Formfindung und Potential beanspruchungsadaptiver Faltungen

Musto, Juan; Trautz, Martin; Kobbelt, Leif

doi:10.18154/RWTH-2023-01104

Formfindung und Potential beanspruchungsadaptiver Faltungen = Form finding and potential of stress adapted foldings

Musto, Juan^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juan Musto, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Trautz, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Kobbelt, Leif (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-01104
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/889529/files/889529.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Tragkonstruktionen (211110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Formfindung (frei) ; Leichtbau (frei) ; Parametrisierung (frei) ; Spannungstrajektorien (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Die Faltung ist ein äußerst effizientes Konstruktionsprinzip, das bei geringem Materialaufwand ein relativ hohes Tragvermögen präsentiert. Im Bauwesen respektive Stahlbau beschränkt sich der Einsatz von Faltungen auf die konventionellen Longitudinalfaltungen aus dünnwandigen, ebenen Halbzeugen wie Trapezbleche, Z-Profi le etc., die auf hierarchisch strukturierte Sekundärkonstruktionen angewiesen sind. Mit Raumfaltwerken, die punktuelle Falten (Pyramidalfaltungen) mit einer weiteren strukturellen Lage kombinieren, lassen sich freitragende Faltungen realisieren. Exemplare solcher Raumfaltwerke basieren auf einem regelmäßigen Faltmuster, dass aus einer Tesselierung der Geometrie mit regelmäßigen Primitivflächen (Drei-und Vierecke) hervorgeht. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Effizienz eines solchen Leichtbaus verbessert wird, wenn, statt eines regelmäßigen und geometrisch hergeleiteten Faltmusters, ein Faltschema nach Maßgabe von Beanspruchungen konzipiert wird. Hierzu wird ein Formfindungsprozess vorgestellt, der ein Faltmuster auf Basis einer Flächentesselierung nach den Hauptspannungsrichtungen ableitet. Mit den Algorithmen einer parametrisierungsbasierten Netzgenerierung wird ein Trajektoriennetz berechnet, bei dem die Netzkanten in ihrer Orientierung und Dichte an Richtung und Intensität der Hauptspannungen eines statischen Systems adaptiert sind. Eine Gegenüberstellung der Tragfähigkeit einer Faltstruktur, deren Faltmuster nachgeometrischen Prinzipien entworfen ist, mit einem korrespondieren Faltmuster auf Basis des entwickelten Trajektoriennetzes bestätigt, dass die beanspruchungsadaptive Faltung zur Aufnahme der gleichen Last wesentlich weniger Materialeinsatzbedarf. Darüber hinaus kennzeichnet sie ein deutlich steiferes Strukturverhalten, das sich trotz des geringeren Materialaufwands mit geringeren Verformungen präsentiert.

Folding is a highly effi cient design principle with a relatively high load-bearing capacity using a small amount of material. In construction respectively steel construction,the use of folding’s is limited to the conventional longitudinal folds of thin-walled, fl at semi-finished products, which rely on hierarchically structured secondary structures such as trapezoidal sheets, Z-profi les, etc. Employing space folds, which combine point folds (pyramidal folds) with another structural layer, self-supporting folds canbe realized. The examples of such spatial folds are characterized by a regular folding pattern resulting from tessellation of geometry with regular primitive surfaces (triangles and quadrilaterals). In this research it is demonstrated that the effi ciency of such a light weight structure is improved when, instead of a regular and geometrically derived folding pattern, the folding pattern is designed according to stresses. For this purpose, a form finding process is proposed that derives a folding pattern based on a surface tessellation according to the principal stress directions. With the parameterization based mesh generation algorithm, a trajectory mesh is calculated,in which the mesh edges are adapted in their orientation and density to the direction and intensity of the principal stresses of a structural system. A comparison of the load bearing capacity of a folding structure, where the folding pattern is designed according to geometric principles with a corresponding folding pattern based on the developed trajectory network, shows that the stress-adaptivefolding requires significantly less material to carry the same load. In addition, it is characterized by a significantly stiff er structural behavior, as it presents itself with lower deformations, despite the lower material input.

OpenAccess:
PDF
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