. 2023
