Kraftflussoptimierte Verbindungen im Ingenieurbau - Parametrische Werkzeuge und Konzepte zur Generierung kraftflussoptimierter Verbindungen

Die Herstellung von geometrisch komplexen Geometrien erfolgt mithilfe von CAD-Lösungen, welche über entsprechende Schnittstellen direkt an CAM-Prozesse gekoppelt sind. Dabei werden verschiedene Verfahren zur Geometrieerzeugung von Knotenverbindungen verwendet, welche im Bericht vorgestellt sind. Die aufwändigste Variante besteht in der Produktion eines Urmodells, welches durch anschließendes Abformen und Ausgießen des Negativs mit einem leistungsfähigen Vergussmaterial der konventionellen Stahlgusstechnik nahekommt. Weitere Verfahren basieren auf der Laserschneidtechnik, bei der die jeweiligen Knotengeometrien zunächst aus ebenen Plattenmaterialien erzeugt werden und nach einem Faltprozess als Schalung zur Verfügung stehen. Ein drittes Verfahren besteht in der Herstellung eines Hohlkörpers, der im 3-D-Drucker hergestellt wird und als verlorene Schalung dient. Alle Schalungen werden anschließend mit einem leistungsfähigen Vergussmaterial (Polymerbeton, ggf. UHPC) befüllt. Anzuschließende Querschnitte (Stahl, Holz, Beton, UHPC) und Einbauteile können beanspruchungsabhängig ausgeführt und verbunden werden. Eine Berechnung der Knoten kann mit den im Ingenieurbau vorhandenen numerischen Methoden (z. B. FEM-Systeme wie ANSYS, ABAQUS) erfolgen, wobei die Materialkennwerte der jeweiligen Vergussmaterialien zugrunde gelegt werden. Die Hochschulen Trier und Mainz entwickeln gemeinsam Verfahren zur Formgenerierung, Produktion und numerischen Modellierung, welche im Aufsatz vorgestellt werden.

Force flow optimized joints in timber engineering
The manufacturing of geometric complex joints can be done by means of CAD-systems linked to CAM for production. Hereby, different methods for direct geometry generation are used and discussed in this paper. The most elaborate method is the fabrication of a connection prototype to mold the specific joint, followed by casting in high-performance grout material (polymer concrete, UHPC, etc.). Other methods to obtain the complex geometry are based on laser cutting technology of planar surfaces to generate the shape of the specific joints. Here, parametric design tools generate the joint surface followed by cutting and folding to produce a formwork for the joint geometry. A third method describes the production of a hollow body by 3-D printing which is used also as formwork. After hardening of the finalized joint, enclosed structural members can be mounted and connected depending on the loading situation. The structural design of the joints can be done by commercially available packages (FE-software, e.g. ANSYS and ABAQUS) involving the material characteristics of the grouting material. The Universities of Applied Science in Trier and Mainz are jointly developing methods for form generation, numerical modeling and fabrication, which are presented in this paper.