Baufortschrittssimulation
Motivation
Der Entwurf von Bauwerken ist hoch komplex, da in der Regel viele Akteure in diesem iterativen und interdisziplinären Planungsprozess beteiligt sind. Probleme entstehen oftmals aufgrund vieler verschiedener Modelle für das gleiche Bauwerk. Daraus entsteht die Idee eines vereinheitlichten Entwurfs- (CAD) und Analyseumgebung (FE), die mit dem gleichen Modell während der ganzen Planungsphase arbeitet.
Baufortschritt
Um einen kompletten Aufbauprozess abzubilden müssen alle erforderlichen Komponenten entwickelt und implementiert werden. Vorverformung und Vorspannung sind dabei essentielle Bestandteile. Die Wahl der Berücksichtigung der vorigen Bauzustände beeinflusst die Ergebnisse der aktuellen Simulation sehr. Die Reihenfolge der Schritte ist ebenso wichtig für die Simulation von nichtlinearen Prozessen, da die einzelnen Schritte nicht separat berechnet und dann superponiert werden können. Die Informationen jedes einzelnen Bauzustands müssen am Modell abgespeichert werden, wodurch ein Datenmanagement nötig wird.
Bauzustände des Pringles
Im Folgenden wird eine biegeaktive Struktur, genannt Pringle, zur Veranschaulichung gezeigt. Die Steifigkeit von hybriden Tragwerken resultiert aus dem Zusammensetzen von nichtlinear verformten und vorgespannten Elementen in einer bestimmten Reihenfolge. Daraus folgt, dass die finale Struktur abhängig von den einzelnen Schritten ist und nicht direkt berechnet werden kann. Der Beispielaufbauprozess des Pringles besteht aus folgenden Modellierungs- und Simulationsschritten:
a) Der Randbalken, der die Membran halten wird z.B. mit Hilfe eines Endmoments zu einem Kreis gebogen.
b) Die Enden des Randbalkens werden verbunden. Zwei Seile werden hinzugefügt und per schwacher Kopplung an den Balken angeschlossen. Der Randbalken wird mit steigender Vorspannung in den Seilen in die Pringle-Form gebogen.
c) Die Seile werden wieder entfernt. Das Ergebnis aus Schritt b) dient als Randkurve für die Erstellung der Initialfläche der Membran für die Formfindung. Der Randbalken stellt ein elastisches Auflager dar.
d) Die formgefundene Struktur kann nun für weitere Analysen wie die Windlastsimulation genutzt werden.
Plug-In "Kiwi3d"
Der Planungsprozess ist oft durch die Zeit begrenzt. Parametrisches Design erlaubt die automatische Ableitung des Modells durch einige Inputparameter. Momentan wird diese Funktion hauptsächlich getrennt für Geometrieentwurf und Analyse verwendet. Durch die Verwendung des entwickelten Plug-Ins Kiwi3d in Grasshopper® kann nun auch eine parametrisierte Baufortschrittssimulation in CAD-Umgebung erstellt werden. Die Änderung eines Inputparameters hat die automatische Anpassung aller darauf folgenden Schritte bis zur finalen Struktur zur Folge. Eine weite, mechanisch korrekte Parameterstudie für das abschließende Design wird möglich und die Ergebnisqualität kann erhöht werden, da mehrere Varianten in kürzerer Zeit analysiert werden können.