Eine neue Methode für das effiziente Design von modularen Strukturen aus Carbonbeton | Förderphase 2
Die zentrale Herausforderung dieses Projekts ist die Weiterentwicklung des modularen Strukturgenerators für die Generierung von praxisrelevanten Designs von Carbonbetonstrukturen. Zum einen soll das in der ersten Phase entwickelte Modellreduktionsverfahren für modulare Strukturen verbessert werden. Andererseits werden verschiedene Konstruktionsanforderungen an modulare Betonstrukturen und Funktionsgruppen von Modulen entwickelt und untersucht. Außerdem wird der Baukasten mit Modulen aus anderen Projekten erweitert. Um die Effizienz und Qualität der Strukturerzeugung zu steigern, werden neuartige Montagestrategien und maschinelles Lernen eingesetzt. Schädigung und Plastizität werden berücksichtigt, um die Auslegung von Strukturen zu verbessern.
Wissenschaftler
52074 Aachen
52074 Aachen
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Kooperationen
Ehemalige | Former involved
Prof. Dr.-Ing. habil. Stefanie Reese (Teilprojektleiterin, RWTH Aachen, 07/2020 – 06/2024)
Stephan Ritzert (wissenschaftlicher Mitarbeiter, RWTH Aachen, 10/2021 – 06/2024)
Eine neue Methodologie zur Übertragung effizienter Lastabtragsmechanismen aus der Natur auf Strukturen aus Carbonbeton | Förderphase 1
Ziel dieses TP ist es, mit Hilfe eines sogenannten modularen Strukturgenerators, möglichst viele in die Praxis umsetzbare Varianten von bioinspirierten Strukturen aus Carbonbeton zu liefern.
Zunächst geht es in diesem TP darum, wesentliche baubionische Elemente – zum Beispiel Stiele als Stützelemente sowie Blattlamina als schalenartige Deckenelemente – zu identifizieren. Ziel ist es, im Rahmen einer neuartigen Substrukturtechnik die vielfältigen Varianten für das Zusammenwirken der neuen baubionischen Elemente in einer Art Modulbaukasten zu ermöglichen. Um dabei effiziente und robuste Simulationen durchführen zu können, werden einerseits spezielle finite Elemente mit reduzierter Integration und andererseits die Methode der Modellreduktion für die einzelnen Module angewendet. Im Fokus steht die Berücksichtigung der materiellen Anisotropie aufgrund veränderlicher Faserorientierung sowie der Übergangsbedingungen, mittels derer die einzelnen Module miteinander verbunden werden.
Schließlich wird ein Screening-Algorithmus entwickelt, der automatisiert verschiedene Strukturen bestehend aus im Baukasten vorhandenen Modulen erstellt. Die derart generierten Strukturen werden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in bautechnischen Problemstellungen vergleichend evaluiert.
Im Rahmen von A01 wird das Seed-Fund-Projekt "Virtuelle Experimente an Bestandteilen der Pflanzen" (1. Runde 2022) durchgeführt.
Publikationen | Publications
Curosu, V.; Kikis, G.; Krüger, C.; Liebold, F.; Macek, D.; Mester, L.; Platen, J.; Ritzert, S.; Stüttgen, S.; Kaliske, M.; Klinkel, S.; Loehnert, S.; Maas, H.-G.; Reese, S.; Robertz, D. (2023) Ansätze für numerische Methoden zur Inspiration, Analyse und Bewertung neuartiger Carbonbetonstrukturen in: Bauingenieur 98, issue 11, p. 368–377 – DOI: 10.37544/0005-6650-2023-11-56
Macek, D.; Holthusen, H.; Rjosk, A.; Ritzert, S.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Simon, J. W.; Reese, S. (2022) Mechanical investigations of the peltate leaf of Stephania japonica (Menispermaceae): Experiments and a continuum mechanical material model in: Frontiers in Plant Science 13 – DOI: 10.3389/fpls.2022.994320
Macek, D.; Holthusen, H.; Rjosk, A.; Ritzert, S.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Simon, J.-W.; Reese, S. (2023) A constitutive model for modeling the mechanical behavior of the peltate leaf of Stephania japonica (Menispermaceae) in: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 23, issue 3, Special Issue: 93rd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), e202200288 – DOI: https://doi.org/10.1002/pamm.202200288
Macek, D.; Rjosk, A.; Ritzert, S.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Reese, S. (2023) Numerical Simulations of the Mechanical Behavior of Plant Tissues as an Inspiration for Carbon Reinforced Concrete Structures in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1408–1417 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_144
Macek, D.; Rjosk, A.; Ritzert; S.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Reese, S. (2023) Pflanzengewebe als Inspiration für Carbonbeton-Strukturen: Morphologie und mechanisches Verhalten in: Bauingenieur 98, issue 07–08, p. 227–233 – DOI:10.37544/0005-6650-2023-07-08-49
Ritzert, S.; Macek, D.; Simon, J. W.; Reese, S. (2022) Reduced Order Modeling for modular anisotropic Structures based on Proper Orthogonal Decomposition and Mesh Tying in: Koshizuka, S. [ed.] Proc. of 15th World Congress on Computational Mechanics (WCCM-XV) and 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM-VIII), 31.07.–05.08.2022 in Yokohama (Japan, virtual congress), 12 p. – DOI: https://doi.org/10.23967/wccm-apcom.2022.097
Ritzert, S.; Macek, D.; Simon, J.-W.; Reese, S. (2023) An adaptive model order reduction technique for parameter–dependent modular structures in: Computational Mechanics 73, p. 1147–1163 – DOI: https://doi.org/10. 1007/s00466-023-02404-w
Ritzert, S.; Macek, D.; Simon, J.W.; Reese, S. (2023) Reduced order modeling of modular parameter dependent structures based on proper orthogonal decomposition and mesh tying in: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 22, issue 1, Special Issue: 92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), 15.–19.08.2022 in Aachen, e202200189 – DOI:
https://doi.org/10.1002/pamm.202200189
Ritzert, S.; Rjosk, A.; Holthusen, H.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Reese, S. (2024) Mechanical modeling of the petiole-lamina transition zone of peltate leaves in: Acta Biomaterialia, Vol. 187, 278–290 – DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.08.019
Vorträge und Poster | Oral presentations and posters
Macek, D.; Brepols, T.; Holthusen, H. (2024) Discovering Tension-Compression Asymmetry in Plant Tissues Using inelastic Constitutive Artificial Neural Networks oral presentation at: 19th European Mechanics of Materials Conference, 29.–31.05.2024 in Madrid (Spain)
Macek, D.; Holthusen, H.; Rjosk, A.; Ritzert, S.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Simon, J. W.; Reese, S. (2022) A constitutive model for modeling the mechanical behavior of the peltate leaf of Stephania japonica (Menispermaceae) oral presentation at: 92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, 15.–19.08.2022 in Aachen
Macek, D.; Ritzert, S.; Reese, S.; Brepols, T.; Holthusen, H. (2024) A POD-Based Methodology for the Design of Modular Carbon-Reinforced Concrete Structures oral presentation at: 16th World Congress on Computational Mechanics and 4th Pan American Congress on Computational Mechanics (WCCM-PANACM) 2024, 21.–26.07.2024 in Vancouver (Canada)
Macek, D.; Ritzert, S.; Simon, J. W.; Reese, S. (2022) Proper Orthogonal Decomposition-Based Model Reduction For Modular Structural Systems oral presentation at: 9. GACM Coll. on Computational Mechanics, 21.–23.09.2022 in Essen
Ritzert, S.; Holthusen, H.; Macek, D.; Rjosk, A.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C.; Reese, S. (2023) Modeling technique for petiole-lamina connections of peltate leaves in: ECCOMAS 7th Young Investigators Conference YIC, 19.–21.06.2023 in Porto (Portugal, proceedings in preparation)
Rjosk, A.; Ritzert, S.; Macek, D.; Friese, D.; Neef, T.; Mechtcherine, V.; Cherif, C.; Reese, S.; Neinhuis, C.; Lautenschläger, T. (2023) A new approach to construction: using peltate leaves as inspiration in the design of novel carbon fibre reinforced concrete building components oral presentation at: 10. Bionik-Kongress, 12./13.05.2023 in Bremen (proceedings in preparation)
Studentische Arbeiten | Student's works
Ji, C. (2022) Numerical simulation of the anisotropic viscoelastic behavior of plant tissues at finite deformation [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Al Saidawi, M. (2023) Optimierung von parametrischen Strukturen basierend auf einem adaptiven Modellreduktionsverfahren mit Substrukturierung [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Kaya, D. (2024) Influence of a Sampling Approach on the Performance of the POD-Based Model Reduction Technique for Modular Systems [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]