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

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Kai-Uwe Bletzinger Technische Universität München, Lehrstuhl für Statik

Bearbeiter

Dagmawi Bekel, M. Sc. Technische Universität München, Lehrstuhl für Statik

Tobias Teschemacher, M.Sc., M.Sc. Technische Universität München, Lehrstuhl für Statik

Projektbeschreibung

Das Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung eines digitalen Baukastens, der es ermöglicht komplexe modulare Tragsysteme aus Beton zu entwerfen. Hierzu sollen digitale Modelle und entsprechende Methoden implementiert werden, die die komplette Entwurfskette vom ersten Vorentwurf über die Detaillierung, statisch-mechanische Simulation und Auslegung bis zur korrekten Begleitung des Montagevorgangs und des Baufortschritt umfassen. Der zentrale Gedanke des Projekts ist die Entwicklung von Tragsystemen, die „Individualität im Großen und Ähnlichkeit im Kleinen“ aufweisen. Ein Hauptaugenmerk soll die Verwendung und in diesem Sinne auch Weiterentwicklung parametrischer Methoden für ein interaktives Computer Aided Design (CAD)-gestütztes Entwerfen, Sensitivitätsanalyse und Optimierung sein (Abb. 1).  
Als methodische Grundlage wird die Isogeometrische Analyse (IGA) gewählt. Hier handelt es sich um eine Finite Elemente Methode (FEM), welche zwei wesentliche Aspekte vereint. Einerseits werden für die Approximation der Lösungen Spline-Basisfunktionen, samt ihrer hochwertigen Eigenschaften (Glattheit und Kontinuität etc.) für die Qualität der Diskretisierung genutzt. Andererseits wird die exakte Ausgangsgeometrie für die Simulation verwendet, ohne diese wie in der klassischen FEM üblich durch lineare und quadratische Formfunktionen zu approximieren. Zum Erreichen der genannten Ziele ist IGA die ideale Technologie, da es ein interaktives und parametrisches Arbeiten unterstützt.
Zur Umsetzung des Forschungsvorhabens sollen zunächst folgende Aspekte bearbeitet werden:
•    Definition der Modulraster, Parametrisierung der „äußeren Modulgeometrie“
•    Definition und Parametrisierung der Modulelemente, „innere Modulgeometrie“
•    Kopplung der Modulelemente
•    Scheitrechtes Fügen von Modulelementen, Gewölbemodelle, Fügereihenfolge
•    Erweiterung der Daten- und CAD-Modelle um statisch-mechanische Aspekte
•    Simulation und Sensitivitätsanalyse der Module und des Gesamtsystems, Baufortschritt
(Abb. 2)
Das Projekt wird in dem am Lehrstuhl entwickelten Plug-In kiwi!3D für die CAD-Software Rhinoceros3D umgesetzt. Außerdem wird die in Kooperation mit dem International Centre for Numerical Methods in Engineering (CIMNE, Spanien) entwickelte Simulationssoftware Kratos Multiphysics verwendet.

Abbildung 1: Segmentierte IGA-Schale und Optimierung der Fugenlage (DFG SPP 1542)
Abbildung 1: Segmentierte IGA-Schale und Optimierung der Fugenlage (DFG SPP 1542)
Abbildung 2: Reales Modulsystem mit einem exemplarisch gewählten Sechseckmodul (in Zusammenarbeit mit Prof. Braml, UniBW, München)
Abbildung 2: Reales Modulsystem mit einem exemplarisch gewählten Sechseckmodul (in Zusammenarbeit mit Prof. Braml, UniBW, München)

Veröffentlichungen

[1]    Bekel, D.; Bletzinger, K.-U..:
Der digitale Baukasten – Simulationsbasierte Modelle und Methoden für den Entwurf modularer Tragsysteme aus Beton.
In: BetonWerk International Nr. 4, 2020, S. 16
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