Masterarbeit von Leonie Hahn im Rahmen des Forschungsprojekt 3DLight_OnSite
Die vorliegende Masterarbeit ist Teil der laufenden Forschungsarbeit im Rahmen des Projektes „3DLight_OnSite–CO2-reduzierte Leichtbauweise durch den 3D-Druck von tragwerksoptimierten Betonwänden mittels mobiler Baustellenroboter“.
Im Rahmen des Forschungsprojektes „3DLight_OnSite“ wird ein digitalisierter und automatisierter Planungs- und Fertigungsprozess für multifunktionale Leichtbauteile entwickelt. Ziel ist es, durch den gezielten Einsatz verschiedener Spezialbetone innerhalb des Bauteils, nur so viel Material einzusetzen, wie es zwingend erforderlich ist und dadurch eine erhebliche Reduktion des CO2-Ausstoßes im Bereich des Bauwesens zu erzielen.
Die vorliegende Masterarbeit stellt den ersten Ansatz im Rahmen dieser Forschungsreihe dar, die erzielten Tragfähigkeiten der 3D-gedruckten Bauteile experimentell und numerisch zu bestimmen.
Nach aktuellen Hochrechnungen ist davon auszugehen, dass die Weltbevölkerung bis 2080 auf rund 10,8 Milliarden Menschen anwächst [1]. Mit dem Bevölkerungswachstum nimmt der Bedarf an Wohnraum und Infrastruktur und damit der Ressourcenverbrauch zu. Die verfügbaren Ressourcen sind jedoch limitiert, was die Baubranche bereits heute vor enorme Herausforderungen stellt. Die Bauindustrie weist seit Jahrzehnten eine stagnierende Produktivitätsrate auf und trägt erheblich zum Ausstoß umweltschädlicher CO2 Emissionen bei [2], [3]. Der digitale Fortschritt und die Entwicklung ressourcenschonender Bauverfahren sind demnach überfällig. Der Beton-3D-Druck stellt einen Ansatz zur Reduktion des Material-und Personalbedarfs dar. Durch die additive Fertigung ist die schalungsfreie Herstellung von Betonbauteilen möglich. Die dadurch gewonnene Gestaltungfreiheit ermöglicht die Herstellung von Betonbauteilen mit aufgelösten Querschnitten und flexibel an ihre jeweilige Funktion angepassten Geometrien.[4] In der vorliegenden Arbeit wurde die Tragfähigkeit 3D-gedruckter Wandstrukturen aus feinkörnigem Beton unter vertikaler Belastung untersucht. Die Materialeigenschaften für die Implementierung der verwendeten Druckmaterialien in der Finite Elemente (FE)-Software wurden durch Materialprüfungen ermittelt. Die Prüfungsergebnisse zeigten, dass der 3D-Druckprozess die Materialfestigkeiten verglichen mit konventioneller Betonverarbeitung reduziert. Gründe dafür sind die Anisotropie und die erhöhte Porosität, die sich aus der lagenweisen Extrusion und der fehlenden Verdichtungsarbeiter geben. Auf Grundlage dieser Materialparameter wurde eine FE-Analyse zur Berechnung der Traglast eines 3D-gedruckten Wandbauteils durchgeführt. Die numerische Analyse erfolgte vergleichend für ein 3D-gedrucktes und ein konventionell in Schalung gegossenes Betonbauteil gleicher Geometrie. Für das untersuchte Wandbauteil in kleinem Maßstab prognostizierte die Berechnung ein Spannungsversagen. Erst bei größeren Bauteilabmessungen resultierte die Schlankheit der aufgelösten Wandstruktur in einem Stabilitätsproblem. Um die numerische Analyse zu überprüfen, wurde das analysierte Wandbauteil anschließend 3D-gedruckt und auf sein reales Versagensverhalten unter vertikaler Belastung hin untersucht. Es wurden zwei identische Wandbauteile hergestellt und durch zerstörende Bauteilprüfungen getestet.
