Biologisch inspirierte Modellierung von Fertigungsprozessen | Förderphase 2
In der zweiten Förderperiode werden numerische Modelle für die Simulation und Berechnung der Fertigungsverfahren von carbonbewehrten Betonbauteilen entwickelt. Die Modelle basieren auf thermodynamisch konsistenten Formulierungen basierend auf der Kontinuumsmechanik. Dabei werden die Phasenumwandlungsprozesse während des Abbindens, Relativbewegungen zwischen Bewehrungselementen und Beton sowie eine chemisch gesteuerte Vorspannung berücksichtigt.
Aus der Adaption biologischer Beispiele wird das Simulationsmodell anschließend für die Vorhersagen für die im TRR 280 verfolgten Fertigungsverfahren treffen und so zu deren Weiterentwicklung beitragen.
Wissenschaftler
01062 Dresden
01062 Dresden
Kooperationen
Ehemalige | Former involved
Jakob Platen (wissenschaftlicher Mitarbeiter, TU Dresden, 10/2020 – 06/2024)
Theoretisch-numerische Abbildung biologischer Entwicklungsprozesse als Strukturgenerator für den Entwurf von Tragwerken aus Carbonbeton | Förderphase 1
Das Teilprojekt A02 beschäftigt sich mit der thermodynamisch konsistenten Beschreibung von Wachstumsvorgängen biologischer Strukturen und deren Übertragung auf den technischen Strukturentwurf aus Carbonbeton. Dafür werden Wachstumsprinzipien der Natur identifiziert und mathematisch formuliert. Die Beschreibung erfolgt mithilfe der Kontinuumsmechanik, um in der numerischen Simulation mittels der finite Elemente Methode eingesetzt zu werden. Um die thermodynamische Konsistenz zu gewährleisten, werden die kontinuumsmechanischen Erhaltungsgleichungen angepasst. Anschließend erfolgt eine Validierung der Modelle anhand biologischer Daten, um die Realitätsnähe der Annahmen zu überprüfen. Die erhaltenen Erkenntnisse werden genutzt, um Analogien zum biologischen Wachstum im technischen Strukturentwurf zu finden. Die entwickelten Strategien werden in einem Generator für biologische Strukturen und technische Carbonbetonstrukturen den anderen Teilprojekten zur Verfügung gestellt. Die Simulation des Generators ergibt anhand natürlicher Prinzipien optimierte Entwürfe. Die so erstellten Strukturen dienen im weiteren Verlauf den anderen Teilprojekten als Inspiration.
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
Platen, J.; Fleischhauer, R.; Kaliske, M. (2023) On the continuum mechanics of growing plant-like structures in: Computational Mechanics, issue 73 – DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-023-02387-8
Platen, J.; Pauls, B.; Rjosk, A.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, Chr.; Kaliske, M. (2023) Modeling Growth of Plants for Biologically Inspired Structures of Carbon Fiber Reinforced Concrete 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. 1262–1272 – https://doi.org/10.1007/978-3-031-32511-3_129
Platen, J.; Storm, J.; Bosbach, S.; Claßen, M.; Kaliske, M. (2024) The microlayer model: A novel analytical homogenisation scheme for materials with rigid particles and deformable matrix matrix – applied to simulate concrete in: Computers & Structures 293, 107258 – DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2023.107258
Platen, J.; Zreid, I.; Kaliske, M. (2023) A nonlocal microplane approach to model textile reinforced concrete at finite deformations in: International Journal of Solids and Structures 267, 112151 – DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2023.112151
Stöcker, J.; Platen, J.; Kaliske, M. (2023) Introduction of a recurrent neural network constitutive description within an implicit gradient enhanced damage framework in: Computers & Structures 289, 107162 – DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2023.107162
Vakaliuk, I.; Platen, J.; Klempt, V.; Scheerer, S.; Curbach, M.; Kaliske, M.; Löhnert, S. (2022) Development of load-bearing shell-type TRC structures – initial numerical analysis in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 1799–1808.
Vorträge und Poster | Oral presentations and posters
Pauls, B.; Platen, J.; Kaliske, M.; Lautenschläger, T.; Neinhuis, C. (2023) Plant Growth as Inspiration for Novel Carbon Concrete Components poster at: 10. Bionik-Kongress, 12./13.05.2023 in Bremen.
Platen, J.; Kaliske, M. (2022) A Microplane Model for Textile Reinforced Concrete at Finite Stains oral presentation at: 8th European Congress in Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, 05.–09.06.2022 in Oslo (Norway).
Platen, J.; Kaliske, M. (2022) Ein kontinuumsmechanisches Modell für das Wachstum von Pflanzen oral presentation at: Baustatik – Baupraxis Forschungskolloquium 2021 in 2022, 27.–30.09.2022 in Kloster Steinfeld.
Studentische Arbeiten | Student's works
Velasquez, S. G. (2021) Elasto-plastic Modelling of Fiber Reinforced Composite Materials at Finite Deformations [Projektarbeit | project work]
Oropeza, A. (2023) Implementation of a Microplane Material Model in the Implicit Material Point Method (MPM) [Projektarbeit | project work]
Oropeza, A. (2023) Implementation of an Implicit Gradient Enhanced Microplane Material Model in the Implicit Material Point Method (MPM) [Masterarbeit | Master’s Thesis]