Der digitale Baukasten – Simulationsbasierte Modelle und Methoden für den Entwurf modularer Tragsysteme aus Beton

Projektbeschreibung

Das Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung eines digitalen Baukastens, der es ermöglicht komplexe modulare Tragsysteme aus Beton zu entwerfen (siehe Abb. 1). Hierzu wurden digitale Modelle und entsprechende Methoden implementiert, welche die komplette Entwurfskette vom ersten Vorentwurf über die Detaillierung auf Basis statisch-mechanischer Simulationen bis zur korrekten Begleitung des Montagevorgangs und des Baufortschritts umfassen. Der zentrale Gedanke des Projekts ist die Entwicklung von Tragsystemen, die „Individualität im Großen und Ähnlichkeit im Kleinen“ aufweisen. Ein Hauptaugenmerk ist die Verwendung und in diesem Sinne auch Weiterentwicklung parametrischer Methoden für ein interaktives Computer Aided Design (CAD)-gestütztes Entwerfen, Sensitivitätsanalyse und Optimierung.  
Der dem gesamten Projekt zugrundeliegenden Arbeits- und Simulationsablauf ist in Abb. 2 dargestellt. Dieser wurde in einem Rhino bzw. Grasshopper Plug-In (Cocodrilo) realisiert um bestmögliche Synergien zwischen anderen Teilprojekten zu schaffen. Die in diesem Projekt weiterentwickelten Methoden zur statisch-mechanischen Beurteilung einzelner Teilmodule sowie komplexer Gesamttragwerke basieren auf der Isogeometrischen Analyse (IGA), die es erlaubt Strukturanalysen und Formoptierungen direkt auf der NURBS-basierten CAD Geometrie durchzuführen. Dabei werden einerseits für die Approximation des Lösungsraums Spline-Basisfunktionen samt ihren hochwertigen Eigenschaften (Glattheit und Kontinuität etc.) für die Qualität der Diskretisierung genutzt. Andererseits wird die exakte Ausgangsgeometrie für die Simulation verwendet, ohne sie durch lineare und quadratische Formfunktionen zu approximieren, wie es in der klassischen FEM üblich ist. Diese Technologie wurde mit Quadraturregeln zur Integration getrimmter NURBS-Patches und Formulierungen zur mechanischen Kopplung von angrenzenden Modulen weiterentwickelt, die die Grundlagen für die Analyse komplexer modulare Systeme aus Beton darstellen. Alle methodischen Implementierungen im Bereich Finite Elemente bzw. IGA wurden im open-source und freizugänglichen FE Programm Kratos Multiphysics umgesetzt. Eine Schnittstelle zu Cocodrilo, die von anderen Teilprojekten verwendet werden kann, wurde ebenfalls bereitgestellt.
Darüber hinaus verdeutlicht Abb. 2 die Möglichkeiten der im Rahmen des SPPs entwickelten Methoden zur detaillierten Analyse von Baufortschritten (iii)b. Dabei können einzelne Module des Gesamtsystems individuell zusammengesetzt und einer statisch-mechanischen Beurteilung unterzogen werden. Das Ergebnis dieser beispielhaft dargestellten Studie zeigt, dass neue Spannungsspitzen durch die Segmentierung des Systems entstehen können (siehe (ii)b von Mises stresses, rot eingefärbte Flächen unten links), welche während des Entwurfs berücksichtig werden müssen. Auf Basis dieser Simulationen sollen in der weiteren Forschung Aussagen darüber getroffen werden, wie ein idealer Bauablauf aussehen würde, um etwaige Schäden zu vermeiden. Womöglich können sogar Modulgrenzen danach gesetzt werden.