Koordinationsprojekt

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mark Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau

Bearbeiter

Dr.-Ing. Patrick Forman Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau

Vera Langanke, M.A. Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau

Projektbeschreibung

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.

Poster zu den Projektinhalten

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.

Veröffentlichungen

2023

[25] Kolbeck, L.; Kovaleva, D.; Manny, A.; Stieler, D.; Rettinger, M.; Renz, R.; Tošić, Z.; Teschemacher, T.; Stindt, J.; Forman, P.; Borrmann, A.; Blandini, L.; Stempniewski, L.; Stark, A.; Menges, A.; Schlaich, M.; Albers, A.; Lordick, D.; Bletzinger, K.-U.; Mark, P.
Modularisation Strategies for Individualised Precast Construction—Conceptual Fundamentals and Research Directions
Designs 2023, 7, 143. https://doi.org/10.3390/designs7060143

[24] Mark, P.; Forman, P.; Hoppe, J.
Sustainable concrete engineering - strategies for existing and new structures
In: Book of abstracts of the 20th international symposium of MASE, Resilient Structures, ed. Nakov, D., 2023, p. 12.

[23] Forman, P.
Nachhaltig miteinander (Editorial)
Bautechnik 100(8), 2023, S. 443. https://doi.org/10.1002/bate.202370803

[22] Forman, P.; Mark, P.
Wandelbarkeit von modularen Tragstrukturen
BetonWerk International Nr. 4, 2023, S. 30–31

[21] Haist, M.; Bergmeister, K.; Fouad, N.A.; Curbach, M.; Deiters, M.V.; Forman, P.; Gerlach, J.; Hatzfeld, T.; Hoppe, J.; Kromoser, B.; Mark, P.; Müller, C.; Müller, H.S.; Scope, C.; Schack, T.; Tietze, M.; Voit, K.
Nachhaltiger Betonbau – Vom CO2- und ressourceneffizienten Beton und Tragwerk zur nachhaltigen Konstruktion
In: Bauphysik-Kalender, Schwerpunkt: Nachhaltigkeit, Fouad, Nabil A. (Hrsg.), Ernst & Sohn, Berlin, 2023, S. 259–363. https://doi.org/10.1002/9783433611289.ch9

[20] Mark, P.
Wandelbar (Editorial)
Beton- und Stahlbetonbau 118(2), 2023, S.75. (https://doi.org/10.1002/best.202370203)

2022

[19] Haist, M.; Bergmeister, K.; Curbach, M.; Deiters, M. V.; Forman, P.; Gaganelis, G.; Gerlach, J.; Mark, P.; Moffat, J.; Müller, C.; Müller, H.S.; Reiners, J.; Schack, T.; Scope, C.; Tietze, M.; Voit, K.
Climate limit state (CLS) for building structures – a possible companion of ULS, SLS and durability limit states
In: Stokkeland, S. & Braarud, H. C. (Hrsg.), Concrete Innovation for Sustainability: Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16. June 2022, Oslo: Novus Press, 2022, S. 143–152.

[18] Forman, P.; Stieler, D.; Mark, P.; Menges, A.
Adaptive Modulbauweisen mit Methoden der Fließfertigung
In: Nguyen, V.T.; Krüger, M.; Freytag, B.; Laggner, T.M. (Hrsg.), 5. Grazer Betonkolloquium: Beton Graz ’22. Verlag der TU Graz, S. 79-86

[17] Forman, P.; Penkert, S.; Pfahl, A.; Schnell, J.; Mark, P.
Development of a modular concrete heliostat prototype
AIP Conference Proceedings 2445, 120013, 2022. https://doi.org/10.1063/5.0086016

[16] Mark, P.; Forman, P.
Industrialisierung der Fertigteilbauweise – das Schwerpunktprogramm 2187
BFT International 88(6), 2022, S. 77.

[15] Forman, P.; Mark, P.
Fertigungstoleranzen von Betonfertigteilen für die modulare Bauweise
Beton- und Stahlbetonbau 117(5), 2022, S. 286-295. (https://doi.org/10.1002/best.202200007)

[14] Haist, M.; Bergmeister, K.; Curbach, M.; Forman, P.; Gaganelis, G.; Gerlach, J.; Mark, P.; Moffatt, J.; Müller, C.; Müller, H. S.; Reiners, J.; Scope, C.; Tietze, M.; Voit, K.
Nachhaltig konstruieren und bauen mit Beton
In: Betonkalender 2022, Hrsg. Bergmeister, K.; Fingerloos, F. & Wörner, J.-D.; Ernst & Sohn, Berlin, 2022, S. 421–531. (ISBN 978-3-433-03344-9)

2021

[13] Forman, P.; Glock, C.; Mark, P.
Schnelles Bauen – Motivation, Historie und Konzepte
Beton- und Stahlbetonbau 116, Sonderheft Schneller bauen S2, September 2021, S. 2–11.
https://doi.org/10.1002/best.202100064

[12] Forman, P.; Mark, P.
Interaktionsbemessung für schlanke Querschnitte aus UHPC
Beton- und Stahlbetonbau 116(8), 2021, S. 607–619. (https://doi.org/10.1002/best.202100026)

[11] Mark, P.; Lanza, G.; Lordick, D.; Albers, A.; König, M.; Borrmann, A.; Stempniewski, L.; Forman, P.; Frey, A.; Renz, R.; Manny, A.; Stindt, J.
Industrializing precast production – adaptive modularized constructions made in a flux
Civil Engineering Design 3(3), 2021, pp. 87–98. https://doi.org/10.1002/cend.202100019

[10] Mark, P.; Lanza, G.; Lordick, D.; Albers, A.; König, M.; Borrmann, A.; Stempniewski, L.; Forman, P.; Frey, A.; Renz, R.; Manny, A.
Vom Handwerk zur individualisierten Serienfertigung – Schwerpunkt adaptive Modulbauweisen mit Fließfertigungsmethoden
Bautechnik 98(3), 2021, S. 243–256. https://doi.org/10.1002/bate.202000110

[9] Gaganelis, G.; Forman, P.; Mark, P.
Stahlbeton optimiert – für ein Mehr an Weniger
In: Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Klimaschutz, Hauke, B., Institut Bauen und Umwelt e.V., DGNB e.V. (Hrsg.), Ernst & Sohn, Berlin, 2021, S. 159-167. (ISBN 978-3-433-03334-0)

[8] Mark, P.; Forman, P.
Schneller Bauen mit adaptiven Serienbauteilen – das Schwerpunktprogramm 2187
BFT International 87(2), 2021, S. 57.

[7] Forman, P.; Penkert, S.; Mark, P.; Schnell, J.
Heliostate aus UHPC – modularer Ultraleichtbau
BFT International 87(2), 2021, S. 40-41.

2020

[6] Forman, P.; Penkert, S.; Mark, P.; Schnell, J.
Design of modular concrete heliostats using symmetry reduction methods
Civil Engineering Design 2(4), 2020, pp. 92–103. https://doi.org/10.1002/cend.202000013

[5] Forman, P.; Mark, P.
Generalisierungsmethoden für den modularen Präzisionsschnellbau
In: BetonWerk International Nr. 4, 2020, S. 18-19
Link zum Artikel

[4] Mark, P.; Forman, P.
Modulare Vorfertigung zum schnellen Leichtbau
In: BetonWerk International Nr. 3, 2020, S. 24-25
Link zum Artikel

[3] Mark, P.; Forman, P.
Interdisziplinäre Zusammenarbeit von Massivbau, Produktionstechnik und Bauinformatik – Präzisionsschnellbau der Zukunft
In: BFT International 86(2), 2020, S. 11

2019

[2] Mark, P.; Forman, P.
Schneller Bauen mit intelligenter Vorfertigung – das Schwerpunktprogramm 2187
In: DBV-Rundschreiben 263, Hrsg. Deutscher Beton und Bautechnik-Verein, Berlin, 2019, S. 12 – 15

[1] Forman, P.; Mark, P.
DFG Schwerpunktprogramm 2187: Adaptive Modulbauweisen mit Fließfertigungsmethoden – Präzisionsschnellbau der Zukunft
BetonWerk International 85(6), 2019, S. 12-14
Link zum Artikel

Abschlussarbeiten

2025

[9] Gerstenberg, J.
Untersuchung der Tragfähigkeit von bewehrten Betonquerschnitten aus hochfestem Beton mit erhöhten Dehnungsgrenzen
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[8] Reyers, J.
Entwurf eines Brückentragwerks aus wiederverwendeten Stahlbetonelementen
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[7] Antonczyk, M.J.
Entwurf und bauliche Durchbildung eines Demonstrators aus modularen Betonfertigteilen
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

2023

[6] Dannemann, L.
Optimierungsstrategien für Baureihenfolgen von Modultragwerken
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[5] Burkardsmaier, L.
Experimentelle Untersuchungen zur additiven Verbindung von Stahlbetonbauteilen
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

2021

[4] Marjanovic, J.
Machbarkeitsstudie zur Erneuerung von sohloffenen Bahntunneln mit Fertigteilen
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[3] Müller, D.
M-N-Interaktionsbemessung von Stahlbetonfertigteilen aus Hochleistungsmaterialien unter Berücksichtigung von Umweltwirkungen
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

2020

[2] Heußner, L.
Sensitivitätsanalyse von modularen Baustrukturen mit prozessbedingter Unschärfe
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum.

[1] Koke, S.
Entwicklung von M-N-Interaktionsdiagrammen für Stahlbetonquerschnitte aus ultra-hochfestem Beton unter Berücksichtigung geometrischer Unschärfe
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum.