New opportunities for fibre reinforced concrete in digital fabrication
Autor: Lukas Gebhard
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Digitale Fabrikation mit Beton wurde in den letzten Jahren ausgiebig erforscht. Einer der viel untersuchten Prozesse ist das 3D Drucken von Beton. Dieser geschichtete Extrusion-Prozess markiert eine möglicherweise disruptive Veränderung der Bauindustrie. Während technische Prozesse und Materialen über die letzten Jahre optimiert wurden, weißt dieser Prozess immer noch eine Mangel an einer konsistenten Bewehrungsstrategie auf.
Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten für Stahlfaserbeton für 3D Drucken. Im herkömmlichen Prozess werden die Fasern während des Betonmischens beigefügt. Nach dem Aushärten sind die Fasern zufällig in der Betonmatrix orientiert. Hier werden die strukturellen Eigenschaften von geschichteten Betonkörpern, die mit ausgerichteten Fasern zwischen den Schichten bewehrt sind, untersucht. Es werden zwei Stahlfaser Typen mit einer Länge von 60 mm und unterschiedlichen Verankerungen untersucht.
In einem ersten Schritt wird eine explorative Testreihe an kleinen Versuchskörpern unter 4-Punkt Biegung analysiert. Es werden verschiedene Faserkonfigurationen, Faserkonzentrationen, Zeitintervalle zwischen der Produktion von Schichten und die Auswirkungen von kurzen Stahlfasern im extrudierten Beton untersucht.
In einem zweiten Schritt werden die Erkenntnisse aus der ersten Testreihe genutzt um eine Testreihe an grösseren Prüfkörpern mit Massen von 800x150x150 mm zu konzipieren. Diese Prüfkörper werden erneut unter 4-Punkt Biegung getestet. Die Verformungen und Rissöffnungen werden mit digitaler Bildkorrelation gemessen.
Aus dem Verlauf der Momente als Funktion der Rissöffnungen wird eine inverse Analyse entwickelt, die das direkte Zugverhalten approximiert und Vorhersagen ermöglicht.
Es kann gezeigt werden, dass ausgerichtete Fasern zwischen den Schichten von extrudiertem Beton Zugfestigkeiten im verformungsverfestigendem Bereich ermöglichen. Bei hohen maximal Lasten kommt es zu akutem Entfestigen durch Schichtablösung des Betons. Für Prüfkörper mit einem Faser-Volumenanteil von 1.4% wird Dehnungsverfestigung vermutet.
Der entwickelte Verbundwerkstoff bietet eine mögliche Bewehrungsstrategie für Zugspannungen in Richtung der Extrusion. Das plötzliche Entfestigen und Bewehrung senkrecht zu den Schichten muss jedoch noch weiter untersucht werden.
