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TRR 280: Konstruktionsstrategien für materialminimierte Carbonbetonstrukturen – Grundlagen für eine neue Art zu bauen
Fachliche Zuordnung
Bauwesen und Architektur
Biologie
Geowissenschaften
Maschinenbau und Produktionstechnik
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Mathematik
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
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Förderung
Förderung seit 2020
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Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417002380
Neue Materialien ermöglichen neue Bauformen und Konstruktionsarten. Was so einfach klingt, ist in der Realität oft ein langer, mühsamer und nicht selten mit Irrtümern gepflasterter Weg. Im Bauwesen dauern Innovati-onsprozesse aufgrund hoher Anforderungen an Sicherheit und Dauerhaftigkeit und wegen aufwändiger Normungs- und Zulassungsverfahren besonders lange. Dies gilt auch und insbesondere für leistungsfähige Bau-stoffkombinationen wie Textil- und Carbonbeton, die einen Paradigmenwechsel oder gar eine Revolution im Bauen mit Beton, dem weltweit mengenmäßig wichtigsten Baustoff, mit sich bringen werden. Mit diesen Baustoffkombinationen können gleichzeitig der enorme Ressourcenverbrauch und der CO2-Ausstoß der Bauindustrie wesentlich verringert, aber auch zusätzliche Funktionen erschlossen werden. Erste Bauprojekte mit den neuen Materialien verdeutlichen aber zugleich, dass zunächst weiterhin nach traditionellen, dem Stahlbeton entlehnten Konstruktionsprinzipien gebaut wird, herkömmliche Materialien also lediglich substituiert werden. Erst in Verbindung mit intelligenten Konstruktionsstrategien wird das volle Potential des innovativen Werkstoffs Carbonbeton ausgenutzt. Baustoffgerechte Methoden für das Entwerfen, Modellieren und Konstruieren mit neuen Werkstoffen bedürfen einer tiefergehenden Grundlagenforschung. Um vorhandene traditionelle Entwurfsprinzipien zu hinterfragen, gegenseitige Abhängigkeiten von Materialien zu begreifen und darauf auf-bauend eine neue Entwurfs- und Konstruktionsstrategie zu etablieren, ist ein umfassender und ganzheitlicher Ansatz nötig. Nur so können neue, dem innovativen Hochleistungswerkstoff Carbonbeton gerechte Leichtbau-prinzipien erarbeitet werden. Zentrale Ideengeber für Bauelementgeometrien sind dabei sowohl die Biologie, hier vor allem Botanik, als auch weitere Fachbereiche wie etwa Mathematik und Kunst. Angestrebt werden Konstruktionsformen aus mineralischen Kompositen, die Kräfte überwiegend durch Normalspannungen abtra-gen und mit neuen, industriellen, maschinengestützten Fertigungsmethoden hergestellt werden. Die als zielführend erkannten Konstruktionsstrategien ermöglichen eine vollkommen andere Formensprache. Dabei ist die Entwicklung neuartiger Strukturen eng verknüpft mit Fragen der Herstellbarkeit unter Berücksichtigung einer begleitenden produktbezogenen Nachhaltigkeitsbewertung. Losgelöst von heutigen, etablierten Denk-mustern sollen die Grundlagen für eine neue Form des Bauens mit Beton auf Basis tiefgreifender Erkenntnisse zum strukturmechanischen Verhalten neuartiger mineralisch basierter Strukturen geschaffen werden. Die neuen Konstruktionsstrategien und Werkstoffkombinationen reduzieren Ressourcen- und Energieverbrauch durch bisher unbekannte Leichtbauprinzipien bei gleichzeitig hoher Gebrauchstauglichkeit, Tragsicherheit und Dauerhaftigkeit und spiegeln sich auch in einer anspruchsvollen Ästhetik wider, die sich zu einer neuen „Kunst des Bauens“ entwickeln wird.
DFG-Verfahren
Transregios
Laufende Projekte
- A01 - Eine neue Methodologie zur Übertragung effizienter Lastabtragsmechanismen aus der Natur auf Strukturen aus Carbonbeton (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Reese, Stefanie ; Simon, Jaan-Willem )
- A02 - Theoretisch-numerische Abbildung biologischer Entwicklungsprozesse als Strukturgenerator für den Entwurf von Tragwerken aus Carbonbeton (Teilprojektleiter Kaliske, Michael )
- A03 - Faserverstärkte Pflanzenorgane als Inspiration für carbonfaserverstärkte Betonkonstruktionen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Lautenschläger, Thea ; Neinhuis, Christoph )
- A04 - Konstruktion und Stabilität stückweise linearer Strukturen mit freiem Rand (Teilprojektleiterin Niemeyer, Alice )
- A05 - Invention Engineering – eine Methode zur Erschließung neuer Ideen und Inspirationsquellen für materialminimierte Carbonbetonstrukturen (Teilprojektleiter Noennig, Jörg Rainer )
- B01 - Biologisch inspirierte lastangepasste 3D-Textilbewehrungsstrukturen (Teilprojektleiter Cherif, Chokri )
- B02 - Untersuchung neuer Material- und Technologieansätze zur kontinuierlichen Inline-Umformung und -Konsolidierung textiler Bewehrungen (Teilprojektleiter Gries, Thomas )
- B03 - Entwicklung neuer Grenzschichtstrukturen basierend auf organisch/anorganischen Schichtstrukturen für endlosfaserbasierte Bewehrungen (Teilprojektleiterin Scheffler, Christina )
- C01 - Auflösung kompakter Bauteile mittels sich durchdringender, lastabtragender schalenförmiger Strukturen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Curbach, Manfred ; Scheerer, Silke )
- C02 - Charakterisierung und Modellierung dünnwandiger, mineralisch gebundener Membranbauteile unter mehraxialen Spannungszuständen (Teilprojektleiter Claßen, Martin ; Hegger, Josef )
- C03 - Numerische Homogenisierung und Mehrskalenmodellierung mit bildgebenden Verfahren zur Analyse des Tragverhaltens von Schalenstrukturen (Teilprojektleiter Klinkel, Sven )
- C04 - Stabilität und Quasiduktilität von dünnwandigen Carbonbetonbauteilen (Teilprojektleiter Chudoba, Rostislav ; Schladitz, Frank )
- C05 - Mehrskalenmethode zur Simulation der Resilienz und des Bruchverhaltens heterogener Strukturen (Teilprojektleiter Löhnert, Stefan )
- C06 - Chemische Vorspannung gefalteter und schalenförmiger Carbonbetonstrukturen (Teilprojektleiter Marx, Steffen )
- D01 - Generative Fertigung komplexer Strukturen aus mineralisch basierten faserbewehrten Hochleistungskompositen (Teilprojektleiter Mechtcherine, Viktor )
- D02 - Grundlagen für das Extrudieren von Carbonbetonstrukturen (Teilprojektleiter Matschei, Thomas ; Raupach, Michael )
- D03 - Entwicklung von erweiterten Methoden für die Tomographiedatenanalyse (Teilprojektleiter Maas, Hans-Gerd )
- E01 - Nachhaltigkeitsbewertungsmethoden für disruptive Innovationen wie Carbonbeton (Teilprojektleiterinnen Günther, Edeltraud ; Traverso, Marzia )
- INF - Informationsinfrastruktur (Teilprojektleiter Nagel, Wolfgang E. )
- S - Tomographie (Teilprojektleiter Klinkel, Sven ; Maas, Hans-Gerd )
- Z - Zentrale Aufgaben des SFB/TRR (Teilprojektleiter Curbach, Manfred )
- Ö - Öffentlichkeitsarbeit des SFB/TRR – Vision, Assoziation, Kommunikation für nachhaltige Bauweisen der Zukunft (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Claßen, Martin ; Scheerer, Silke )
Antragstellende Institution
Technische Universität Dresden
Mitantragstellende Institution
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Beteiligte Institution
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)
Sprecher
Professor Dr.-Ing. Manfred Curbach