Entwicklungsmethode zur Mechatronisierung von bautechnisch bewerteten Befestigungsmitteln am Beispiel eines chemischen Befestigungsmittels zur Integration eines Verschiebungssensors = Design method for the mechatronization of approved fasteners using the example of a chemical fastener for the integration of a displacement sensor
Creators: name: Horn, Sebastian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Befestigungstechnik
Verbundanker
Schadensanalyse
In Situ-Modell
Designraum
Gestalt-Funktion-Zusammenhang
Mechatronisierung
Sensor
Prädiktive Instandhaltung
Entwicklungsmethode ASTra

description: Durch immer größere und umfangreichere Bauprojekte und die steigende Lebensdauer von Bestandsgebäuden wachsen auch die Anforderungen an nachträgliche lasteinleitende Befestigungselemente. Mit dem Einzug der Digitalisierung in die Bauindustrie werden zunehmend neue Produkte zur Unterstützung eines Life-Cycle-Managements von Bauwerken entwickelt und eingeführt. Diese Arbeit stellt eine hierin entwickelte Methode ‚ASTRA‘ zur Mechatronisierung von Befestigungsmitteln vor. Das Akronym ASTRA steht für die Entwicklungsschritte dieser Methode ‚ANALYSE-SYNTHESE-TRANSFORMATION‘. Den Kern dieser Entwicklungsmethode bildet die Erweiterung eines bestehenden Befestigungsmittels, um eine mechatronische Sekundärfunktion ohne deren Primärfunktion zu beeinflussen. Dies geschieht am Beispiel einer Sensorintegration zur kontinuierlichen Zustandserfassung in ein bestehendes bautechnisch bewertetes Verbundankersystem, ohne dessen Primärfunktion ‚Haltekraft für Anbauteile gewährleisten‘ zu verschlechtern. Hieraus leitet sich die zentrale Forschungsfrage dieser Arbeit ab: Ist es möglich, ein bautechnisch bewertetes chemisches Befestigungsmittel mit einer geeigneten Entwicklungsmethode für die kontinuierliche Überwachung der Befestigungssituation zu mechatronisieren, ohne dabei seine Primärfunktion zu verschlechtern? Um diese zentrale Frage zu beantworten, werden zunächst mit Hilfe ausgewählter Methoden und erstellter Ersatzsysteme Teilforschungsfragen beantwortet, die aus dieser Frage abgeleitet wurden. Diese Vorgehensweise und die dafür ausgewählten Methoden werden schließlich als neue Entwicklungsmethode ASTRA zusammengefasst. Durch die Beantwortung der ersten Teilforschungsfrage dieser Arbeit wird der erste Entwicklungsschritt, die Analyse, durch die Überwindung der Beobachtungsbarriere beim Auszugsversuch eines Verbundankers beispielhaft dargestellt. Hierdurch ist es erstmals möglich, die kontinuierlichen Versagensmechanismen, wie die Rissbildung und deren Wachstum, beim zentrischen Auszugsversuch eines Verbundankers zeitlich und räumlich bestimmt zu beobachten und dadurch das Systemverständnis zu Verbundankersystemen zu erweitern. Mithilfe verschiedener Modellbildungsmethoden werden anschließend aus diesen Beobachtungen Erkenntnisse abgeleitet, um potenzielle Designräume zum Einbringen zusätzlicher mechatronischer Gestaltelemente zu identifizieren. Hierauf folgt die Beantwortung der zweiten Teilforschungsfrage, mit der der zweite Schritt, die Synthese, der neu erstellten Entwicklungsmethode ASTRA vorgestellt wird. Dieser Schritt zeigt die besondere Vorgehensweise im Vergleich zu anderen Entwicklungsmethoden. Hierbei werden die Erkenntnisse nicht direkt in das zu entwickelnde Produkt eingebracht, sondern es werden Ersatzmodelle erstellt, an denen mit geringem Herstellungs- und Versuchsaufwand bereits in einer sehr frühen Phase der Entwicklung eines mechatronisierten Befestigungsmittels Effekte und Wechselwirkungen der in Designräumen eingebrachten Gestaltelemente mit der zu erhaltenden Primärfunktion ermittelt werden können. Diese Ersatzmodelle werden als Gestalt-Funktion-Versuchsmuster (GFZ-Versuchsmuster) bezeichnet. Unterstützt wird auch dieser Entwicklungsschritt mit Experimenten nach Vorgaben des Bewertungsdokumentes EAD 330499-00-0601 im zentrischen Auszugsversuch mit enger Abstützung und mit mathematischen Methoden zur statistischen Bewertung der Ergebnisse. Anhand dieses Entwicklungsschrittes kann somit erstmals der quantifizierte Effekt einer Gestaltänderung bereits im frühen Stadium der Entwicklung von Befestigungsmitteln bestimmt werden, ohne dessen exakte gestalterische oder funktionale Ausprägung in diesem Entwicklungsstadium bereits zu erkennen. Hieraus ergibt sich das Entwicklungsziel dieses Schrittes: die Definition der nutzbaren Designräume für Sekundärfunktionen. Mit dem dritten Schritt der Entwicklungsmethode, der Rücktransformation, wird die dritte Teilforschungsfrage am Beispiel eines Verbundankers beantwortet. Dieser Schritt hat die Verifizierung der Funktionsprototypen der mechatronisierten Befestigungsmittel, in diesem Beispiel des sensorintegrierten Verbundankers, zum Ziel. Hierfür werden die zuvor identifizierten Designräume genutzt, um methodisch ausgewählte Messprinzipien im Verbundankersystem zu integrieren, ohne dessen Primärfunktion negativ zu beeinflussen. Anschließend wird die eingebrachte Sekundärfunktion, in diesem Beispiel die kontinuierliche Zustandskontrolle, auf zusätzliche ausgewählte Umwelteinflüsse verifiziert. Erstmals können die hier gezeigten methodischen Forschungsansätze zusammengefasst in der neuen Entwicklungsmethode ASTRA bei der Produktentwicklung zur Mechatronisierung von Befestigungsmitteln unterstützen. Das mechatronisierte Verbundankersystem mit kapazitivem Abstandssensor liefert bereits im Status des Funktionsprototypen robuste und reproduzierbare Signale und könnte zukünftig die Sicherheit, Wartung und den Betrieb von Gebäuden verbessern. Das zweite vorgestellte mechatronisierte Verbundankersystem mit kapazitivem Impedanzsensor benötigt hingegen noch weitere Verbesserungen, um die Signale besser bewerten zu können, und muss robuster gegenüber Umwelteinflüssen konstruiert werden. Dennoch ist es mit dem mechatronisierten Verbundankersystem mit kapazitivem Abstandssensor erstmals möglich, durch integrierte Sensoren bei Verbundankersystemen kontinuierlich deren Zustand durch Erfassung der axialen Verschiebung zu überwachen.