Numerische Entwurfsmethoden zur Bestimmung der optimalen Dichteverteilung gradierter Betonbauteile unter statischen und dynamischen Einwirkungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Herrmann
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353348123

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines numerischen Entwurfstools zur Bestimmung der optimalen Dichteverteilung funktional gradierter Betonbauteile unter statischen und dynamischen Beanspruchungen. Hiermit sollen gradierte Rahmenbauteile für dynamische Belastungen entworfen, am ILEK hergestellt und in Berkeley geprüft werden. Funktional gradierte Bauteile sind durch eine ortsabhängige, kontinuierliche Eigenschaftsänderung charakterisiert. Eine Dichtegradierung von Betonen (d.h. eine stufenlosen Änderung der Porosität im Inneren des Bauteils) dient der präzisen Anpassung der Materialeigenschaften an die auftretenden Beanspruchungen. Hoch beanspruchte Zonen werden dabei mit hochfesten Betonen belegt, in niedrig beanspruchten Zonen werden porige Betone angeordnet. Hierdurch wird beispielsweise bei biegebeanspruchten Deckenkonstruktionen eine Massenersparnis von bis zu 60 % erreicht. Diese neue Leichtbauweise wies in ersten Untersuchungen ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf. Erst die Entwicklung numerischer Entwurfsmethoden, erlaubt die Ermittlung kontinuierlicher, dreidimensionaler Eigenschaftsverläufe. Die im Rahmen der Voruntersuchung durchgeführten Optimierungen waren hinsichtlich der vereinfachten Geometrie, des linear elastischen Materialansatzes sowie der Reduzierung auf eine Steifigkeitsoptimierung beschränkt. Die Methoden reduzierten sich auf die im kommerziellen Optimierungstool (Abaqus Atom) bereitgestellten Algorithmen, Entwurfsvariablen und Zielfunktionen. In diese Parameter konnte nicht eingegriffen werden. Das im Rahmen des beantragten Forschungsstipendium zu entwickelnde Entwurfstool soll ebenso die Optimierungen der Wärmeleitfähigkeit unter Berücksichtigung statischer Restriktionen erfüllen können sowie den Entwurf eines Dichtelayouts unter dynamischen Einwirkungen ermöglichen. Im Anschluss soll das Entwurfstool frei zugänglich gemacht werden und somit zur Verbreitung des Ansatzes beitragen. Einige der zum Einsatz kommenden Optimierungsalgorithmen und Simulationsansätze, wie das Concrete Damaged Plasticity Modell zur Beschreibung des nichtlinearen Materialverhaltens von Beton, wurden an der University of California, Berkeley entwickelt. Prof. Filippou forscht seit 1983 an der Beschreibung von Betonstrukturen unter statischen und dynamischen Beanspruchungen. Die betreuenden Wissenschaftler, sowie die vorhandene Infrastruktur an der Gasthochschule bieten die optimalen Rahmenbedingungen zur erfolgreichen Durchführung des geplanten Forschungsvorhabens. Nach erfolgreichem Abschluss stehen Entwurfsmethoden zur Bestimmung dreidimensionaler Eigenschaftsverläufe für Betonbauteile unter statischen, bauphysikalischen und dynamischen Beanspruchungen zur Verfügung. Neben der Automatisierung der Herstellungsverfahren, welche derzeit am ILEK entwickelt wird, ist ein Entwurfsinstrument das noch fehlende Teilstück zur erfolgreichen Umsetzung von Betonbauteilen mit räumlich freier Dichtegradierung.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr.-Ing. Filip C. Filippou