Gedruckte Schalungen für den Stahl beton-Leichtbau - TU Graz
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
14 DETAIL research 9.2020 ∂
Gedruckte Schalungen
für den Stahlbeton- Printed Formwork for
Leichtbau Lightweight Reinforced
Concrete
Text: Stefan Peters, Andreas Trummer
Robert Schmid
Digitale Planungs- und Produktionswerkzeuge ermöglichen die differenzierte, material-
und ressourcensparende Herstellung tragender Betonbauteile. Digital design and
production tools enable the manufacture of load-bearing concrete components combining
a refined appearance with material and resource savings.
Die Idee, komplette Häuser aus Beton mit Hilfe eines The concept of constructing com- walls can be produced to individ-
3D-Druckers zu bauen, wurde bereits vor 16 Jahren plete buildings using a 3D-printer ual designs quickly and at low
in der Öffentlichkeit präsentiert. Der Begriff 3D-Druck came to the notice of the public cost. Discerning quality, filigree
ist dabei etwas irreführend. Eher ist es heute eine Art 16 years ago. The term 3D-print- forms that appear at first glance
Extrusionsverfahren für Mörtel mit skalierbaren Bau- ing is somewhat misleading. To- to be unfeasible for buildings with
teilstärken von wenigen Millimetern bis hin zu den day, it is rather more an extrusion more than one storey are all of a
Wandstärken des Hochbaus im Dezimeterbereich. process using mortar with com- sudden almost within reach. The
Die Alternative zu Schalungsbau und klassischer ponent thicknesses scalable from process was used by the Institute
Betonage eröffnet neue Möglichkeiten, den Werk- a few to several hundred millime- for Structural Design at Graz Uni-
stoff präzise und vor allem sparsam einzusetzen. tres, the thickness of the walls of versity of Technology in the Coe-
Schlanke Betonelemente mit geringen Wandstärken a building. The alternative to bro “Additive Fabrication of Con-
können individuell, mit geringem Aufwand und gro- erecting formwork panels and crete Elements by Robots” re-
ßer Geschwindigkeit produziert werden. Differen- traditional concreting opens new search project to demonstrate the
zierte, filigrane Schalungen, die auf den ersten Blick horizons for using materials pre- manufacture of less material- and
für Geschossbauten unwirtschaftlich erscheinen, cisely and above all frugally. Slen- emissions-intensive floor slabs.
sind dadurch auf einmal zum Greifen nahe. Das Ver- der concrete elements with thin Waffle and ribbed slabs or filigree
Gedruckte Schalungen Printed Formwork 15
fahren wurde am Institut für Tragwerksentwurf der In vier Stunden stellte for material-saving construction
die 3D-Betondruckan-
TU Graz im Forschungsprojekt Additive Fabrication lage 34 unterschied-
makes this alternative economi-
of Concrete Elements by Robots (Coebro) exempla- lich geformte Ausspa- cally unviable. An innovative and
rungskörper her, die
risch für die Herstellung eines masse- und emissi- auf dem Schaltisch
pragmatic solution pointing the
onsreduzierten Flachdeckenelements angewendet. positioniert wurden. way to a new type of lightweight
Kassetten- und Rippendecken sowie generell filig- The 3D-concrete print-
concrete is 3D-printed formwork
rane Stahlbetonelemente, wie sie Ingenieure wie er took 4 hours to make elements that act as lost form-
all 34 variously shaped
Pier Luigi Nervi oder Aldo Favini und Architekten wie void formers, which
work and can be used with con-
Angelo Mangiarotti in den 1960er- und 1970er- Jah- were put in position on ventional concreting methods.
the casting table.
ren geplant haben, waren materialsparend und weit-
hin sichtbare gestalterische Konstruktionselemente 3D-printed void formers
von Gebäuden. Diese verbrauchen beispielsweise The printing process requires a
im Vergleich zu Flachdecken 30 bis 40 % weniger robot control unit and an auto-
Material. Heutige Geschossbauten haben dagegen matic mixing and delivery sys-
oftmals punktförmig gestützte Flachdecken mit tem, an industrial robot with an
konstantem Rechteckquerschnitt, da ein erhöhter additional seventh axis, a
Schalungsaufwand im Vergleich zu den eingespar- booster pump and a printhead.
ten Materialkosten nicht wirtschaftlich erscheint. Other equipment used during the
Eine innovative und zugleich pragmatische Methode research project, e.g. for grind-
Georg Hansemann
in Richtung eines neuen Betonleichtbaus sind ing, milling and dimensional con-
3D-gedruckte Schalelemente, die als verlorene trol, is provided by the Robotics
Schalung dienen und mit konventionellen Betonier- Laboratory at Graz University of
methoden ergänzt werden. Technology. The focus was on
the design and production of a
3D-gedruckte Schalkörper concrete elements in general, full-scale prototype. The experi-
Für den Druckprozess braucht es eine Robotersteu- such as those designed by Pier ment on a weight- reduced floor
ereinheit, eine automatische Misch- und Förderan- Luigi Nervi or Aldo Favini and ar- slab had the aim of increasing
lage, einen Industrieroboter mit einer zusätzlichen chitects like Angelo Mangiarotti in knowledge about the manufac-
siebten Achse, Beschleunigerpumpe und Printkopf. the 1960s and 1970s, are earlier turing process and the
Über diese vielseitigen Geräte, die sich auch für examples of material-saving and load-bearing behaviour. The
Schleif-, Fräs- und Vermessungsaufgaben eignen, often visible building construction starting point was a 30 cm thick,
verfügt das Roboterlabor der TU Graz. Auf diesen elements. They use typically 30– point-supported reinforced con-
basiert auch das hier vorgestellte Forschungsprojekt 40 % less material compared to crete slab with an 8 m span be-
mit Fokus auf die Planung und Produktion eines solid slabs. Today’s multi-storey tween supports and a load of 5
großformatigen Prototyps im Maßstab 1:1. Das buildings, on the other hand, of- kN/m 2, including dead and live
Experiment an einer gewichtsreduzierten Flach- ten have floor slabs with a con- load. This situation, typically
decke sollte Erkenntnisse über den Fertigungs- stant rectangular cross-section found in a framed office building,
prozess und das Tragverhalten bringen. supported at discrete points was analysed in accordance with
Ausgangspunkt war eine 30 cm starke, punkt- because the extra formwork cost the applicable standards to de-
gestützte Stahlbetonflachdecke mit einem Stützen- termine the required concrete
raster von 8 m Spannweite und einer Belastung von strength and reinforcement
5 kN/m2, inklusive der Ausbau- und Verkehrslasten. grade. In a second stage – opti-
Diese typische Situation, beispielsweise für den misation using a finite element
Skelettbau eines Bürogebäudes, wurde nach gel- model – this design was trans-
tenden Normen vorbemessen und so die erforderli- formed into a ribbed slab. Based
chen Betonfestigkeit und Bewehrungsgrade ermit- on this idea, it should be possi-
telt. Im zweiten Schritt erfolgte – mittels Optimierung ble in future to redesign a con-
in einem Finite-Element-Modell – die Transformation ventional in situ concrete slab to
in eine Rippendecke. use this new method of construc-
Georg Hansemann
Im zu Grunde liegenden Gedankenmodell tion. This is currently done in a
sollte es künftig möglich sein, eine in Ortbetonbau- similar way to the decisions over
weise geplante konventionelle Flachdecke zu in situ and semi-precast con-
einem späteren Zeitpunkt in die neue Bauweise struction and is a possibility only
umzuplanen. Dies erfolgt aktuell in ähnlicher Weise Zwischen den Ausspa-
if the construction depths can re-
bei Entscheidungen zwischen Ortbeton- und Halb- rungskörper werden main the same. The geometry of
die vorgebogenen und
fertigteilbauweise und ist nur realitätsnah, wenn zu Körben geflochte-
the ribbed structure of the proto-
die Bauhöhen dabei unverändert bleiben können. nen Bewehrungseisen type was designed iteratively in a
mit den jeweiligen
Die Rippenstrukturgeometrie des Prototyps wurde Biegeradien platziert.
similar way to trajectory analyses
iterativ in Anlehnung an einen Trajektorienverlauf, based on bending moments and
The reinforcing bars
resultierend aus der Biegebeanspruchung, ent- bent to the required
deflections. This gives a potential
wickelt. Dies ergab ein Einsparpotential von radii and interlaced saving of approximately 35 % for
in their cages are
ca. 35 % bei gleicher Tragfähigkeit und gleicher placed between the
the same load-bearing capacity
Durchbiegung. void formers. and deflection.
16 DETAIL research 9.2020 ∂
Versuchskörper im Maßstab 1:1 Deckenfeld mit an den Floor slab with ribs de-
Trajektorienverlauf an- signed using trajectory
Der daraus entwickelte Versuchskörper im Maßstab gelehnten Rippen analyses.
1:1 entspricht dem Ausschnitt aus einem Deckenfeld
zwischen zwei Stützen. Die Außenabmessungen
(8 × 3 m) waren durch Transportmaße, Kranleistung
und Abmessung des Prüfgerüsts begrenzt. Die
Ränder der Rippen wurden durch die Konturen der
einzelnen, unterschiedlich geformten Aussparungs-
körper gebildet. Deren maximale Abmessungen
wurden auf ein Hebegewicht von bis zu 50 kg aus-
gelegt. Auf eine mitgeführte Bewehrung in Form von
Fasern oder Drähten in den Schalkörpern konnte
verzichtet werden. Aussteifende, nach innen gerich-
tete Rippen wirken den Beanspruchungen infolge
von Anheben, Transport und Betonierdruck entge-
gen. Die Aussparungskörper sind zwischen 90 ×
48 cm und 140 × 60 cm groß. Sie bestehen aus
Mörtel der Festigkeitsklasse C85, der in 22 Schich-
ten mit je 9 × 18 mm aufgetragen wird. Ihre Wände
sind leicht konisch, die Ecken weich ausgerundet.
Georg Hansemann
Böden bzw. Deckel sind 18 mm stark. Zur Betonier-
seite hin wurden in regelmäßigen Abständen
ca. 1 cm große Überstände eingeplant. Diese dienen
der zusätzlichen Verzahnung mit dem Frischbeton
sowie als Abstandhalter für die Längsbewehrung Full-scale test unit fibres or pieces of wire needed to
der Rippen. In netto vier Stunden erzeugte die The full-scale test unit developed be added to the formwork mortar
3D-Betondruckanlage 34 Aussparungskörper, die from this analysis equates to part mix. Stiffening ribs running to-
auf einem großformatigen Schaltisch an der vorge- of a floor slab spanning between wards the centre resist the loads
zeichneten Position platziert wurden, um hier auch two supporting columns. The caused by lifting, transport and
die vorgebogenen und zu Körben geflochtenen external dimensions (8 × 3 m) concrete pressure. The void
Bewehrungseisen mit den jeweiligen Biegeradien in were limited by transport restric- formers range in size from 90 ×
die Zwischenräume zu heben. Nach dem Anbringen tions, crane capacity and test 48 cm to 140 × 60 cm. They con-
der Randabschalung konnte die Flachdecke kon- frame dimensions. The edges of sist of mortar strength class C85
ventionell mit C30/37 betoniert werden. Dieses im the ribs were defined by the con- applied in 22 layers, each 9 ×
Vergleich zur Flachdecke um 35 % leichtere Bauteil tours of the individual, differently 18 mm. Their walls taper slightly
steht stellvertretend für eine Vielzahl weiterer Mög- shaped void formers. Their maxi- from the bottom and the corners
lichkeiten der Massereduzierung beispielsweise bei mum dimensions were designed are gently rounded. The base
Wänden oder besonders materialintensiven Grün- for lifting purposes around a and top layers are each 18 mm
dungsbauteilen in Stahlbetonbauweise. weight of 50 kg. No reinforcing thick. The concreting side had
1 cm projections at regular spac-
ings. These create an extra key
Projektbeteiligte der Prototyp der Decke im Full-scale floor unit pro- into the concrete and act as
TU Graz Maßstab 1:1: Trans- totype: transport restric-
Project participants of portmaße, Kranleis- tions, crane capacity and
spacers for the longitudinal rein-
Graz University of tung und Prüfgerüst test frame dimensions forcement in the ribs. It took ef-
Technology: bestimmten die Maße. determined the size.
Institut für Tragwerks-
fectively four hours for the
entwurf, Labor für 3D-concrete printer to create
Konstruktiven Ingeni-
eurbau, Institut für
34 void formers, which were then
Betonbau placed in their predetermined
Team
positions on a large casting
Stefan Peters, Andreas table. Steel reinforcement bars
Trummer sowie
Georg Hansemann,
bent to the required radii are
Robert Schmid, interlaced into cages and lifted
Christoph Holzinger,
Joshua P. Tapley,
into the voids. After attaching the
Bernhard Freytag, edge forms, the floor unit was
Hoang Huy Kim,
Valentino Sliskovic
poured conventionally with
C30/37 concrete. The 35 %
Partner
Kirchdorfer Fertigteil-
weight advantage compared to a
holding, Sika Servi- flat slab represents one of the
ces, Peri, Hage Son-
dermaschinenbau,
many other possibilities for re-
ABB ducing, for example, the mass
Robert Schmid
of walls or especially material-
ztugraz.at/institute/ite/home/
intensive reinforced concrete
foundation components.
Sie können auch lesen
