NFS Digitale Fabrikation Phase 2

Die Professur für Baustatik und Konstruktion – Massiv- und Brückenbau arbeitet an folgenden Projekten:

Structural Integrity

Innovative digitale Fertigungstechnologien haben oft Probleme damit, die Anforderungen der geltenden Tragwerksnormen und die Erwartungen der Gesellschaft an grossmassstäbliche Anwendungen zu erfüllen. Dies wirkt sich auf den Markteintritt neuer Technologien, welche in Konkurrenz zu etablierten konventionellen Bauverfahren stehen, verzögernd oder gar blockierend aus. In diesem Projekt untersuchen wir den diesbezüglichen Bedarf der übrigen Projekte des NFS Digitale Fabrikation mit dem Ziel, diesen Technologien den Weg für grossmassstäbliche Anwendungen im Massenmarkt zu ebnen. Die zentrale Herausforderung des Projekts ist es dabei, diesen digitalen Fabrikationsverfahren zum Erfolg zu verhelfen, indem die relevanten Anforderungen an die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit nahtlos in ihre Entwicklung einfliessen. Wir verfolgen dabei einen projektübergreifenden «bottom-up»-Ansatz, wobei i) der Bedarf der «Grand Challenge» Projekte hinsichtlich Unterstützung im Tragwerksbereich identifiziert und nach Bedarf priorisiert wird und ii) darauf basierend über einen bestimmten Zeitraum gezielte Beiträge zu ausgewählten Projekten geleistet werden.
Weiter wird Dr. Mata Falcón mit seiner breit abgestützten Expertise im Stahlbetonbau sowie den Erfahrungen, die er in Phase 1 des NFS sammeln konnte, Synergiepotenziale identifizieren und eine wichtige Rolle bei der Betreuung der Doktorierenden in folgenden drei Projekten übernehmen, in welche unsere Professur involviert ist: Rethinking Structural Concrete for DFAB, Concrete Structures with Integrated Flexible Formworks, und Mesh Mould.

Concrete Structures with Integrated Flexible Formworks

Herkömmliche Bauverfahren für gekrümmte Schalentragwerke sind höchst zeit-, arbeits- und kostenintensiv. Flexible Schalungen werden zwar bereits angewendet. Ihre Umsetzung verbleibt jedoch aufgrund der notwendigen zusätzlichen Bewehrung, welche die Tragsicherheit sowie Gebrauchstauglichkeit gewährleistet, noch immer äusserst aufwendig. Dieses Projekt hat zum Ziel mithilfe von integrierten gestrickten Textilschalungen ein neues System für gekrümmte Betontragwerke zu entwickeln, um den Bedarf an konventioneller Bewehrung zu reduzieren sowie den Bauprozess zu verkürzen. Die grösste Herausforderung liegt dabei in der Aktivierung der gestrickten Textilbewehrung im Verbund mit dem Beton sowie in der Herleitung mechanisch konsistenter Modelle für diesen neu entwickelten Verbundwerkstoff.
In diesem Projekt wird das Tragverhalten von gestrickter Textilbewehrung und ihre Interaktion mit dem Beton als Verbundmaterial untersucht. Die Optimierung der Form der Tragstruktur sowie der Bewehrungsstrategie unter Berücksichtigung der Eigenheiten dieses Verbundwerkstoffs bilden weitere Forschungsschwerpunkte. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts sollen die direkte Anwendung des neu entwickelten Baumaterials in realen Projekten ermöglichen, was weitreichende Einflüsse auf die Baupraxis haben wird.

Mesh Mould

Mit dem Projekt Mesh Mould wurde die automatische Anordnung einer Bewehrung mit einem Roboter als integrierenden Bestandteil entwickelt und so ein offensichtlicher Schwachpunkt eines überwiegenden Teils der Forschung im Bereich des 3D-Drucks von Beton adressiert. Dieses Projekt erweitert die Bandbreite an Tragwerken, für welche Mesh Mould wirtschaftlich und statisch-konstruktiv einsetzbar ist, indem die Möglichkeiten zur robotergesteuerten Montage der Bewehrung erweitert und durch den Einsatz von faserverstärktem Beton ergänzt werden. Die zentrale wissenschaftliche Herausforderung liegt in der Optimierung der von zahlreichen Faktoren beeinflussten Bemessung von Mesh Mould mit dem Ziel, mit höherer Produktionsgeschwindigkeit Bauteile zu produzieren, welche jegliche Normanforderungen an ein Tragwerk erfüllt. Als Erweiterung des bestehenden Prozesses wird bei Mesh Mould zukünftig das Betonieren auf der Baustelle mit der Vorfabrikation der Bewehrungsnetze kombiniert. Diese stärkere Spezialisierung erhöht i) die Fabrikationsgeschwindigkeit, ii) die geometrische Vielseitigkeit und iii) den technisch ausführbaren Bewehrungsgehalt, was neue Möglichkeiten für die Aufnahme hoher Lasten bietet und wirtschaftliche Bauwerke ermöglicht.
In diesem Projekt werden wir verschiedene Ansätze verfolgen um das Tragverhalten von Mesh Mould Elementen zu verbessern, wie zum Beispiel der Einsatz von Sollrisselementen und die Verwendung von Faserbeton als Hybridlösung (Einsatz von Fasern und Bewehrungsnetzen). Da diese Strategien auch für andere schalungsfreie Technologien anwendbar sind, werden wir auch ihre Implementierung in andere NFS-Projekte untersuchen.

Rethinking Structural Concrete for Digital Fabrication

Stahlbetonbau ist heute die mit Abstand am häufigsten verwendete Bauweise. Diese ist in Verbindung mit herkömmlichen Bauverfahren über mehr als ein Jahrhundert auf Effizienz getrimmt worden. Konventionell erstellte Betonbauten sind daher äusserst kompetitiv, und mit einer reinen Optimierung digitaler Fabrikationsverfahren, um konventionelle Tragwerke herzustellen, kann der Massenmarkt der Bauindustrie daher nicht erschlossen werden. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es daher, die der digitalen Betonfabrikation inhärenten Vorteile zu identifizieren und damit ihr Potential voll auszuschöpfen. Auf dieser Basis sollen Wege gefunden werden, um Tragwerke digital wesentlich effizienter zu planen und herzustellen als mit herkömmlichen Verfahren. Dazu werden die Vorteile digitaler Fabrikation herausgeschält und adäquate Vorgehensweisen hinsichtlich Entwurf, Bemessung und Konstruktion erarbeitet. Das Forschungsprojekt konzentriert sich dabei, im Gegensatz zu anderen Projekten innerhalb des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Digitale Fabrikation, auf Tragwerke mit konventioneller, ebener Geometrie.
Inspiriert von anderen Projekten des NFS Digitale Fabrikation werden wir die der digitalen Fabrikation intrinsischen Vorteile mit dem grössten Potential hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit ausarbeiten und in Projekte der Phase 2, welche sich mit geeigneten Betontragwerken befassen, einfliessen lassen.