Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen - Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung

研究领域是功能梯度材料的自动化制造方法中的结构和性能研究领域。Functional gradierte Bauteile sind durch eine ortsabhängige kontinuierliche Eigenschaftsänderung in bis zu drei Raumrichtungen charakterisiert.Die erung ermöglicht es，die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen an das Bauteil abzustimmen.本文通过对”形随力“的有限元程序的研究，提出了一种优化内部构件结构的方法，并对构件几何形状进行了优化。在对构件进行优化研究时，韦尔登并没有新的结构，因此，新的结构韦尔登在构件中的特征剖面是这样的，dass eine optimale Erfüllung des Anforderungsprofils eines Bauteils entsteht.在这种情况下，材料组合将被视为一种特殊的材料组合（“全应力设计”）。Hoch beanspruchte Zonen韦尔登dabei mit hochfesten Betonen belegt，in niedrig beanspruchten Zonen韦尔登porige Betone mit einer der Beanspruchungshöhe kontinuierlich oder in Stufen angepasten Porengröße und/oder Porenplantte angeordnet. Mit gradierten Bauteilen können sortenreine sowie multifunktionale Bauteile hergestellt韦尔登，beispielsweise qualichartige Außenwände mit porösem Dämmbetonkern und einer zunehmenden Verbentung in den Deckschichten. Das greße Potential zur Einsparung von Masse，Material und grauer（embodied）Energie sowie eine verbesserte Rezyklierbarkeit sind die weesentlichen Vorteile des Ansatzes.Für die Entwicklung effizienter Methoden zur Eigenschaftsgradiierung ist die Automatisierung der Prozessbolt zur reproduzierbaren Herstellung von Bauteilen von zentraler Bedeutung.本文从工程设计的角度出发，对CAD模型的优化设计和材料选择的失误进行了研究，并在韦尔登的设计过程中进行了综合。概念、设计和安装是研究人员在原型中进行的一项重要工作。研究人员将与斯图加特大学的Leichtbau Entwerfen und Konstruieren（ILEK）、Systemdynamik（ISYS）和Werkstoffe im Bauwesen（IWB）研究所进行合作。因此，这是一个非常强大的竞争对手。

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erforschung von Entwurfs- und Berechnungsverfahren sowie von Methoden zur automatisierten Herstellung von funktional gradierten Betonbauteilen. Funktional gradierte Bauteile sind durch eine ortsabhängige kontinuierliche Eigenschaftsänderung in bis zu drei Raumrichtungen charakterisiert.Die Gradierung ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen an das Bauteil abzustimmen. Damit greift dieses Forschungsvorhaben den Leitsatz des Schwerpunktprogramms „Form Follows Force“ auf und ergänzt diesen um den Aspekt der Optimierung der inneren Bauteilstruktur, unabhängig von der äußeren Bauteilgeometrie.Bei der Erforschung der Gradierung von Bauteilen werden keine neuen Werkstoffe entwickelt, sondern bekannte und bewährte Werkstoffe werden entsprechend ihres Eigenschaftsprofils im Bauteil so angeordnet, dass eine optimale Erfüllung des Anforderungsprofils eines Bauteils entsteht. Durch die Gradierung wird beispielsweise bei biegebeanspruchten Bauteilen eine wesentlich höhere Materialeffizienz dadurch erreicht, dass die Materialkomposition den bauteilimmanenten Kraftfeldern angepasst wird („Fully Stressed Design“). Hoch beanspruchte Zonen werden dabei mit hochfesten Betonen belegt, in niedrig beanspruchten Zonen werden porige Betone mit einer der Beanspruchungshöhe kontinuierlich oder in Stufen angepassten Porengröße und/oder Porendichte angeordnet. Mit gradierten Bauteilen können sortenreine sowie multifunktionale Bauteile hergestellt werden, beispielsweise sandwichartige Außenwände mit porösem Dämmbetonkern und einer zunehmenden Verdichtung in den Deckschichten. Das große Potential zur Einsparung von Masse, Material und grauer (embodied) Energie sowie eine verbesserte Rezyklierbarkeit sind die wesentlichen Vorteile des Ansatzes.Für die Entwicklung effizienter Methoden zur Eigenschaftsgradierung ist die Automatisierung der Prozesskette zur reproduzierbaren Herstellung von Bauteilen von zentraler Bedeutung. Dabei muss der gesamte Prozess vom Entwurf, der Berechnung der optimalen Dichteverteilung über die Übernahme des CAD-Modells und der anforderungsabhängigen Mischung des Betons bis zum Materialauftrag in eine Prozessregelung integriert werden. Die Konzeption, Auslegung und anschließende Umsetzung dieser Prozesskette in einem Prototypen bilden die Eckpunkte des Forschungsvorhabens.Das Forschungsvorhaben wird in enger Kooperation zwischen den Instituten für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), Systemdynamik (ISYS) und Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart bearbeitet. Hierdurch ist die Abdeckung des beschriebenen erforderlichen Kompetenzspektrums gewährleistet.