Dünnwandige Faltwerke aus zementbasierten Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Rostislav Chudoba; Professor Dr.-Ing. Josef Hegger
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198006311

Der in den Ingenieurwissenschaften zunehmend populäre Einsatz der Origami-Technik eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung von effizienten Tragkonstruktionen. In Verbindung mit leistungsfähigen, zementbasierten Verbundwerkstoffen bietet die Origami-Technik einen innovativen Ansatz für Entwurf und Realisierung von leichten tragenden Strukturen nach im SPP1542 verfolgten Prinzip von form follows force. Entsprechend dem Konzept der sogenannten mass-customization sollen Ansätze zur Parametrisierung und Modularisierung von gefalteten Elementen sowohl eine wirtschaftliche Fertigung als auch eine hohe Variabilität der erzielbaren Formen erlauben. In der ersten Förderperiode wurden die Grundlagen für die Entwurfs- und Herstellmethodik von gefalteten Strukturen aus zementartigen Verbundwerkstoffen gelegt. Es wurden Algorithmen zur Simulation des Faltprozesses und zur geometrisch bedingten Formfindung von Origami-Strukturen formuliert und in einem allgemein konzipiertem Simulationswerkzeug (Oricrete-Toolkit) implementiert. Auf Basis der Simulation wurden Ansätze zur maschinellen Steuerung des Faltprozesses abgeleitet und Varianten zur Fixierung von Faltfugen in der Endkonfiguration mit Vergussmaterialien untersucht. Zur Charakterisierung des Tragverhaltens wurden Schnittstellen zu FE-Tools implementiert und Parameterstudien für variierte Faltmuster durchgeführt. Gleichzeitig wurden Versuche zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Faltfugen unter Biegung, Zug und Abscheren konzipiert und umgesetzt. Das Ziel der zweiten Förderperiode ist es die Entwurfs- und Herstellmethodik umfassend weiterzuentwickeln und anhand von Anwendungen zu demonstrieren: Im Einzelnen sollen neue Ansätze zur statisch bedingten Formfindung und daraus resultierender Faltmusteroptimierung formuliert und umgesetzt werden. Anhand der aktuellen Entwicklungen und Anwendungsbeispiele im Bereich der gefalteten Strukturen lässt sich immer wieder eine zentrale Fragestellungen erkennen. Es besteht ein hoher Bedarf an auf Faltwerke ausgerichteter Simulationsmethoden, die neben der rein geometrischen Formfindung gleichzeitig Aussagen zur statischen Leistungsfähigkeit bereitstellen und den Entwurf von gefalteten und/oder tesselierten tragenden Strukturen gezielt unterstützen. Der Schwerpunkt des vorliegenden Antrages liegt daher in diesem Spannungsfeld. Mit den entwickelten geometrisch und statisch-bedingten Formfindungsmethoden sollen mehrere Faltmuster auf ihre Formbarkeit und statische Effizienz hin untersucht werden. Zur Validierung der Formfindungsmethoden wird das Tragverhalten der identifizierten Formen durch geometrisch und physikalisch nichtlineare Simulationen des analysiert. Die Leistungsfähigkeit der Entwurfs- und Herstellungsmethodik wird anhand Bauteilversuchen und eines Demonstrators experimentell nachgewiesen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1542: Leicht Bauen mit Beton - Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien