BauBlog TU Dresden

Am 12. Juni 2025 hat Iurii Vakaliuk seine Dissertation mit dem Titel „Development of the multi-objective framework MOET for design and analysis of resolved TRC structures“ erfolgreich verteidigt. Die Veranstaltung fand im frisch sanierten Beyer-Bau der TU Dresden statt. 

Abstract:

Die Dissertation präsentiert die Entwicklung des Multi-Objective Evolutionary Tool (MOET), einer neuartigen numerischen parametrischen Plattform zur Optimierung von textilbewehrten Betonstrukturen (TRC). Die Motivation dieser Forschungsarbeit liegt in der dringenden Notwendigkeit, den globalen Klimawandel anzugehen und die mit dem Bauwesen verbundenen Treibhausgasemissionen (THG) erheblich zu reduzieren. Ausgangspunkt ist dabei die kritische Betrachtung der Umweltauswirkungen herkömmlicher Baupraktiken. Unter Berücksichtigung des großen Potenzials innovativer TRC-Strukturen zur Minimierung des Materialeinsatzes bei gleichzeitig maximierter struktureller Leistung konzentriert sich diese Studie insbesondere auf filigrane, schalenartige TRC-Strukturen, die durch membranartige Tragwirkungen gekennzeichnet sind. Die genannten Strukturen zeichnen sich durch ein äußerst günstiges Verhältnis zwischen Spannweite und Materialverbrauch aus. Dies führt wiederum zu hervorragender struktureller Leistung. Durch die Verwendung von Kohlenstofffaserbewehrung werden zudem Möglichkeiten zur signifikanten Reduzierung der Betonüberdeckung sowie zur Vermeidung korrosionsbedingter Einschränkungen herkömmlicher Stahlbetonstrukturen untersucht. Aufgrund dessen wird die Dauerhaftigkeit verbessert und die Nutzungsdauer verlängert.

Das entwickelte MOET-Framework integriert Prinzipien des generativen Designs und fortschrittliche numerische Methoden, um so komplexe strukturelle Formen anhand vordefinierter multiobjektiver Kriterien zu erkunden und zu optimieren. Mithilfe parametrischer Modellierung basierend auf einer Datenverarbeitungslogik, die von Mechanismen und Prinzipien natürlicher Systeme bis hin zur molekularen Ebene inspiriert ist, bietet das Framework eine hohe Flexibilität bei der Erkundung des Entwurfsraums. Das MOET-Framework bewältigt die rechnerischen Herausforderungen bei der Analyse komplexer Geometrien und Materialinteraktionen, indem es parametrische Designsoftware mit leistungsstarken Finite-Elemente-Analyse-Tools und Python-basierten Routinen zur Bewertung multipler Versagensszenarien kombiniert. Eine schnelle Iteration und die Evaluierung vielfältiger Entwurfsszenarien werden somit ermöglicht.

Darüber hinaus ist das MOET-Framework für die zukünftige Integration mit Modellen des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz ausgelegt, was sein Potenzial als leistungsfähiges Instrument für anspruchsvolle, datengetriebene Entscheidungsprozesse im Bereich der Strukturgestaltung und multiobjektiven Optimierung erhöht. Die Forschung legt besonderen Wert auf eine klare Methodik zur Erhebung und Analyse synthetischer Daten und unterstützt damit die langfristige Vision des Einsatzes prädiktiver Surrogate-Modelle und Optimierungsalgorithmen für dynamische Anpassungen des Entwurfs in Echtzeit.

Das Ergebnis dieser Dissertation ist, dass das MOET-Framework optimierte TRC-Strukturen mit überlegener Tragfähigkeit und erheblicher Materialeinsparung effektiv generiert und somit erheblich zu nachhaltigen Baupraktiken beitragen kann. Der umfassende Ansatz der Arbeit bestätigt die strukturellen Fähigkeiten und Umweltvorteile schalenartiger TRC-Strukturen anhand ausgewählter geometrischer Lösungen. Die experimentelle Validierung der numerischen Simulationen bestätigt die Zuverlässigkeit des rechnergestützten Modells und der vorgeschlagenen Versagensbewertungsmethoden. Dabei zeigen sich deutliche Gewichtseinsparungen, verbesserte strukturelle Leistungen sowie bemerkenswerte Verbesserungen in der Gesamteffizienz des Ressourceneinsatzes gegenüber konventionellen Betonkonstruktionen.

Zukünftige Arbeiten sehen die Verbesserung der Betonierverfahren, detailliertere Analysen sich selbst schneidender TRC-Schalen sowie eine kontinuierliche Weiterentwicklung der MOET-Umgebung zur Unterstützung einer breiteren Anwendbarkeit und Integration mit aufkommenden Bautechnologien vor. Vorgeschlagene zukünftige Forschungsbereiche umfassen zudem die Erweiterung des Frameworks zur Behandlung zusätzlicher Zielgrößen wie Kosteneffizienz und Lebenszyklusbewertung, um letztlich auf eine umweltgerechte und ressourceneffiziente Bauwirtschaft hinzuarbeiten.

Iurii Vakaliuks wissenschaftliche Arbeit, die er vor allem im Projekt C01 des TRR 280, aber auch bei der Planung des CUBE-Gebäudes in Dresden geleistet hat, war herausragend. Darüber war sich die Kommission, bestehend aus Prof. Manfred Curbach, Prof. Josef Hegger und Dr.-Ing. Silke Scheerer, die die Gutachten verfasst hatten, sowie Prof. Robert Jockwer und Prof. Ivo Herle einig, weshalb Iurii Vakaliuk mit dem Prädikat „summa cum laude“ belohnt wurde. Wir gratulieren ihm recht herzlich!