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Modulare Brückenbauwerke aus carbon‐faserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton – Graph‐basierter Entwurf und trajektoriensensitive Fertigung
Ist Teil von
Beton- und Stahlbetonbau, 2021-09, Vol.116 (S2), p.24-33
Erscheinungsjahr
2021
Link zum Volltext
Quelle
Wiley Online Library Journals Frontfile Complete
Beschreibungen/Notizen
Abstract Für die Vorfertigung von Brückentragwerken in industrieller Fließfertigung sind weitreichende Veränderungen in Entwurf und Ausführung nötig. Deshalb erläutert dieser Aufsatz einen ganzheitlichen und durchgängig digitalen Planungsprozess für eine modulare Bauweise mit ebenen, additiv gefertigten Grundmodulen. Als Grundlage eines automatisierten Entwurfs wird das System mithilfe eines graph‐basierten Modells abgebildet, darauf aufbauende Graphersetzungsregeln erzeugen modulare Tragwerke gemäß zweier Herangehensweisen: Einerseits werden bestehende Bauteilgeometrien segmentiert, andererseits formalisieren Regeln die Aggregation zu Strukturen. Die zu diesem Prozessschritt vorrangig geometrische Information wird in eine semantisch reichhaltige Darstellung der Zerlegung entwickelt, sodass daraus ein hochdetailliertes Produktionsmodell für jedes Modul parametrisch instanziiert werden kann. Dieses Modell ist durch die flexible Beschreibung mit NURBS in der Lage, eine Vielzahl an Verbindungs‐ und Fügesituationen abzubilden. Schließlich fungiert es auch als Grundlage der Pfadgenerierung für die additive Fertigung. Der Druckpfad wird dabei entlang den Hauptzugspannungsrichtungen ermittelt, durch numerische Interpolation der Ergebnisse einer nichtlinearen FE‐Analyse. Entlang dieses Pfades wird die Ausrichtung von Carbonfaserbewehrung mithilfe angepasster Düsentechnik gesteuert, wodurch herausragende Materialeigenschaften der gefertigten Komponenten erreicht werden können.
Abstract Modular bridge structures made of carbon fibre reinforced ultra‐high performance concrete Graph‐based design and trajectory‐sensitive manufacturing In order to enable the prefabrication of bridge structures in a continuous production line, extensive changes in design and execution are necessary. Therefore, this paper explains a holistic and end‐to‐end digital design process for a modular construction system that composes planar, additively manufactured modules. The system is computationally represented with a graph‐based data model, laying the foundation for design automation employing graph rewriting rules. Sets of rules are employed to generate modular structures according to two approaches: Either existing component geometries are segmented, or rules formalize the aggregation of structures. At this process state, predominantly geometric information is available. This information is developed into a semantically rich representation of the decomposition until a highly detailed production model for each module can be instantiated parametrically. Because of the flexible definition based on NURBS, the production model can depict a variety of possible joining situations and connections. Beyond this, the model is the basis of the printing path generation for the additive manufacturing process. The path is determined according to the principal stress directions, numerically interpolating the results of a non‐linear FE analysis. Along this printing path, the alignment of carbon fibre reinforcement is steered by custom nozzle technology, enabling outstanding material properties of the manufactured components.