Integrative computergestützte Entwurfs- und Konstruktionsmethoden für biobasierte Faser-Holz-Verbundsysteme

• Benutzerfreundliches Entwurfstool für hybride Faser-Holz-Bauweisen mit matrixbasierter strukturmechanischer Analyse und Fertigungsintegration.
• Automatisierte Erstellung reduzierter Berechnungsmodelle durch KI-gestützte Identifikation von Verbindungen und Materialübergängen.
• Nutzung struktureller Redundanz und Verhaltensmuster für effizientere Analysen und kostengünstigere Berechnungen.

Dieses Forschungsprojekt entwickelt eine integrierte Methode für das computergestützte Design und die Konstruktion von Verbundkonstruktionen aus Holz und Biofasern, die Computervision, fundierte mechanische Kenntnisse, Echtzeitüberwachung und kontextbezogene Visualisierung (situated visualisation) einbezieht. Dadurch sollen die entscheidenden Herausforderungen hinsichtlich der Vorhersagbarkeit der Leistungsfähigkeit und der Materialeffizienz in einem vollständig biobasierten System bewältigt werden. Aufbauend auf den Errungenschaften des IntCDC im Bereich Naturfaserverbundwerkstoffe, die zu Gewichtsreduktionen um das Fünfzigfache gegenüber vergleichbaren Betonkonstruktionen geführt haben, befasst sich das Projekt mit grundlegenden Einschränkungen: dem Mangel an zuverlässigen, schnell integrierbaren Daten; hoher Materialvariabilität; und der Leistungsfähigkeit der Verbindungen als primärer Versagensfall.

Das Projekt treibt die Entwicklung von Bausystemen aus Naturfasern und das kernlose Filamentwickeln (CFW) aus den vorangegangenen Ergebnissen in Richtung Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz voran und entwickelt gleichzeitig umfassende Multimaterialsysteme, die strukturelle Leistungsanforderungen und die Fertigung unter Einbeziehung mehrerer Akteure berücksichtigen. KI-gestützte Konstruktionsunterstützung und die Überwachung mittels faseroptischer Sensoren (FOS) sorgen für eine höhere Vorhersagbarkeit und ermöglichen gleichzeitig eine Reduzierung der Sicherheitsfaktoren und des Materialbedarfs durch datengestützte Ansätze, Optimierungsalgorithmen mit Redundanzverteilung sowie verbesserte Visualisierungsmethoden.

Echtzeit-Feedback auf Basis von Sensoren und Bildverarbeitung verknüpfen Fertigungsdaten mit dem digitalen Modell und ermöglichen so eine cyber-physische Vorfertigung mit einer spontanen Anpassung der Roboterprozessparameter und einer kontinuierlichen, automatisierten Sicherheitsbewertung. Neuartige faserbasierte Verbindungsgeometrien gewährleisten die Faserkontinuität und minimieren gleichzeitig Spannungskonzentrationen. Modulare Systemkonzepte ermöglichen die Nachrüstung von Gebäudebeständen im Hinblick auf die städtische Verdichtung. Über IntCDC und DaRUS verbreitete Softwaretools und validierte Datensätze fördern das KI-unterstützte Zusammenspiel, die sogenannte Co-Agency, von Mensch und Material und zeigen Wege zu ressourceneffizienten und zirkulären Architekturtypologien auf.

Teil des Projekts von Seiten des Instituts für Baustatik und Baudynamik ist die Entwicklung eines benutzerorientierten computergestützten Entwurfstool, in das strukturmechanische Informationen mittels matrixbasierter Entwurfsmethoden integriert sind und das speziell auf hybride Faser-Holz-Konstruktionen zugeschnitten ist. Das Tool berücksichtigt Fertigungseinschränkungen und ermöglicht quantitative mechanische Bewertungen (wie z. B. strukturelle Redundanz) während des gesamten Entwurfsprozesses, vom ersten Konzept, über die Fertigungsphase bis hin zur Fertigstellung.

Zudem soll eine KI-gestützte automatisierte Erstellung von mechanischen Strukturmodellen entwickelt werden, die auf das hybride Faser-Holz-System ausgerichtet ist. Es sollen Elementverbindungen und Materialübergänge identifiziert werden, um physikalische Strukturen in reduzierte Berechnungsmodelle umzuwandeln.

Ein datenbasiertes Framework, in das Informationen zur strukturellen Redundanz integriert sind, soll durch die Vorverarbeitung der Daten die Analysegenauigkeit verbessern und so die Effizienz steigern. Ergänzend dazu sollen systematische Verhaltensmuster der Hybridkomponenten in Szenarien mit vielen Abfragen genutzt werden, um verbesserte Vorhersagefähigkeiten und kostensparende Berechnungen ermöglichen.

Projekttitel:
Integrative computational design and engineering methods for novel hybrid bio-fibre timber composite systems
(Forschungsprojekt 12-3)
Förderung:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), EXC 2120: Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für eine transformative Architektur (IntCDC), GEPRIS-Projektnummer 390831618
Projektpartner:
Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE), Universität Stuttgart
Institute für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD), Universität Stuttgart
Visualisierungsinstitut (VISUS), Universität Stuttgart
Institut für Textil- und Fasertechnologien (ITFT), Universität Stuttgart