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Intelligente Modularisierung für den skalierbaren Betonbau durch Adaption der Methoden zur Baukastenentwicklung

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Albert Albers Karlsruher Institut für Technologie, IPEK – Institut für Produktentwicklung

Prof. Dr.-Ing. Lothar Stempniewski Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) – Abteilung Massivbau

Bearbeiter

IPEK – Institut für Produktentwicklung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Agemar Manny, M. Sc., Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) – Abteilung Massivbau, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Projektbeschreibung

Modulares Bauen ermöglicht die Vereinheitlichung von Erzeugnissen und Abläufen bei der Bauteilproduktion. Zudem bildet diese Bauweise eine Grundlage, um während des gesamten Produktlebenszyklus Skaleneffekte nutzen zu können. Ultrahochfeste Betone mit Carbon- und Textilbewehrung machen die Errichtung langlebigerer Gebäude möglich, die überdies eine wirtschaftliche sowie ökologische Alternative zum Stahlbeton darstellen. Das Ziel des gemeinsam beantragten Forschungsvorhabens ist der Transfer methodischer Konzepte zur Baukasten- und Plattformentwicklung vom Maschinenbau auf das Bauingenieurwesen sowie die Untersuchung der ultrahochfesten Betonkomponenten des Baukastens und die zwischen diesen vorliegenden Null-Toleranz-Trockenfugen. Standardisierte Module lassen sich kosteneffizient produzieren und sind außerdem später auf der Baustelle zeit- sowie kosteneffizient montierbar. Bei der Ausführung der Segmentierung wird die in Abb. 1 dargestellte Skelettbauweise betrachtet, die aufgrund ihrer hohen Flexibilität im Grund- und Aufriss eine geeignete Bauart zur Anwendung der Baukastenarchitektur darstellt. Der Fokus des Forschungsvorhabens auf Seite des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) - Abteilung Massivbau ist die Entwicklung eines grundlegenden Konzepts zur Errichtung von biegesteifen Rahmenkonstruktionen aus einzelnen Baukasten-Modulen in definierten Baureihen. Die vorgefertigten Elemente sollen mithilfe eingesetzter Spannglieder zu einem Gesamttragwerk verspannt werden. Hierbei stellen sich die Fragen, wie kann die Sicherstellung der statischen Anforderungen an die Kraftübertragung der Null-Toleranz-Trockenfugen, die standardisierte Ausbildung der Schnittstellen zwischen Spannglied und Bauteil, die korrekte Anordnung der Textilbewehrung im Bauteil und die Dimensionierung der Hochleistungsbauteile realisiert werden. Der Fokus seitens des IPEK – Institut für Produktentwicklung liegt auf der Übertragung der Methoden der Baukasten- und Baureihenentwicklung auf die Problemstellungen des Bauingenieurwesens, um die Effizienz- und Effektivitätsvorteile dieser Methode dem Bauingenieurwesen zur Verfügung zu stellen. Die Struktur und die Bausteine des Baukastens werden mittels eines evolutionären Algorithmus definiert, um die optimalen Modulvarianten, mit dem Ziel einer minimalen internen Vielfalt bei hoher externer Vielfalt, zu bestimmen. Dabei stellen sich die Fragen, welche Struktur der Baukasten aufweisen muss, welche Module notwendig und welche Abmessungen möglich sind. Die Erfüllung der Teilziele in diesem gemeinsam beantragten Forschungsvorhaben ermöglicht eine erhebliche Material-, Bauzeit- und somit auch Baukosteneinsparung. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit beider Institute fördert den Wissensaustausch und -transfer zwischen den Domänen Bauingenieurwesen und Maschinenbau.

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 1: Skelettbauweise, Module und Varianten
Abbildung 1: Skelettbauweise, Module und Varianten
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Rahmenendknotens
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Rahmenendknotens

Veröffentlichungen

2022

[6] Manny, A.; Renz, R.; Albers, A.; Stempniewski, L.; Stark, A.
Numerical study on the behaviour of an innovative concrete dry joint: Investigations under shear loading
Proc. of the 14th fib International PhD Symposium in Civil Engineering (Eingereicht)

[5] Renz, R.; Sahin, K.; Albers, A.; Manny, A.; Stark, A.
Intelligente Modularisierung von Gebäuden für den Baukastenentwurf
NAFEMS Seminar: Generative Design und Optimierung (Eingereicht).

[4] Manny, A.; Stempniewski, L.; Albers, A.; Simons, K.
Conceptual Design and Investigation of an Innovative Joint for the Rapid and Precise Assembly of Precast UHPC Elements.
Engineering Structures (Angenommen).

2021

[3] 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. (DOI: 10.1002/cend.202100019)

[2] 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)

2020

[1]    Albers, A.; Stempniewski, L.; Kempf, C.; Manny, A.; Renz, R.; Spadinger, M.:
Intelligente Modularisierung für den skalierbaren Betonbau durch Adaption der Methoden zur Baukastenentwicklung.
In: BetonWerk International Nr. 3, 2020, S. 27
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Abschlussarbeiten

2022

[7] Masterarbeit, Konzeptionelle Entwicklung eines modularen Deckensystems für den Hochbau, 2022.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie – Abteilung Massivbau (IMB), Betreuung: Agemar Manny, M.Sc.

[6] Masterarbeit, Entwicklung einer Bewehrungsführung aus nichtmetallischen Werkstoffen für den Einsatz bei Betonfertigteilen, 2022.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie – Abteilung Massivbau (IMB), Betreuung: Agemar Manny, M.Sc.

[5] Bachelorarbeit, Detektion und Reduktion von produktionsbedingten sowie lastunabhängigen Abweichungen bei hochfesten Betonbauteilen, 2022.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie – Abteilung Massivbau (IMB), Betreuung: Agemar Manny, M.Sc.

2021

[4] Masterarbeit, Entwicklung eines Spannankers mit textiler Wendelbewehrung für den Einsatz bei hochfesten Betonen, 2021.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie – Abteilung Massivbau (IMB), Betreuung: Agemar Manny, M.Sc.

[3] Bachelorarbeit, Modellierung und Optimierung von Baukastensystemen mittels Gemischtganzzahliger Programmierung und Evolutionären Algorithmen, 2021.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), IPEK – Institut für Produktentwicklung

[2] Bachelorarbeit, Textilbeton: Entwicklung einer textilen Bewehrungsführung - Vergleich verschiedener Bewehrungsarten
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie – Abteilung Massivbau (IMB), Betreuung: Agemar Manny, M.Sc.

2020

[1] Bachelorarbeit, Bemessung eines repräsentativen Hochbaus in Skelettbauweise - Vergleich verschiedener Bewehrungsarten
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie – Abteilung Massivbau (IMB), Betreuung: Agemar Manny, M.Sc.