Tolerance-free series production of high-performance concrete elements through transient interactive coupling of design and production

Applicants

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

Scientific staff

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

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

Project describtion

Up to now, design and production of a concrete structure made of modules are carried out separately and subsequently. The preliminary design determines the requirements for the production, such as tolerances. If these requirements are not complied with, modules must be reworked or excluded. This can be particularly disadvantageous for the novel module construction method. Many individual modules have to be connected and correspondingly high tolerance requirements have to be fulfilled within the production processes. In this subproject a completely new approach is taken. The previously separate, consecutive processes of design and production will be coupled.
By means of this new approach, production-related uncertainties of the component properties are compensated. For example, a module produced "too long" - previously rejected according to tolerance requirements - can be equalized in the module structure by a similarly "too short" module, so that both modules are used. This way, an efficient and low-waste series production of high-performance concrete components is developed.
The geometrical deviations of bar modules are mainly caused by shrinkage of the ultra-high performance concrete (UHPC) used, which can be mitigated by heat treatment of variable duration at 80°C. The correlation between the durations of heat treatment, residual shrinkage and scattering of material properties of the UHPC is derived experimentally and statistically processed. Based on these findings, the achievable accuracy of the individual modules is evaluated by analyzing the expected node displacements.
A concept for a production system according to the flow principle and an adaptive production control is developed. By means of this system, the heat treatment can be systematically influenced in order to control the component´s properties. For this purpose, the achieved actual distributions of the scattering component properties (e.g. geometric deviations) of the batches produced at a certain point in time are determined. Subsequently, the target distributions of the next batch are determined with respect to the already assembled components and the overall structure.
This is done by the systematic tolerance-compensating assembly of the manufactured modules (isosceles, hinge connected Y-modules) to two-dimensional and statically determinate hexagonal honeycombs systems. For this purpose, a stochastic permutation approach is used for the optimal placement of modules depending on the geometrical deviations and the necessary load-bearing capacity of the modules. The design as a requirement for production is thus adapted from batch to batch - i.e. transiently - and in interaction with production. This method results in a transient interactive coupling between design and production in quasi real time, which enables tolerance-free series production (see Figure 1).

Poster on project contents

Figure 1: Scheme for coupling of design and production

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.

Publications

2024

[14] 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

[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

Supervised theses

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.

2022

2021

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