Geometrische Bewertung und Optimierung der Modulanordnung in Tragwerken – Ein Beitrag zur adaptiven Fertigung im Bauwesen

Mark

2022

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Betonfertigteile müssen Toleranzen einhalten, um sie montieren zu können und Tragfähigkeit sowie Gebrauchstauglichkeit sicherzustellen. Ansonsten sind Nachbearbeitungen nötig, die den Bauprozess verzögern. Klassischer Toleranzausgleich erfolgt über Pressfugen, die auch die nötigen Kräfte übertragen. Bei modularen Bauweisen steht die Schnellmontage im Vordergrund. Es bieten sich dann Schnellverbinder wie etwa Schrauben oder Trockenfugen an. Aus der feineren Modulteilung entstehen zudem weit mehr Verbindungen, sodass sich Ungenauigkeiten superponieren. Die Anforderungen an die geometrische Genauigkeit steigen rapide. Im Beitrag werden die Herstelltoleranzen für automatisierte Fertigungen seriengerechter Module zusammengestellt und dem Stand der Technik gegenübergestellt. Für ausgewählte Modultypen werden Abweichungen mittels Fehlerfortpflanzung nachverfolgt und für einzelne Bauabschnitte bzw. ganze Tragwerke überlagert. Es zeigt sich, dass in der Regel automatisierte Fertigungen nötig sind und handwerkliche ausscheiden. Linienartige Modultragwerke erreichen bis etwa 30 m Länge Abweichungen unter 1 mm bei gängigem Zuverlässigkeitsniveau von 2σ. Bei scheibenartigen Tragwerken resultieren Lochspiele unter 0,5 mm, und zwar für hohe Zuverlässigkeitsniveaus von 4σ. Dies gelingt in qualitätsgesicherter, automatisierter Vorfertigung.

Section: Allgemeinesunclassified

Fertigungstoleranzen von Betonfertigteilen für die modulare Bauweise

Mark

2022

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“…(4) Die arithmetische oder statistische Toleranzrechnung erfordert lineare Toleranzketten mit nur einem Bauteil als Bezugspunkt [12][13][14]. Exemplarisch ist dies in Bild 1a) für eine Wandscheibe aus zwei Bauteilen dargestellt, deren Abmaß δ ges aus der Akkumulation der einzelnen Abweichungen δ 1 und δ 2 der Wandsegmente resultiert.…”

Section: Topologische Klassifizierung Von Mehrkörpersystemenunclassified

“…Dazu wird die ebene Rahmenstruktur zunächst geometrisch und topologisch beschrieben. Maßgebliche Lagetoleranzen resultieren aus dem Schwinden des verwendeten Betons, was Translationen und Rotationen der Module verursacht [14]. Diese unterscheiden sich zudem in Abhängigkeit vom verwendeten Beton.…”

Section: Introductionunclassified

Genauigkeitsgrenzen modularer Betontragwerke – Teil 1: Beschreibung von geometrischen Abweichungen infolge Schwinden

Stindt

Frey

et al. 2022

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Modulares Bauen bietet gegenüber der Ortbetonbauweise ökonomische Vorteile. Die Module können qualitätsgesichert im Werk vorgefertigt und vor Ort montiert werden. Um eine störungsfreie Montage der Module zu ermöglichen, ist eine Tolerierung erforderlich, die die mehrdimensionale Aggregation von Maßabweichungen der Module in komplexen Tragwerken berücksichtigt. Eindimensionale arithmetische und statistische Methoden sind dafür nur bedingt geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, die modulare Wabenstrukturen mittels direkter Kinematik modelliert und sowohl translatorische als auch rotatorische Lageabweichungen berücksichtigt, die aus Maßabweichungen von Y‐förmigen Modulen infolge Schwindverformungen entstehen. Für ausgewählte Szenarien hinsichtlich Tragwerksgröße und verwendetem Beton werden damit die zur Verbindung der Module notwendigen Lochspiele und Gesamtabweichungen hergeleitet und mit den im Bauwesen gängigen Verfahren des Toleranzmanagements untersucht. Die geometrischen Abweichungen in horizontaler Richtung infolge der Schwinddehnungen unterschiedlicher Betone werden von den normativen Methoden z. T. unterschätzt, da keine Rotationen der Module berücksichtigt werden. Vertikale Abweichungen werden hingegen konservativ abgeschätzt. Die erforderlichen Nennlochspiele steigen mit zunehmender Strukturgröße, sodass Abmessungen von ca. 30 m des klassischen Hochbaus mit normalen Schraubverbindungen Δd ≤ 3 mm assembliert werden können.

“…Eine Weiterentwicklung dieser klassischen Fertigteilbauweise ist der Modulbau [3]. Kernziel ist es dabei, die Wiederholung der einzelnen Fertigteile zu erhöhen, also von einer Kleinserie oder Einzelanfertigung hin zu serienartigen Vorproduktionen zu kommen [4]. Module unterteilen die Tragwerke in viele Einzelelemente, sodass den Verbindungen bzw.…”

Section: Introductionunclassified

“…Zudem führt Gleiten (Schraubenschlupf) innerhalb der Verbindungen zu weiteren geometrischen Lageabweichungen, welche neben den Maßabweichungen der Bauteile (z. B. infolge Schwinden) berücksichtigt werden müssen [4]. Es erscheint daher sinnvoll, die Zuverlässigkeit der Montierbarkeit von modularen Betontragwerken unter Berücksichtigung von Maßabweichungen und dem Schraubenschlupf der angedachten Verbindung zu untersuchen und zu bewerten.…”

Section: Introductionunclassified

Genauigkeitsgrenzen modularer Betontragwerke – Teil 2: Probabilistische Bewertung der Montage mit Schraubenverbindung

Stindt

Frey

et al. 2022

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Der Beitrag behandelt die Montage von modulartigen Betonfertigteilen mit Fachwerkknoten aus Stahl. Dazu werden Wabenstrukturen betrachtet, die aus vielen Fertigteilen mit Y‐Form bestehen. Der Beitrag baut auf der für die Wabenstrukturen im Teil 1 abgeleiteten Bewegungskinematik zwischen den einzelnen Modulen auf, wobei Schwinddehnungen Verformungen in den Modularmen erzeugen. Für die Montage werden Schraubenverbindungen betrachtet, die entweder klassisches Lochspiel besitzen oder gleitfest fixiert werden. Bei Letzterem kompensiert ein Ausrichten vor dem Fixieren einen Teil von Abweichungen. Die Zuverlässigkeit der Montage wird mit probabilistischen Methoden auf Grundlage von Monte‐Carlo‐Simulationen überprüft. Es zeigt sich, dass reine Lochleibungsverbindungen nur für sehr wenige zu kombinierende Module geeignet sind. Gleitfeste Verbindungen mit kompensatorischem Ausrichten sind mit einem Konfidenzintervall vierfacher Standardabweichung geeignet, Wabenstrukturen bis ca. 60 m Höhe und Breite zuverlässig zusammenzusetzen.