David Forster

Abstract

The linear design workflow for structural systems, involving a multitude of iterative loops and specialists, obstructs disruptive innovations. During design iterations, vast amounts of data in different reference systems, origins, and significance are generated. This data is often not directly comparable or is not collected at all, which implies a great unused potential for advancements in the process. In this paper, a novel workflow to process and analyze the data sets in a unified reference frame is proposed. From this, differently sophisticated iteration loops can be derived. The developed methods are presented within a case study using coreless filament winding as an exemplary fabrication process within an architectural context. This additive manufacturing process, using fiber-reinforced plastics, exhibits great potential for efficient structures when its intrinsic parameter variations can be minimized. The presented method aims to make data sets comparable by identifying the steps each data set needs to undergo (acquisition, pre-processing, mapping, post-processing, analysis, and evaluation). These processes are imperative to provide the means to find domain interrelations, which in the future can provide quantitative results that will help to inform the design process, making it more reliable, and allowing for the reduction of safety factors. The results of the case study demonstrate the data set processes, proving the necessity of these methods for the comprehensive inter-domain data comparison.

Abstract

In coreless filament winding, resin-impregnated fibre filaments are wound around anchor points without an additional mould. The final geometry of the produced part results from the interaction of fibres in space and is initially undetermined. Therefore, the success of large-scale coreless wound fibre composite structures for architectural applications relies on the reciprocal collaboration of simulation, fabrication, quality evaluation, and data integration domains. The correlation of data from those domains enables the optimization of the design towards ideal performance and material efficiency. This paper elaborates on a computational co-design framework to enable new modes of collaboration for coreless wound fibre–polymer composite structures. It introduces the use of a shared object model acting as a central data repository that facilitates interdisciplinary data exchange and the investigation of correlations between domains. The application of the developed computational co-design framework is demonstrated in a case study in which the data are successfully mapped, linked, and analysed across the different fields of expertise. The results showcase the framework’s potential to gain a deeper understanding of large-scale coreless wound filament structures and their fabrication and geometrical implications for design optimization.

Abstract

We present a comprehensive study on the approximation power of NURBS and the significance of exact geometry in stability analyses of shells. Pre-buckling analyses are carried out to estimate the critical load levels and the initial buckling patterns. Various finite element solutions obtained with the commercial code ANSYS are compared with solutions from the isogeometric version of the finite element method, using our in-house code NumPro. In some problem setups, the isogeometric shell elements provide superior accuracy compared to standard (as opposed to isogeometric) shell finite elements, requiring only a fractional amount of degrees of freedom for the same level of accuracy. The present study systematically investigates the sources of this superior accuracy of the isogeometric approach. In particular, hypotheses are tested concerning the influence of exact geometry and smoothness of splines.

Abstract

Zur Analyse von Tragwerken ist es in frühen Entwurfsphasen häufig ausreichend, Schnitt- und Verschiebungsgrößen, sowie Spannungen im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie zu bestimmen. Eine weitere fundamentale Eigenschaft von Tragwerken ist der Grad der statischen Unbestimmtheit und deren Verteilung innerhalb des Tragwerks. Die Redundanzmatrix liefert diese Information und stellt damit ein lastfallunabhängiges Maß zur Beurteilung von Tragwerken hinsichtlich Robustheit, Assemblierbarkeit und Adaptierbarkeit zur Verfügung.

Abstract

In structural optimization processes, a common goal is to limit deflectionsor stresses through topological changes, shape adaption or cross-sectional adjust-ments. Beyond these well-established performance indicators, alternative measuresfor the assessment of structures based on the redundancy matrix can be used in thedesign and optimization process. This contribution shows the extension of the redun-dancy calculation to three-dimensional beam structures in detail. Using the conceptof redundancy for the design of structures, one goal is to homogeneously distributeredundancy within a structure in order to make an overall collapse due to failure ofindividual elements less likely. Furthermore, the sensitivity towards imperfections isquantified by the redundancy matrix, offering the opportunity to design connectionsof substructures, such that no constraint forces are introduced during the assemblyprocess. Those two concepts are showcased exemplarily within this contribution. Themethod is embedded into a computational co-design framework, which allows forquick, interactive feedback on design changes to strengthen the interplay between thedesign and engineering process.

Abstract

Aufgrund von hohem Energie- und Ressourcenverbauch im Bauwesen gibt es Bestrebungen, aktivierbare Elemente in Tragwerken zu verwenden um materialsparend auf äußere Lasten reagieren zu können. Es existieren bereits Arbeiten, die sich mit dem Problem der Platzierung von Aktoren beschäftigen. Dabei werden zumeist heuristische Verfahren angewendet, da es sich bei der Aktorplatzierung um ein diskretes Optimierungsproblem handelt. In der hier vorliegenden Arbeit wird zunächst die stationäre Störgrößenkompensierbarkeit als Eigenschaft der Kompensierbarkeit äußerer Lasten hergleitet. Hierbei wird für ein korrektes Ergebnis ein Eingriff in die Berechnung der Pseudoinversen mit MATLAB notwendig, was anhand von zwei Beispielen erläutert wird. Anschließend werden die Spur, der maximale Eigenwert und die Frobeniusnorm der Gramschen Matrix als Gütemaße für die Aktorplatzierung vorgestellt. Diese Gütemaße werden anhand von Fachwerken untersucht, wobei die Eigenschaften Symmetrie und Grad der statischen Unbestimmtheit betrachtet werden. Die Spur stellt dabei ein Maß der durchschnittlichen Kompensierbarkeit dar, wohingegen der maximale Eigenwert und die Frobeniusnorm Rückschlüsse auf besonders ungünstige Einwirkungen zulassen. Die Kompensierbarkeit äußerer Lasten ist dabei für Verschiebungen deutlich höher als für Kräfte. In einem weiteren Schritt wurden zwei varianten des Greedy-Algorithmus und Simulated Annealing als heuristische Optimierungsverfahren für die Aktorplatzierung getestet und verglichen. Der vorwärtsgerichtete Greedy-Algorithmus liefert hierbei sowohl für den Eingriff in die Kräfte als auch bei den Verschiebungen das jeweils beste Ergebnis. Zudem wird in der vorliegenden Arbeit eine Möglichkeit vorgestellt, die Aktorplatzierung in ein kontinuierliches Problem zu überführen. Dadurch sind prinzipiell auch gradientenbasierte Optimierungsverfahren auf das Platzierungsproblem übertragbar.

Abstract

Brettsperrholz ist ein innovatives Produkt der Holzindustrie, das durch die voranschreitende Technik seit den Neunzigerjahren vor allem in Deutschland und Österreich zunehmend an Bedeutung gewonnen hat 1. Durch die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, insbesondere im mehrgeschossigen Wohnungsbau hat sich die Forschung im Bereich von Brettsperrholz (kurz: BSP; engl: CLT, X-Lam) deutlich intensiviert. In dieser Arbeit wird zunächst auf das Material Brettsperrholz und dessen Vorteile eingegangen und im Anschluss daran wird anhand mehrerer Versuchsreihen die Bestimmung der Rollschubfestigkeit aufgezeigt. Im Rahmen einer gezielten Prüfserie wurde der Größeneinfluss bei Rollschubbeanspruchung untersucht. Ziel war es, festzustellen ob bei gleichem Seitenverhältnis der Querlagen in Brettsperrholzelementen die Rollschubfestigkeit von der Größe, d.h. insbesondere von der Dicke der Querlage abhängt oder nicht.