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Projekt
Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen - Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Hans-Wolf Reinhardt; Professor Dr.-Ing. Oliver Sawodny; Professor Dr.-Ing. Werner Sobek
Fachliche Zuordnung
Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
Förderung
Förderung von 2012 bis 2016
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213554648
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erforschung von Entwurfs- und Berechnungsverfahren sowie von Methoden zur automatisierten Herstellung von funktional gradierten Betonbauteilen. Funktional gradierte Bauteile sind durch eine ortsabhängige kontinuierliche Eigenschaftsänderung in bis zu drei Raumrichtungen charakterisiert.Die Gradierung ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen an das Bauteil abzustimmen. Damit greift dieses Forschungsvorhaben den Leitsatz des Schwerpunktprogramms „Form Follows Force“ auf und ergänzt diesen um den Aspekt der Optimierung der inneren Bauteilstruktur, unabhängig von der äußeren Bauteilgeometrie.Bei der Erforschung der Gradierung von Bauteilen werden keine neuen Werkstoffe entwickelt, sondern bekannte und bewährte Werkstoffe werden entsprechend ihres Eigenschaftsprofils im Bauteil so angeordnet, dass eine optimale Erfüllung des Anforderungsprofils eines Bauteils entsteht. Durch die Gradierung wird beispielsweise bei biegebeanspruchten Bauteilen eine wesentlich höhere Materialeffizienz dadurch erreicht, dass die Materialkomposition den bauteilimmanenten Kraftfeldern angepasst wird („Fully Stressed Design“). Hoch beanspruchte Zonen werden dabei mit hochfesten Betonen belegt, in niedrig beanspruchten Zonen werden porige Betone mit einer der Beanspruchungshöhe kontinuierlich oder in Stufen angepassten Porengröße und/oder Porendichte angeordnet. Mit gradierten Bauteilen können sortenreine sowie multifunktionale Bauteile hergestellt werden, beispielsweise sandwichartige Außenwände mit porösem Dämmbetonkern und einer zunehmenden Verdichtung in den Deckschichten. Das große Potential zur Einsparung von Masse, Material und grauer (embodied) Energie sowie eine verbesserte Rezyklierbarkeit sind die wesentlichen Vorteile des Ansatzes.Für die Entwicklung effizienter Methoden zur Eigenschaftsgradierung ist die Automatisierung der Prozesskette zur reproduzierbaren Herstellung von Bauteilen von zentraler Bedeutung. Dabei muss der gesamte Prozess vom Entwurf, der Berechnung der optimalen Dichteverteilung über die Übernahme des CAD-Modells und der anforderungsabhängigen Mischung des Betons bis zum Materialauftrag in eine Prozessregelung integriert werden. Die Konzeption, Auslegung und anschließende Umsetzung dieser Prozesskette in einem Prototypen bilden die Eckpunkte des Forschungsvorhabens.Das Forschungsvorhaben wird in enger Kooperation zwischen den Instituten für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), Systemdynamik (ISYS) und Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart bearbeitet. Hierdurch ist die Abdeckung des beschriebenen erforderlichen Kompetenzspektrums gewährleistet.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
