Vergleich biologisch inspirierter und optimierter Balkenstrukturen


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robert.naguschewski [ at ] awi.de

Abstract

In einer Zeit mit stark steigenden Stahlpreisen und gleichzeitig neuen Werkstoffen und Verfahren zur Schaffung von komplexen Geometrien, welche auf den Markt drängen, stellt sich die Frage, ob der I-Träger noch langfristig sinnvoll ist. Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte f¨ur Balkenträger zu erstellen und sie mit in der Industrie etablierten Trägern zu vergleichen. So werden drei neue Konzepte auf Basis der Prinzipien der Bionik erstellt und mit Finite Elemente Methode (FEM)-Analysen untersucht. Dabei werden Verschiebung und Auslastung bei gleicher Masse verglichen und in Bezug zur Referenz gesetzt. Zudem werden alle Träger untereinander verglichen und ihrer Vor- und Nachteile herausgestellt. Auch auf die Möglichkeiten der Produktion wird eingegangen. Als Vorbild gelten die Schalen von Diatomeen und Radiolarien, die es durch ihre aufwendige Geometrie imstande sind, auch großen Belastungen zu widerstehen. Die drei Träger, von unterschiedlichen Diatomeen und Radiolarien inspiriert, fokussieren jeweils auf eine Art des Aufbaus. So ist Träger 1 für einen Aufbau aus Stahl, Träger 2 auf Faserverbundmaterialien sowie Träger 3 für die Produktion im Additive Manufacturing (AM)- Verfahren ausgelegt. Durch eingeschränkte Software können sämtliche Untersuchungen nur in Stahl durchgeführt werden und auch eine homogene Auslastung zur erzielen gestaltet sich als schwierig. Generell ist festzuhalten, dass es in den untersuchten Biegelastfällen schwierig ist, die Simulationswerte eines normgerechten I-Trägers zu übertreffen, nicht jedoch sie zumindest zu approximieren. Einzig für einen Torsionslastfall können sich die neu entwickelten Träger klar durchsetzen. Träger 1 gilt dabei als abgelehnt, während Träger 2 und 3 weitgehend überzeugen können. Für eine Massenproduktion in Stahlbauweise setzt sich in sofern der I-Träger ob seiner geringen Produktionskosten und guten Ergebnisse bei Biegebelastung klar ab. Bei einer Produktion aus Faserverbundmaterialien hingegen könnte sich eine Form wie in Träger 2 als den Eigenschaften des Werkstoffs entgegenkommend herausstellen. Träger 3 ist mit seiner hohen Variabilität und Anpassungsmöglichkeiten auf unterschiedliche Basisformen interessant für AM-Verfahren.



Item Type
Thesis (Bachelor)
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Primary Division
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Primary Topic
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Not peer-reviewed
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Published
Eprint ID
38272
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Seseke, D. and Naguschewski, R. (2014): Vergleich biologisch inspirierter und optimierter Balkenstrukturen , Bachelor thesis, Westfälische Hochschule.


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