Die zentrale These des Projekts ist die Entwicklung eines digitalen Baukastens, der es ermöglicht komplexe modulare Tragsysteme aus Beton zu entwerfen. Hierzu soll ein durchgängiger digitaler Zwilling und zutreffende Methoden entwickelt und implementiert werden, welche die komplette Entwurfskette umfassen. Eine wesentliche Besonderheit soll auf der Verwendung und Weiterentwicklung parametrischer Methoden für ein interaktives Computer Aided Design (CAD)-gestütztes Entwerfen, Sensitivitätsanalyse und Optimierung liegen.

Als methodische Grundlage wählen wir die Isogeometrische Analyse (IGA) [1]. Hier handelt es sich um eine Finite Elemente Methode (FEM), welche die Integration von FEM und CAD verfolgt. Einerseits werden Spline-Basisfunktionen des CAD als Formfunktionen für die Simulation mittels FEM verwendet und deren hochwertigen Eigenschaften (Glattheit, Kontinuität etc.) für die Qualität der Diskretisierung genutzt. Andererseits werden die CAD-Modelle direkt für die Simulation verwendet, ohne sie wie in der klassischen FEM üblich zu vernetzen. Zum Erreichen der genannten Ziele ist IGA die ideale Technologie, da es ein interaktives und parametrisches Arbeiten unterstützt.

Die Maxime des Schwerpunktprogramms ist „Individualität im Großen - Ähnlichkeit im Kleinen“. Um dies zu erreichen ist ein geeignetes Modulraster zu wählen. Mit Blick auf die Serienfertigung ist ein regelmäßiges Raster zu bevorzugen. Dies wird an einem modularen Flächentragwerk (Platten und flache Scheiben) aus Beton gezeigt, welches exemplarisch in ein Patch aus Sechseckmodulen unterteilt wird (s. Abbildung). Weiterhin gilt es die detaillierte Modellierung der einzelnen Elemente, mit ihrer jeweiligen Kopplung und der Systemkopplung, zu betrachten. Das am Lehrstuhl entwickelte Isogeometric B-Rep Analysis (IBRA)-Datenformat [2] muss um statisch-mechanische Aspekte erweitert werden. Abschließend soll das Tragverhalten der einzelnen Module und des Gesamtsystems untersucht werden. Hierbei ist die IGA-Simulationsmethode so zu erweitern, dass eingeprägte Spannungen und Verschiebungen aus der Last- und Baugeschichte im Zuge der Bauwerksevolution erfasst und berücksichtigt werden.

Für die Durchführung der einzelnen Schritte wird das lehrstuhlintern entwickelte Plug-In kiwi!3D [3] für die CAD-Software Rhinoceros3D [4] verwendet. Außerdem wird die in Kooperation mit dem International Centre for Numerical Methods in Engineering (CIMNE, Spanien) entwickelte Simulationssoftware Kratos Multiphysics [5] eingesetzt.

Literatur

[1] Hughes, T. J. R.; Cottrell, J. A.; Bazilevs, Y.:  Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement - Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2005, Vol. 194, Nr. 39-41, S. 4135-4195.

[2] Teschemacher, T.; Bauer, A. M.; Oberbichler, T.; Breitenberger, M.; Rossi, R.; Wüchner, R.; Bletzinger, K.-U.: Realization of CAD-integrated shell simulation based on isogeometric B-Rep analysis - Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, 2018, Vol. 5, Nr. 1, Art. Nr. 19.

[3] Kiwi!3D; URL: http://kiwi3d.com/

[4] Rhinoceros3D; URL: https://www.rhino3d.com/de/

[5]  Kratos Multiphysics; URL: https://www.cimne.com/kratos/