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Open Access
Integrated design methods for the simulation of fibre-based structures
(2013) Waimer, Frédéric; La Magna, Riccardo; Reichert, Steffen; Schwinn, Tobias; Menges, Achim; Knippers, Jan
The production of structural components based on fibre-reinforced polymers (FRP) for the building industry is still characterised by a classic downstream development process from design through engineering and down to fabrication. In the aerospace and automotive industry, the current technical developments in simulation and manufacturing processes have reached a highly advanced status. Nevertheless, these manufacturing and Analysis processes are in most cases non-transferable or unsuitable for architectural and structural purposes. The goal of the research presented in this paper is to take advantage of the benefits of FRPs within the architectural domain - focusing on material efficiency, durability and light-weight construction - and to find solutions for the problem of transferability into the building scale. For the construction of a Pavilion built on the campus of the University of Stuttgart in 2012, process-specific tools with a high degree of accuracy embedded from the start were developed for the material analysis, optimisation and fabrication steps. In contrast to product prototyping, which forms the basis of industrial mass production, prototype here refers to the establishment of processes within the context of a post-industrial, customised fabrication paradigm.
Open Access
Integrative numerical techniques for fibre reinforced polymers - forming process and analysis of differentiated anisotropy
(2013) Waimer, Frédéric; La Magna, Riccardo; Knippers, Jan
In the current paper, the authors developed two different numerical methods for fibre reinforced polymers. The first method deals with the simulation of an innovative manufacturing process based on filament winding for glass and carbon fibre reinforced polymers. The second developed numerical method aims at modelling a high level of material complexity and allowing reciprocal confrontation with a geometric differentiated global structure. The developed numerical techniques served as a basis for the design and implementation of a Pavilion built on the campus of the University of Stuttgart in 2012 and could thus be tested and proved.
Open Access
Integrative Planung und Herstellung von freigeformten Verbundtragwerken aus CFK und Beton
(Stuttgart : Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart, 2017) Waimer, Frédéric; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
Die geometrische Komplexität von freigeformten Flächentragwerken in der gegenwärtigen Architektur lässt sich kaum noch wirtschaftlich umsetzen. Die Realisierung ist mit hohen Fertigungs- und Planungskosten verbunden und daher nur wenigen Bauvorhaben vorbehalten. Die herkömmlichen Bautechniken, Bauweisen, Materialien und Planungsprozesse sind Ursache für die hohen Kosten. Faserverstärkte Kunststoffe, automatisierte Fertigungsverfahren und digitale Planungsmöglichkeiten scheinen ein hohes Potential zu besitzen, dieser Problematik entgegenzuwirken. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Flächenverbundbauweise, bestehend aus einer verlorenen karbonfaserverstärkten Kunststoffschalung (CFK) und Beton, vorgestellt, die es ermöglicht freigeformte Flächentragwerke effizienter umzusetzen. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Tragverhaltens, der Herstellung der freigeformten verlorenen Schalung und der Planung der Bauweise. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften der entwickelten kraftschlüssigen Verbindung zwischen Schalung und Beton zeigen, dass auf eine Stahlzugbewehrung verzichtet werden kann. Dies erlaubt es einerseits aufwendige Bewehrungsarbeiten zu vermeiden und andererseits die Schalendicke zu verringern. Die Korrosionsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der CFK-Verbundschalung ermöglicht es dabei, die Bauteile mit einem schlankeren Querschnitt auszuführen. Die Herstellung der Verbundschalung erfolgt durch einen neuen Ansatz in der Faserwickeltechnik. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf der geometrischen Ausbildung des Wickelkerns und der Simulation des Wickelvorgangs mittels computergestützter Berechnungsverfahren. Die Integration von zusätzlichen Fertigungsschritten ermöglicht ein Verfahren, das es erlaubt, freigeformte flächige Bauteile zu fertigen. Das Faserwickelverfahren beschränkt sich bisher auf die Herstellung von Bauteilen mit geschlossenen Querschnittsformen. Die Vorteile des klassischen Verfahrens, wie hoher Faservolumengehalt, geringe Fertigungskosten, kurze Prozesszeiten und hohe Ausführungsqualität, sind dabei weiterhin gegeben. Aufgrund der festgestellten starken Wechselwirkung bei der Planung von Geometrie, Tragwerk und Fertigung, ist für die entwickelte Bauweise eine üblicherweise getrennte und in Reihe geschaltete Bearbeitung der Planungsaufgaben nicht zielführend. Um die Vorteile der Flächenverbundbauweise voll auszuschöpfen, wird in dieser Arbeit abschließend eine integrative Planungs- und Optimierungsstrategie vorgestellt. Diese ermöglicht es, die Eigenschaften von Geometrie, Herstellung und Tragverhalten in ein optimales Verhältnis zu bringen. Die verfolgte Strategie führt zusätzlich zu einer Verkürzung der Planungszeit, einer Reduzierung der Kosten für Planung und Fertigung, sowie einer ästhetischen und ressourcenschonenden Konstruktion. Zur Bestimmung der optimalen Lösung wird ein stochastisches, metaheuristisches Optimierungsverfahren entwickelt, dessen Funktionsweise auf der Nahrungssuche der E-Coli Bakterien beruht.
Open Access
Nature-inspired generation scheme for shell structures
(2012) La Magna, Riccardo; Waimer, Frédéric; Knippers, Jan
Although less researched and put into practice in the building environment, pure plate structures are to be observed frequently in biological structures. The 3-plate principle which is common in the morphology and growth pattern of natural systems is also found to be of a structurally optimum content when considered from a plate point of view. This is for instance the case of the sea urchin’s plate skeleton morphology, which served as biological inspiration for the recently built ICD/ITKE Research Pavilion 2011 at the University of Stuttgart. The current paper will focus on the 3-plate principle and its mechanical features, also presenting study models to analyse the structural characteristics and advantages of the principle. Along with the theoretical background, the paper will introduce the structural concept of the pavilion, as well as the analysis methods used for its design and engineering.