Formfindung und Potential beanspruchungsadaptiver Faltungen

• Form finding and potential of stress adapted foldings

Musto, Juan; Trautz, Martin (Thesis advisor); Kobbelt, Leif (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Die Faltung ist ein äußerst effizientes Konstruktionsprinzip, das bei geringem Materialaufwand ein relativ hohes Tragvermögen präsentiert. Im Bauwesen respektive Stahlbau beschränkt sich der Einsatz von Faltungen auf die konventionellen Longitudinalfaltungen aus dünnwandigen, ebenen Halbzeugen wie Trapezbleche, Z-Profi le etc., die auf hierarchisch strukturierte Sekundärkonstruktionen angewiesen sind. Mit Raumfaltwerken, die punktuelle Falten (Pyramidalfaltungen) mit einer weiteren strukturellen Lage kombinieren, lassen sich freitragende Faltungen realisieren. Exemplare solcher Raumfaltwerke basieren auf einem regelmäßigen Faltmuster, dass aus einer Tesselierung der Geometrie mit regelmäßigen Primitivflächen (Drei-und Vierecke) hervorgeht. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Effizienz eines solchen Leichtbaus verbessert wird, wenn, statt eines regelmäßigen und geometrisch hergeleiteten Faltmusters, ein Faltschema nach Maßgabe von Beanspruchungen konzipiert wird. Hierzu wird ein Formfindungsprozess vorgestellt, der ein Faltmuster auf Basis einer Flächentesselierung nach den Hauptspannungsrichtungen ableitet. Mit den Algorithmen einer parametrisierungsbasierten Netzgenerierung wird ein Trajektoriennetz berechnet, bei dem die Netzkanten in ihrer Orientierung und Dichte an Richtung und Intensität der Hauptspannungen eines statischen Systems adaptiert sind. Eine Gegenüberstellung der Tragfähigkeit einer Faltstruktur, deren Faltmuster nachgeometrischen Prinzipien entworfen ist, mit einem korrespondieren Faltmuster auf Basis des entwickelten Trajektoriennetzes bestätigt, dass die beanspruchungsadaptive Faltung zur Aufnahme der gleichen Last wesentlich weniger Materialeinsatzbedarf. Darüber hinaus kennzeichnet sie ein deutlich steiferes Strukturverhalten, das sich trotz des geringeren Materialaufwands mit geringeren Verformungen präsentiert.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Tragkonstruktionen [211110]