3D*3B - 3D-Betondruck und Bewehrung für emissionsarme biegebeanspruchte Tragstrukturen des Hochbaus

Ausgangssituation/Motivation

Die Technologie des 3D-Druck-Verfahrens mit mörtelartigen, zementbasierten Materialien in einer Art Extrusionsverfahren bildet den Ausgangspunkt für den vorliegenden Antrag. Diese Technologie bietet aktuell die Möglichkeit, sehr präzise und mit geringem Materialeinsatz bei großer Geschwindigkeit unbewehrte Bauteile automatisiert zu erzeugen. Ein im Betonbau sonst üblicher und aufwendiger Formenbau ist, erstmalig in der Geschichte des Beton- und Stahlbetonbaus, dabei nicht notwendig.

Inhalte und Zielsetzungen

Auf Basis dieser Charakteristik eines Schalungsdruckers wird angestrebt, die Technologie mit üblichen Prozessen des Hochbaus zu vereinen, um verstärkt Potentiale zur Reduktion von Betonkubatur und den damit verbundenen geringeren Treibhausgasemissionen für Tragstrukturen im Hochbau zu nutzen.

Eine wesentliche Einschränkung hierbei ist die fehlende richtliniennahe Charakterisierung von unbewehrten und bewehrten Druckmaterial und daraus hergestellten Bauteilen. So kann die Technologie aktuell nicht in gängige BIM-kompatible Planungs- und Entwurfsprozesse eingebunden werden. Die Anwendung von 3D-Druck-Bauteilen als Aussparungskörper im Bauprozess führt zu einer erhöhten geometrischen Komplexität, die den Anspruch an die entsprechenden Prozesse auf der Baustelle erhöht. Dies betrifft z.B. den Einbau, das Platzieren der 3D-Druck-Bauteile aus Beton und der Stahlbewehrung für Ortbetonergänzungen.

Ziel des Projekts ist es 

• durch eine systematische Entwicklung von Versuchsanordnungen und durch mechanische Testserien Grundlagen für numerische Simulationen von unbewehrten und bewehrten 3D-Druck-Bauteilen aus Beton zu schaffen. 
• Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von masserelevanten, überwiegend biegebeanspruchten und daher bewehrten Anwendungen für den Hochbau. Hier liegt der Fokus auf ultraleichten Fassadenplatten mit in den Druckprozess integrierter Bewehrung und auf platten- und scheibenartigen Bauelementen wie Rippendecken, die zur Massereduktion verlorene 3D-gedruckte Schalungs- und Aussparungskörper dienen. Hier stehen Fragen der ergänzenden Stahlbewehrung und der Baulogistik im Zentrum.

Methodische Vorgehensweise

Das Vorgehen im Projekt ist weitgehend impact-getrieben. Durch eine Gebäudetypologiestudie werden z.B. Geschoßdeckenspannweiten und Lagerungsbedingungen kategorisiert und eingegrenzt und daraus reduzierte Querschnittsausbildungen abgeleitet. Dabei werden Randbedingungen wie die Tragperformance, aber auch Aspekte des Schallschutzes und der Bauteilaktivierung berücksichtigt.

Diese Ergebnisse werden infolge einer technischen Machbarkeitsstudie, was die digitale Fabrikation von 3D Druck Formteilen, Bewehrung und die Baulogistik betrifft, unterzogen. Dazu werden BIM basierte Planungsdaten mit FEM-Software Optimierungen und LCA-Datenbanken verknüpft. Daraus wird eine der Entwurfs- und Planungstiefe angemessene Entscheidungsmatrix abgeleitet.

Erwartete Ergebnisse

Nach Abschluss des Projekts stehen 

• Daten und Methoden zur Charakterisierung von 3D-Druck-Bauteilen aus Beton zur Verfügung, die die numerische Simulation in der Entwurfs- und Planungsphase ermöglichen und auch die Grundlage für eine zukünftige Produktionsüberwachung bieten können. 
• Das Projekt klärt und bewertet anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele die Potentiale von 3D-Druck-Bauteilen aus Beton zur Reduktion von Betonkubatur und den damit verbundenen Treibhausgasemissionen im Hochbau.
• Bauprozesse und Baulogistik, speziell die Integration von 3D-Druck-Bauteilen aus Beton und notwendige Stahlbewehrung für Ortbetonergänzungen sind für BIM-kompatible Prozesse entwickelt, getestet und bewertet.

Projektleitung

Stefan Peters - Institut für Tragwerksentwurf, TU Graz

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Bernhard Freytag - Labor für konstruktiven Ingenieurbau, TU Graz
• Manfred Gronalt - Institut für Produktionswirtschaft und Logistik, Buko Wien
• Peter Weissmann -Baumit Beteiligungen GmbH
• Gerd Unger - AVI Alpenländische Veredelungs-Industrie Gesellschaft m.b.H.

TU Graz - Institut für Tragwerksentwurf
Stefan Peters
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