Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza Karlsruher Institut für Technologie, wbk Institut für Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mark Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau
Jan Stindt, M. Sc. Ruhr-Universität Bochum, Institut für Massivbau
Alex Maximilian Frey, M. Sc. Karlsruher Institut für Technologie, wbk Institut für Produktionstechnik
Tragwerksentwurf und Produktion einer Betonstruktur aus Modulen erfolgen derzeit sachlich getrennt und zeitlich nacheinander. Der vorlaufende Entwurf legt dabei die durch die Produktion zu erfüllenden Anforderungen, wie etwa Toleranzen, fest. Werden diese nicht erfüllt, müssen Module nachgearbeitet werden oder sind Ausschuss. Das kann sich beim neuartigen Modulbau besonders nachteilig auswirken, da viele Einzelmodule zu verbinden und entsprechend hohe Toleranzanforderungen an die Fertigungsprozesse zu stellen sind. Dieses Teilprojekt beschreitet einen gänzlich neuen Weg. Aus den bisher getrennten, konsekutiven Prozessen Entwurf und Produktion wird ein gemeinsamer.
Durch einen neuen Ansatz zu Produktion und Kombination von Bauteilen sollen produktionsbedingte Streuungen von Bauteileigenschaften ausgeglichen werden. Zum Beispiel lässt sich ein „zu lang“ produziertes Modul – zuvor außerhalb der Toleranz und damit Ausschuss – in der Gesamtstruktur durch ein gleichartig „zu kurzes“ Modul kompensieren, sodass beide Module verwendet werden können. Auf diese Weise soll eine effiziente und verschwendungsarme Serienfertigung von Hochleistungsbetonbauteilen entwickelt werden.
Die geometrischen Abweichungen von Stabmodulen resultieren maßgeblich aus dem Schwinden des verwendeten ultrahochfesten Betons (UHFB) und lassen sich durch eine Wärmebehandlung bei 80°C mit variabler Dauer eingrenzen. Der Zusammenhang zwischen der Dauer der Wärmebehandlung, dem residualem Schwinden und den Streuungen der Materialeigenschaften des UHFB wird experimentell bestimmt und statistisch aufbereitet. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird zum einen die erreichbare Genauigkeit der einzelnen Module durch Auswertung der zu erwarteten Knotenverschiebungen beurteilt.
Zum anderen wird ein Konzept für ein Produktionssystem nach dem Fließprinzip und eine adaptive Produktionssteuerung entwickelt, mit der gezielt Einfluss auf die Wärmebehandlung genommen werden kann, um eine Steuerung von Bauteileigenschaften zu erreichen. Hierfür werden die erzielten Ist-Verteilungen der Bauteileigenschaften (z. B. geometrische Abweichungen) der zu einem bestimmten Zeitpunkt produzierten Chargen ermittelt. Anschließend werden mit Hinblick auf die bereits assemblierten Bauteile und die zu erstellende Gesamtstruktur die Soll-Verteilungen der nächsten Charge bestimmt. Dies geschieht durch die gezielte toleranzausgleichende Assemblierung der hergestellten Module (gleichschenklige, gelenkig verbundene Y-Module) zu ebenen und statisch bestimmten Sechseckwaben. Hierzu wird ein stochastischer Permutationsansatz für die optimale Platzierung von Modulen in Abhängigkeit der geometrischen Abweichungen und der notwendigen Tragfähigkeit der Module verwendet. Der Entwurf als Anforderung an die Produktion wird somit von Charge zu Charge - d. h. transient – und in Interaktion mit der Produktion angepasst. Hierdurch entsteht eine transient-interaktive Kopplung zwischen Entwurf und Produktion in quasi Echtzeit, die eine toleranzfreie Serienfertigung ermöglicht (Abbildung 1).
Die wesentlichen Ergebnisse des Teilprojektes Lanza/Mark lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Durch die rapide Wärmebehandlung konnte die Erhärtung von Beton auf bis zu 2 h reduziert werden, wodurch die Produktion von Betonfertigteilen signifikant beschleunigt wird. Grundlage der Untersuchungen war ein hochfester Beton, dessen Frühfestigkeit zusätzlich infolge der Wärmebehandlung nach 4 h der Endfestigkeit entspricht. Gleichzeitig werden wesentliche Anteile der autogenen Schwindverformungen vorweggenommen, wodurch die Herstellung von formstabilen Bauteilen gelingt. Diese ist Voraussetzung für die schnelle und zuverlässige Montage von modularen Bauteilen. Die Modularisierung erfolgte am Beispiel von Wandscheiben, welche zu hexagonale Wabenstrukturen aufgelöst wurden. Der CO2 Ausstoß der Wabenstruktur wurde durch die tragfähigkeitsbasierte Platzierung der Module mithilfe von Metaheuristiken um den Faktor 8 reduziert. Um die Montierbarkeit der Wabenstruktur zu gewährleisten, wird eine direkte Kinematik entwickelt, mit der Modulrotationen sowie Translationen in Abhängigkeit der Maßabweichungen beschrieben werden. Darauf aufbauend wird mithilfe einer zweiten Metaheuristik die Modulanordnung optimiert, sodass die Module toleranzausgleichend montiert werden.
Mittels mathematischer Optimierung und Datenanalyse wurde nachgewiesen, dass der Zusammenhang zwischen der geometrischen Qualität eines optimierten Tragwerks und der Standardabweichung bzw. mittleren absoluten Nennwertabweichung der Modulmaße linear approximiert werden kann. Dies ermöglichte die Definition einer Zielgröße für eine adaptive Produktionssteuerung, die durch die Variation der Wärmebehandlungsdauer Einfluss auf die Maße nimmt. Dabei konnte gezeigt werden, dass durch eine iterative Approximation der Beziehung zwischen der Wärmebehandlungsdauer und dem Erwartungswert des resultierenden Modulmaßes unter Einsatz von Regression und Datenexploration zu signifikanten Qualitätssteigerungen führt. Zuletzt wurde eine Methode entwickelt, um sowohl variable Produkteigenschaften als auch aleatorische und epistemische Modellunsicherheiten in einer ereignisdiskreten Ablaufsimulation zu berücksichtigen, um den entwickelten Ansatz an einem Modell unter Berücksichtigung aller Unsicherheiten zu validieren.
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Letzte Änderung: 12. Jul. 2023
