KNOTEN - Konstruktionsmethodik für die ganzheitliche Optimierung von Tragwerken und additiv gefertigten Knoten unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Montagerestriktionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sandro Wartzack
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496238901

Die Tragwerksbauweise stellt eine wirtschaftliche, steife und effektive Leichtbauweise dar, insbesondere wenn eine vollständige Materialausnutzung hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit angestrebt wird. Die Verwendung von faserverstärkten Materialien für die Streben ist gängige Praxis, die Verbindungselemente zwischen den Streben – sogenannte Knoten – werden jedoch meist aus Metallen gefertigt und sind gerade bei optimierten Tragwerken eine konstruktionstechnische Herausforderung. Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll eine Methode zur ganzheitlichen Optimierung von Tragwerken unter der Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an additiv gefertigte, faserverstärkte Knoten konzipiert, implementiert und evaluiert werden. Die Methode berücksichtigt die besonderen Anforderungen und Freiheiten durch die additive Fertigung der Knoten und den Einfluss der Nutzung von anisotropem Material und diskreten Baugrößen auf die Gesamtstruktur des Tragwerks. Ausgehend von Untersuchungen zur Optimierung der Gesamtstruktur und zur Topologieoptimierung der Verbindungselemente (Knoten), werden die Schnittstellen und die Montage des Tragwerks näher untersucht. Relevante Einflussgrößen auf die Montierbarkeit und das Leichtbaupotential des Tragwerks werden identifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend genutzt, um eine gesamtheitliche Optimierungsmethode von Tragwerken aus faserverstärkten Materialien und additiv gefertigten Knoten zu entwickeln, wobei Fertigungs- und Montagerestriktionen direkt berücksichtigt werden. Ergänzend werden Methoden zum Structural Health Monitoring des Tragwerks untersucht, um auch den Einsatz in ausfallkritischen Bereichen zu ermöglichen. Abschließend werden die entwickelten Knoten und der Prototyp eines Tragwerks mit entsprechender Sensorik gefertigt und experimentell validiert, um die Grenzen des neuen Auslegungsansatzes sowie sich ergebende Forschungspotenziale zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen