TOPBeton: Topologische Optimierung von plattenartigen Betonstrukturen mit Homogenisierungsansatz

• Antragsteller: Dr.-Ing. Felix Clauß
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544936076

Nachhaltiger Betonbau: Wo Materialeffizienz auf Baubarkeit trifft. Beton ist heute durch freie Formbarkeit, weltweite Verfügbarkeit und geringe Materialkosten unangefochten als meistverwendeter Baustoff etabliert. Wo aktuell noch geringe Materialkosten zu einem verschwenderischen Einsatz führen, müssen künftig effiziente Freiformstrukturen in den Mittelpunkt rücken. Solche Strukturen entstehen, wenn ihre Geometrie konsequent an den Kraftfluss angepasst und das Material so ausschließlich an relevanten Stellen eingesetzt wird. Die Bauteile sind folglich materialeffizient, ihre Herstellung geht allerdings oft mit aufwendiger und somit kostenintensiver Schalungs- und Bewehrungsarbeit einher. Daraus motiviert sich das Ziel des Forschungsvorhabens: Optimierung von Betonstrukturen durch innere Strukturfindung bei Erhalt einer einfachen äußeren Bauteilgeometrie. Untersucht werden dazu plattenartige Strukturen wie Decken. Sie machen im Hochbau etwa die Hälfte der Gesamtmasse der Tragstruktur aus und bergen großes Potenzial für Betoneinsparungen. Durch topologische Optimierung mit Homogenisierungsansatz werden automatisiert Hohlkörper verschiedener Formen und Größen entsprechend der lokalen Beanspruchung in (Stahlbeton-)Platten platziert. Die Homogenisierung der lokalen Einheitszellen (Betonkörper mit mittigem Hohlkörper) und der damit verbundene Skalenwechsel zwischen Meso- und Makroskala gewährleistet Steifigkeitsäquivalenz. Die Platzierung der Hohlkörper in der Topologieoptimierung erfolgt so unter Verwendung tatsächlicher Steifigkeiten. Schnittgrößenumlagerungen infolge Hohlkörperplatzierung sind inhärent berücksichtigt. Die Trennung der Steifigkeitsanteile schubweicher Platten (Biegung und Schub) ermöglicht die individuelle Manipulation der zugehörigen Nachgiebigkeitsanteile. Dadurch wird die Materialverteilung gezielt hin zu biege- oder schubbeanspruchungsaffinen Strukturen (oder einer Mischung aus diesen) gelenkt. Anhand ausgewählter Deckentragwerke wird die ganzheitliche Optimierungsstrategie numerisch validiert.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Gastgeber: Professor Dr. Ole Sigmund