Rethinking Structural Concrete for Digital Fabrication

Autor: Patrick Bischof
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000602339call_made

Kurzfassung

Typischerweise sind Bauwerke grosse, ortsgebundene Unikate und müssen viele Anforderungen erfüllen, um für die Gesellschaft von Nutzen zu sein: Tragsicherheit, Dauerhaftigkeit, Gebrauchstauglichkeit, gute Gestaltung und Einbettung in die Umgebung, Nachhaltigkeit und Baueffizienz. Traditionelle Bauverfahren werden seit mehr als einem Jahrhundert stetig an diese Anforderungen adaptiert. Gleichzeitig hat die Bauindustrie einen gewaltigen ökologischen Fussabdruck und muss sich einer immer grösseren Verantwortung zum Erreichen der Klimaneutralität stellen, wobei Stahlbeton als am häufigsten verwendeter Baustoff eine Schlüsselrolle einnimmt. Die digitale Fertigung mit Beton (DFC) ist eine junge Disziplin mit Potenzial, den ökologischen Fussabdruck der Bauindustrie zu verbessern. Dennoch ist es bisher nicht gelungen, sie massentauglich einzusetzen, was jedoch essentiell ist, um bezüglich Nachhaltigkeit einen entscheidenden Unterschied zu machen. Die vorliegende Arbeit nimmt sich dieser Herausforderung an, indem sie (i) die traditionellen Baumethoden und die digitale Fertigung nutzenbasiert bewertet, ihre inhärenten Stärken und Herausforderungen identifiziert, und (ii) Kreativtechniken zur Identifikation relevanter Hebel vorschlägt. Es wurden zwei beispielhafte Anwendungen abgeleitet: digital hergestellte Verbindungen und additiv gefertigte Verbund-Schwachstellen zur Reduktion der Mindestbewehrung.

Bauteilverbindungen sind eine grosse Herausforderung für den traditionellen Stahlbetonbau und verstärkt für die DFC, um deren Versprechen bezüglich nachhaltiger, geometrisch optimierter Bauwerke zu erfüllen. Andererseits ermöglicht die DFC neue Ansätze zur Herstellung von Verbindungen, beispielsweise zur Übertragung von Querkräften mittels geometrisch massgeschneiderten Fugenausbildungen. Um die Eignung von DFC für neue Verbindungen aufzuzeigen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Versuchsserie für solche Querkraftverbindungen mit einem Push-Off-Versuchsaufbau durchgeführt. Die Versuchsserie umfasst den Entwurf, die Herstellung und die Prüfung von Verbindungen bei Verwendung der Eggshell-Technologie zum 3D-Druck der Schalung, wobei (i) unbewehrte und bewehrte Arbeitsfugen mit variierender Profilierung und (ii) digital hergestellte Trockenfugen mit Schubnocken nterschiedlicher Geometrie hergestellt wurden. Die Verbindungen wurden mit für die DFC typischem set-on-demand Beton mit einem kleinen Grösstkorndurchmesser von 4 mm hergestellt. Die Versuchsserie wurde umfassend instrumentiert, womit (i) die hohe geometrische Genauigkeit der geprüften Fugen ausgewiesen und (ii) die Effizienz der unterschiedlichen Fugentextur untersucht werden konnte. Trotz der kleinen Korngrössen wurde der in den einschägigen Normen festgelegte Querkraftwiderstand aller geprüften Fugenverbindungen erfüllt.

Verbund-Schwachstellen können als Rissbildner zur Reduktion der Mindestbewehrung für zwangsbeanspruchte und der Umwelt ausgesetzte Bauteile verwendet werden, da sie bei genügend kleiner Teilung Rissabstände und Rissbreiten verringern können. Während Rissbildner im konventionellen Stahlbetonbau aufwändig sind (z.B. durch Arbeitsfugen oder Verjüngungen), sind sie schichtweisen additiven Fertigungsverfahren inhärent: Die Zugfestigkeit ist typischerweise lokal in der Verbundzone zwischen Schichten reduziert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf dem Zuggurtmodel basierender Ansatz entwickelt, um (i) die lokale Festigkeitsreduktion zu berücksichtigen und (ii) deren Auswirkung auf erwartete Rissabstände und -breiten vorherzusagen. Das Modell prognostiziert so eine Reduktion der erforderlichen Mindestbewehrung proportional zur Verringerung der lokalen Zugfestigkeit für eine vorgegebene maximale Rissbreite. Eine Versuchsserie an fünf additiv gefertigten und drei Referenz-Zuggurten bestätigte den klar positiven Einfluss von Rissbildnern auf Rissabstände und -breiten.

Diese beiden im Detail studierten Anwendungen sind Prototypen, um aufzuzeigen, wie traditionelle Bauverfahren und digitale Fertigungsverfahren kombiniert werden können, um die Herausforderungen der ökologischen Nachhaltigkeit zu bewältigen.