Reinforcement Strategies for Digital Fabrication with Concrete
Autor: Lukas Gebhard
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000614836call_made
Kurzfassung
Die Bauindustrie steht vor der Herausforderung, ihre grossen negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern und gleichzeitig Wohnraum und Infrastruktur für eine wachsende Weltbevölkerung bereitzustellen. Eine der Hauptursachen für diese negativen Auswirkungen ist die grosse Menge an verbautem Stahlbeton. Die digitale Fertigung mit Beton (DFB) könnte einen Weg zu einer nachhaltigeren Bauweise bieten, indem sie die Herstellung optimierter Formen ohne zusätzliche Kosten oder Aufwand ermöglicht. Allerdings wurden DFB-Technologien bisher hauptsächlich zur Herstellung von Bauteilen mit geringen Tragwerksanforderungen eingesetzt. Ein Hauptgrund dafür ist die Schwierigkeit, Bewehrung zu integrieren und damit die Anforderungen der bestehenden Bauvorschriften an Tragwerke zu erfüllen. Die vorliegende Dissertation zielt daher darauf ab, die Anwendung der DFB für tragende
Anwendungen voranzutreiben, indem Bewehrungsstrategien auf der Grundlage solider Tragwerksprinzipien entwickelt und bewertet werden. Zu diesem Zweck wurden fünf Versuchskampagnen konzipiert, in denen verschiedene Fertigungsansätze und Bewehrungskonzepte untersucht und das Tragverhalten auf der Grundlage etablierter Modelle für Stahlbeton bewertet wurden.
Im ersten Teil wird die Arbeit in den Kontext der beiden identifizierten aktuellen Herausforderungen gestellt: (i) Reduktion der negativen Auswirkungen der Bauindustrie auf die Umwelt und (ii) Anwendbarkeit von DFB für Tragwerke. Auf der Grundlage des Stands der Technik verschiedener DFB-Technologien und entsprechender Bewehrungsansätze, wurde der Bedarf an konsistenten Belastungsversuchen an grossmasstäblichen Bauteilen mit einfachen Geometrien ermittelt.
Im zweiten Teil werden fünf Versuchsserien vorgestellt, in denen verschiedene Bewehrungskonzepte untersucht und bewertet werden. In der ersten Versuchsserie wird die Machbarkeit eines Bewehrungsansatzes untersucht, bei dem ausgerichtete Fasern zwischen Betonschichten eingelegt werden. Die Fasern werden als Querkraftbewehrung in Kombination mit Spannstangen ohne Verbund und mit konventionellen Bewehrungsstäben mit Verbund als Biegebewehrung für 3D-gedruckte Betonbalken untersucht, und das resultierende Tragverhalten wird mit demjenigen von Balken ohne und mit Stahlkabeln als Querkraftbewehrung verglichen. In der zweiten Versuchsserie wird die Vielseitigkeit von ausgerichteten Fasern zwischen Betonschichten als Querkraftbewehrung für das Eggshell-Verfahren an rechteckigen Balken getestet und mit beigemischten Fasern und konventionell betonierten Prüfkörpern verglichen. Die Erkenntnisse aus diesen Versuchen werden dann zur Materialoptimierung eines T-Trägers mit einer Volumenreduzierung von fast 50% genutzt. Der Verbund zwischen 3D-gedrucktem Beton und herkömmlicher Bewehrung oder Stahlkabeln wurde in der dritten Versuchsserie anhand von Ausziehversuchen an Beton mit hoher Fliessgrenze oder Beton mit gesteuerter Aushärtung bewertet. Die vierte Versuchsserie untersucht konventionelle Bewehrungskörbe, die gemäß den geltenden Bauvorschriften entworfen wurden, um einen optimierten T-Träger mit Beton 3D-Druck herzustellen. Die letzte Versuchsserie untersucht die Verwendung von Bewehrungsmatten, die mit Spritzbeton an einer unbewehrten gedruckten Schale befestigt wurden, als Bewehrungslösung für Wassertankwände, wobei das Traglastverhalten mit einer Reihe von Zugversuchen bewertet wurde.
Die Ergebnisse der fünf Versuchsserien ermöglichen es, (i) Einblicke in die Effizienz der Bewehrungsstrategien zu gewinnen, (ii) den Einfluss von Fertigungsparametern zu bewerten, (iii) die Ergebnisse mit Modellen für herkömmlichen Stahlbeton zu vergleichen und, falls erforderlich, (iv) neue Modelle auf der Grundlage etablierter Tragwerksprinzipien zu entwickeln. Die daraus gezogenen Lehren werden im dritten Teil erörtert und mit anderen Bewehrungsansätzen und DFB Technologien in Beziehung gesetzt. Dabei werden die verschiedenen Bewehrungsstrategien verglichen und ihre Vor- und Nachteile aufgezeigt, die Komplexität der Wahl der richtigen Fabrikationsparameter hervorgehoben und schliesslich künftige Forschungsbereiche für Anwendungen von DFB für tragende Bauteile vorgeschlagen.