Brückenbauwerke mit komplexer Geometrie durch facettierte Flächenelemente aus carbonbewehrtem Ultrahochleistungsbeton - Graphbasierte Zerlegung und trajektoriensensitive Fertigung

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Oliver Fischer Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau

Prof. Dr.-Ing. André Borrmann Technische Universität München, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation

Bearbeiter

Daniel Auer, M. Sc.Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau

Lothar Kolbeck, M.Sc.Technische Universität München, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation

Projektbeschreibung

Die Grundidee des Forschungsvorhabens besteht darin, das Modularisierungsprinzip durch die Verwendung facettierter Strukturelemente aus carbonbewehrtem Ultrahochleistungsbeton [6] für den Massivbrückenbau konsequent weiterzuentwickeln. Dabei ist die Herangehensweise, vergleichbar mit der geometrischen Einteilung von Tragstrukturen in Finite-Elemente, durch systematische Zerlegung der Gesamtstruktur in einfach herzustellende Module gekennzeichnet. Die hierbei einzuhaltenden Randbedingungen ergeben sich einerseits aus strukturmechanischen Eigenschaften, andererseits aus den Anforderungen der Fertigung der Module. Das damit vorliegende komplexe Optimierungsproblem kann nur gelöst werden, indem computergestützte Methoden auf Basis der Konzeption geeigneter Module, deren Fügetechnik und Herstellung angewandt werden. Eine Konzeptskizze der Modulbauweise ist in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1: Konzeptskizze der adaptierbaren Modulbauweise am Beispiel von Trägern mit veränderlicher Höhe einer Balkenbrücke

Der Fokus im Forschungsprojekt liegt dabei auf scheibenartigen Modulen, die durch eine kontrollierte, aber hohe Adaptierbarkeit für eine Vielzahl an potentiell komplexen Bausituationen anwendbar sind. Durch eine graph-basierte Datenmodellierung im Hintergrund und einer prozeduralen Erzeugung der parametrischen Geometrie können diese Module schließlich als leistungsfähige Schnittstelle zwischen Entwurf und Fertigung in einer durchgängigen digitalen Prozesskette verwendet werden. Form und Anpassbarkeit des Moduls ist in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2: An Vielzahl an Bausituationen adaptierbares, vierkantiges Modul als intelligente Schnittstelle von Entwurf und Fertigung, mit kontrollierter, parametrischer Erzeugung mit flexiblen Maßen, Fügemöglichkeiten und flexibler Spanngliedführung

Auf Basis einer trajektoriensensitiven, iterativ optimierten und homogenisierten Ermittlung der Druckpfade kann schließlich die additive Fertigung im Rahmen der vorgegebenen Parametrik automatisiert mithilfe eines Roboters und speziell angepasster Düstentechnik erfolgen, s. Abbildung 3:

Abbildung 3: Trajektoriensensitive Ermittlung des Betonextrusionsdruckpfad (li) und mehrlagiger Druck mit Kuka-Roboter (re.)

Vor der Segmentierung und Fertigung der Module steht immer eine durch den Ingenieur vorgegebene Brückengeometrie. Die Zerlegung der Ausgangsgeometrie in Module erfolgt dabei durch Anwendung eines Graphersetzungssystems. Ein Graphersetzungssystem ist eine Menge an Regeln, bei der jede Regel es erlaubt ein auftretendes Muster in der Produktmodellstruktur von Bauwerken zu erkennen und automatisiert zu entwickeln [2,4,7], beispielsweise eine rekursive Unterteilung eines Trägers bis hin in fertigungsgerechte Segmente. Die geometrische und die semantisch-topologische Entwicklung gehen dabei Hand in Hand, wie es Abbildung 3 exemplarisch zeigt. Neben der Automation von wissensintensiven Prozessen wie der Segmentierung ermöglichen die Graphstrukturen zudem eine intelligente Systematisierung und Strukturierung der Bauwerke, wie es eine rein geometrieorientierte Darstellung nicht leisten könnte.

Abbildung 4: Konzeptskizze zur Illustration der regelbasierten Unterteilung von Brückenträgern mithilfe von Graphersetzungssystemen bis in fertigungsgerechte Maße. Jede rekursive Unterteilung hat dabei eine geometrische (li.) und eine topologisch-semantische (re.) Implikation

Als erste Validierung der Datenmodellierung und der konstruktiven Implikationen der Projektideen wurden bereits die Paulifurtbrücke und eine ebene Projektion des Trumpfstegs modelliert, wie es Abbildung 5 zeigt. Weitere Forschung umschließt eine Ausweitung und Verallgemeinerung für weitere und größere Brückenbauwerke.

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 5: Nachbildungen der Paulifurtbrücke (li.) und des Trumpfstegs zur Illustration der im Forschungsprojekt verfolgten Entwurfs- und Fertigungskonzepte.

Veröffentlichungen

[7] Kolbeck, L.; Vilgertshofer, S.; Abualdenien, S.; Borrmann, A.
Graph Rewriting Techniques for Engineering Design
Frontiers in Built Environment 7, Februar 2022, S. 1–19.

[6] Rutzen, M.; Lauff P., Niedermeier R., Fischer O., Raith M.; Grosse C.; Weiss U., Peter M.; Volkmer D.
Influence of fiber alignment on pseudoductility and microcracking in a cementitious carbon fiber composite material
Materials and Structures, 54:58, 2021. (doi:10.1617/s11527-021-01649-2)

[5] Borrmann, A.; Bruckmann, T.; Dörfler, K.; Hartmann, T.; Smarsly, K.
Towards realizing the information backbone of robotized construction – Computational Methods and cyber-physical architectures for collaborative robotic fleets
In: Proceedings of the CIB W78 Conference, Luxembourg, 2021

[4] Abualdenien, J.; Borrmann, A.
PBG: A parametric building graph capturing and transferring detailing patterns of building models
In: Proceedings of the CIB W78 Conference, Luxembourg, 2021

[3] Slepicka, M.; Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.
Fabrication Information Modeling: Closing the gap between Building Information Modeling and Digital Fabrication
In: Proceedings of the 38th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), Dubai, UAE, 2021

[2] Kolbeck, L.; Auer, D.; Fischer, O.; Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.
Modulare Brückenbauwerke aus carbonfaserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton – Graph-basierter Entwurf und trajektoriensensitive Fertigung
Beton- und Stahlbetonbau 116, Sonderheft Schneller bauen S2, September 2021, S. 24–33.
(https://doi.org/10.1002/best.202100053)

[1] Fischer, O.; Auer, D.; Borrmann, A.; Afzal, M.:
Brückenbauwerke mit komplexer Geometrie durch facettierte Flächenelemente aus carbonbewehrtem Ultrahochleistungsbeton - Graphbasierte Zerlegung und trajektoriensensitive Fertigung.
In: BetonWerk International Nr. 5, 2020, S. 18
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Abschlussarbeiten

2022
[10] Mucheng, X.
Bottom-up design of modular concrete structures utilizing formal grammars
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation, Lothar Kolbeck, M.Sc.

[9] Zhehong, Z.
Parametrische Entwurfsplanung von Brückenbauteilen in Modulbauweise mit statisch optimierter Segmentierung und einem Konzept der adaptiven Detaillierung
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Daniel Auer, M.Sc & Lothar Kolbeck, M.Sc.

2021
[8] Abaría, A.
Development and optimization of a nozzle system for the extrusion of ultra-high-strength concretes with carbon short fibers for use in the additive manufacturing process
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer, M. Sc.

[7] Fernández, B.
Optimization of the material composition of ultra-high-strength concrete formulations with carbon short fibers for application in the additive manufacturing process
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer M. Sc.

[6] Tappeiner, C.
Verbundverhalten der Zwischenschichten lagenweise extrudierter Betone
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer, M. Sc.

[5] Huber, S.
Entwicklung einer Formgrammatik für die statisch optimierte Segmentierung von Brückenbauteilen in Modulbauweise
Bachelor-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation, Lothar Kolbeck, M.Sc.

[4] Hammerschick, S.
Zum Tragverhalten von dehnungsverfestigenden zementgebundenen Hochleistungswerkstoffen
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer, M. Sc.

[3] Färber, A.
Numerische Simulation additiv gefertigter Bauteile aus Carbonkurzfaserbeton
Master-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer, M. Sc.

[2] Klöck, V.
Dokumentation des additiven Fertigungsprozesses hinsichtlich der Anwendung im Betonbau
Bachelor-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer, M. Sc.

[1] Vollherbst, A.
Pumpenförderung von Kurzfaserbetonen
Bachelor-Thesis, Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau, Betreuer: Daniel Auer, M. Sc.