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Projekt
Brückenbauwerke mit komplexer Geometrie durch facettierte Flächenelemente aus carbonbewehrtem Ultrahochleistungsbeton - Graphbasierte Zerlegung und trajektoriensensitive Fertigung
Fachliche Zuordnung
Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
Förderung
Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423969184
Brückentragwerke sind derzeit meist dadurch gekennzeichnet, dass wesentliche Arbeiten auf der Baustelle erfolgen und das Bauwerk individuell geplant/hergestellt wird, entweder als Ganzes oder aus großformatigen Einzelteilen, die vor Ort durch konventionelle Fügetechniken verbunden werden. Dabei ergeben sich lange Bauzeiten, die Qualität hängt maßgeblich von der Witterung und den Fähigkeiten des eingesetzten Personals ab und eine spätere Anpassung, der Austausch einzelner Komponenten oder auch ein temporärer Einsatz bzw. späterer Rückbau sind nicht oder nur mit großem Aufwand möglich. Auch beim Einsatz von Fertigteilen ist wegen der großen Einzelgewichte, dem geringen Wiederholungsgrad (Kleinserien) und den vergleichsweise hohen Fertigungstoleranzen keine tatsächliche Modulbauweise mit industrieller Fließfertigung möglich. Die Grundidee des Forschungsvorhabens besteht darin, das Modularisierungsprinzip durch die Verwendung facettierter Strukturelemente aus carbonbewehrtem Ultrahochleistungsbeton für den Massivbrückenbau konsequent weiterzuentwickeln. Dabei ist die Herangehensweise, vergleichbar mit der geometrischen Einteilung von Tragstrukturen in Finite-Elemente, durch systematische Zerlegung des Gesamtsystems in einfach herzustellende Grundpartitionen („Module“) gekennzeichnet. Die hierbei einzuhaltenden Randbedingungen ergeben sich einerseits aus der Belastung und aus strukturmechanischen Eigenschaften (v.a. in den Modulfugen), andererseits aus den Anforderungen der Herstellung und der späteren Assemblierung. Das damit vorliegende komplexe Optimierungsproblem kann nur durch Weiterentwicklung computergestützter Methoden sowie Konzeption leistungsfähiger Module, deren Fertigung und der zugehörigen (variablen) Fügetechnik gelöst werden. Im Vorhaben werden daher geeignete Fügemethoden sowie an die Beanspruchung angepasste Einzelmodule aus Ultrahochleistungsbeton entwickelt und theoretisch sowie experimentell untersucht. Als Bewehrung werden Carbon-Kurzfasern eingesetzt, die sich durch die Modulfertigung im 3D-Druck an den Spannungspfaden ausrichten lassen und so ein hocheffizientes Tragverhalten ermöglichen. Darüber hinaus wird Prozess der Modularisierung systematisch analysiert und so weiterentwickelt, dass die Segmentierung weitgehend automatisch erfolgt. Dabei sollen einerseits die die sich aus der Modulherstellung und -fügung ergeben Randbedingungen berücksichtigt werden, andererseits wird eine Optimierung der Modulanordnung in Bezug auf statische Gesichtsprunkte vorgenommen. Die semi-automatisierte Zerlegung in Module soll durch Anwendung eines regelbasierten Graphersetzungssystems bzw. einer Graphgrammatik erfolgen, so dass auf Basis der Ausgangsgeometrie und Randbedingungen verschiede Anordnungsmöglichkeiten der variablen Grundmodule generiert werden. Sowohl die konzeptionellen und strukturmechanischen Untersuchungen als auch die Analysen zur teilautomatisierten Modularisierung können wertvolle Beiträge zu den Gesamtzielen des SPP liefern.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
