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Toleranzfreie Serienfertigung von Hochleistungsbetonbauteilen durch transient-interaktive Kopplung von Entwurf und Produktion

Antragsteller

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

Bearbeiter

Jan Stindt, M. Sc. Ruhr-Universität Bochum, Institut für Massivbau

Alex Maximilian Frey, M. Sc. Karlsruher Institut für Technologie, wbk Institut für Produktionstechnik

Projektbeschreibung

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).

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 1: Schema der Kopplung von Entwurf und Produktion
Abbildung 1: Schema der Kopplung von Entwurf und Produktion

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.


Veröffentlichungen

2024

[15] Stindt, J.; Frey, A.M.; Forman, P.; Mark, P.; Lanza, G.
CO2 reduction of resolved wall structures: A load-bearing capacity-based modularization and assembly approach
Engineering Structures 300, 2024, 117197. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.117197

2023

[14] 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

[13] Stindt, J.; Frey, A. M.; Forman, P.; Lanza, G.; Mark, P.
Toleranzfreie Montage modularer Betontragwerke
Bautechnik 100(11), 2023, S. 674-688. https://doi.org/10.1002/bate.202300052

[12] Stindt, J.; Kempf, L.-A.; Forman, P.; Breitenbücher, R.; Mark, P.
DEF of high-performance concrete with rapid, non-standard heat-treatment
Case Studies in Construction Materials 19 (2023), e02289. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02289

[11] Stindt, J.; Forman, P.; Mark, P.
Tolerance-free assembly of heat-treated reinforced concrete modules with geometric deviations.
In: Current Perspectives and New Directions in Mechanics, Modelling and Design of Structural Systems - Zingoni (ed.). Proceedings of the eighth international conference con structural engineering, mechanics and computation, 5-7 September 2022, Cape Town, South Africa. ISBN: 978-1-003-34844-3. DOI: 10.1201/9781003348443-64. Pages: 393-399

[10] Stindt, J.; Forman, P.; Mark, P.
Tolerance-free assembly of heat-treated reinforced concrete modules with geometric deviations.
In: Current Perspectives and New Directions in Mechanics, Modelling and Design of Structural Systems - Zingoni (ed.). Proceedings of the eighth international conference con structural engineering, mechanics and computation, 5-7 September 2022, Cape Town, South Africa. ISBN: 978-1-003-34844-3. DOI: 10.1201/9781003348443-64. Pages: 393-399 ISBN: 978-1-032-39114-4. DOI: 10.1201/9781003348450-64. Pages: 137-138 (short paper)

[9] Stindt, J.; Frey, A.; Forman, P.; Lanza, G.; Mark, P.
Genauigkeitsgrenzen modularer Betontragwerke – Beschreibung von geometrischen Abweichungen infolge Schwinden
Beton- und Stahlbetonbau 117(5), 2022, S. 296–309. (https://doi.org/10.1002/best.202200010)

[8] Stindt, J.; Frey, A.; Forman, P.; Lanza, G.; Mark, P.
Genauigkeitsgrenzen modularer Betontragwerke – Probabilistische Bewertung der Montage mit Schraubenverbindung
Beton- und Stahlbetonbau 117(5), 2022, S. 310-323. (https://doi.org/10.1002/best.202200011)

2021

[7] Frey, A. M.; Lanza, G.
Adaptive Manufacturing Based on Active Sampling for Multi-component Individual Assembly
In Towards Sustainable Customization: Bridging Smart Products and Manufacturing Systems (pp. 372-380)
Springer, Cham

[6] Stindt, J.; Forman, P; Mark, P.
Influence of Rapid Heat Treatment on the Shrinkage and Strength of High-Performance Concrete
Materials 14(15) (DOI: 10.3390/ma14154102)

[5] Stindt, J.; Forman, P.; Mark, P.            
Experimente zur Schwindreduktion von hochfesten Betonbauteilen durch Wärmebehandlung
Beton- und Stahlbetonbau (DOI: 10.1002/best.202100028)

[4] Frey, A.; Stindt, J.; Lanza, G.; Mark, P.
Geometrische Bewertung und Optimierung der Modulanordnung in Tragwerken
Bautechnik 98, 2021 (DOI: 10.1002/bate.202100027)

[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)
PDF

[2]  Tkocz, J.:
Schnellfertigung von dünnwandigen Stabbauteilen aus Hochleistungsbeton mit gesteuerter Waermebehandlung
Dissertation, Lehrstuhl für Massivbau der Ruhr-Universität Bochum, 2021.
PDF

[1]    Stindt, J.; Frey, A.; Stricker, N.; Mark, P.; Lanza, G.:
Kopplungsmethoden von Entwurf und Produktion zur toleranzfreien Serienfertigung.
In: BetonWerk International Nr. 2, 2021, S. 20-21
Link zum Artikel

Abschlussarbeiten

2022

[11] Lachenmaier, P.
Simulation und Optimierung einer Produktionssteuerung Kapazitätsplanung einer Produktionslinie für Betonfertigteile
Bachelor-Thesis, wbk – Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Betreuer: Alex Frey, M.Sc.

[10] Kaltwasser, F.
Gemischt-ganzzahlige Optimierung in modularen Produkten: Bewertung der Güte von modular aufgebauten Tragwerken im Hinblick auf Nacharbeit
Bachelor-Thesis, wbk – Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Betreuer: Alex Frey, M.Sc.

[9] Maul, T.
Modellierung von Unsicherheiten in einer ereignisdiskreten Ablaufsimulation unter Berücksichtigung variabler Produkteigenschaften
Bachelor-Thesis, wbk – Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Betreuer: Alex Frey, M.Sc.

[8] Streit, S. O.
Sensitivitätsbasierte Bewertung geometrischer Abweichungen von Wabenstrukturen aus modularen Betonfertigteilen.
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[7] Michalak, I.  
Einfluss einer rapiden Wärmebehandlung auf die mechanischen Eigenschaften von hochfestem Beton in Abhängigkeit der Prüfkörpergeometrie.
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[6] Agustin, A.
Simulation and Optimization of Production Control through Adaptive Manufacturing
Bachelor-Thesis, wbk – Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

[5] Vo, V. H.
Entwicklung eines Baukastensystems für die serielle Fließfertigung von Betonfertigteile
Bachelor-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum, Betreuer: Jan Stindt, M.Sc.

2021

[4] Lorenz, R.
Tragfähigkeitsoptimierte Assemblierung von Betonfertigteilen
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum.

[3] Königshofer, J.
Prozesssteuerung mittels stochastischer dynamischer Optimierung zur Vermeidung von Verschwendung in der Produktion
Bachelor-Thesis, wbk – Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Betreuer: Alex Frey, M.Sc.

[2] Baumbach, J.
Schwinden von ultrahochfestem Beton bei Wärmebehandlung
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum

[1] Schwarz, Y.
Toleranzausgleichende Assemblierung von Betonfertigteilen
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum, Betreuer: Jan Stindt, M.Sc.