Non‐Standard Fügeprinzipien für leichte Bauteile aus UHPFRC

Abstract

Trotz der enormen Entwicklungen in der digitalen Planung und Fertigung wird unser Denken im Bauwesen immer noch vom Standard der industriellen Fertigung geprägt. Die aus Stahl und Holz produzierten Profile und Halbzeuge, ebenso wie die marktüblichen Schalungssysteme für Betonbauteile, implizieren eine möglichst einfache Geometrie und Fügung. Demzufolge sind heutige Tragkonstruktionen meistens aus biegebeanspruchten, masseintensiven Bauteilen zusammengesetzt. Leichte formaktive Tragwerke, wie beispielsweise die 1972 erbaute Lufthansa Wartungshalle V am Frankfurter Flughafen, sind dagegen kaum noch zu finden. In Zukunft wird dem effizienten Einsatz von Material und Energie eine entscheidende Bedeutung für die Umsetzung einer nachhaltigen Bauwirtschaft zukommen. Statt Komplexität auf Kosten erhöhter Massen zu vermeiden, wird es zukünftig vielmehr darum gehen, Material durch strukturelle Effizienz einzusparen. Die Chance hierzu liegt in der Zusammenführung der neuesten Entwicklungen im Bereich der Materialtechnologie mit denen der digitalen Planung und Fertigung. Ziel muss es sein, für high‐tech‐Werkstoffe – wie ultrahochfestem Stahlfaserbeton (UHPFRC) – dem Material angemessene Non‐Standard Fügeprinzipien zu entwickeln, die trotz gestiegener Komplexität wirtschaftlich zu fertigen sind. Hier setzt der vorliegende Beitrag an und zeigt aktuelle Forschungsergebnisse zu innovativen Fügeprinzipien für leichte Bauteile aus UHPFRC. Non‐standard principles for joining lightweight members made from UHPFRC Despite the enormous developments in digital design and fabrication methods our thinking in the construction industry is still dominated by the standard of industrial production. The profiles and semi‐manufactured parts made from steel and wood as well as the on the market available formwork systems for concrete structures imply the simplest possible geometry and addition. Consequently, today's load‐bearing structures are usually composed of bending stress mass‐intensive components. Lightweight form‐active structures such as built in 1972 Lufthansa Maintenance Hall V at Frankfurt airport, however, are hard to find. In the future, the efficient use of materials and energy will have a crucial importance for the implementation of sustainable construction. Instead of avoiding complexity at the cost of increased masses, the goal for the future will be to save mass by using structural efficiency. The opportunity for this lies in the combination of the latest developments in material technology with the digital planning and production. The aim for high‐tech materials such as ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) must be to develop material appropriate non‐standard joint principles that are produced economically despite increased complexity. This is where the present contribution starts showing the current research results for innovative principles for joining lightweight members from UHPFRC.

Robotergestützte, magnetische Ausrichtung von Mikro‐Stahldrahtfasern in dünnwandigen UHPFRC‐Bauteilen

“…Am ITE (Institut für Tragewerksentwurf) durchgeführte Laborversuche zur Ausrichtung der Stahlfasern mit Magneten haben bereits gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften damit positiv beeinflusst werden können . Anstoß für diese ersten Versuche war der Wunsch nach einer reproduzierbaren Leistungssteigerung dünnwandiger, mittels Zahnverbindungen trocken gefügter Hochleistungsbauteile aus UHPFRC, die in einer Kooperation des ITE und iBMB (Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz) der TU Braunschweig im Rahmen des DFG‐Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ entwickelt und untersucht wurden . Die Sinnhaftigkeit einer Traglaststeigerung im Fügebereich wird durch das Schadensbild von Scherversuchen an trocken gefügten Zahnverbindungen für dünnwandige Platten aus UHPFRC in Bild (links) verdeutlicht.…”

Non‐Waste‐Wachsschalungen: Neuartige Präzisionsschalungen aus recycelbaren Industriewachsen

“…Durch die Automatisierung der Herstellung von Wachsschalungen in Modulbauweise, in Kombination mit den neuen Möglichkeiten der digitalen Planung und Fertigung, bietet sich zukünftig die Möglichkeit, eine Prozesskette zu etablieren, welche es Planern, Bauherren und ausführenden Firmen ermöglicht, die Non‐Waste‐Wachsschalungstechnologie effizient und wirtschaftlich zur Herstellung freigeformter Betonbauteile in der Praxis zu etablieren. In Verbindung mit der nahezu unbegrenzten Formfreiheit, Präzision und Oberflächengüte der Technologie, wie am Beispiel der mit den Wachsschalungen hergestellten Präzisionsfügungen aus UHPC zu sehen ist , bietet sich hierdurch die Möglichkeit, insbesondere für den Hochleistungswerkstoff UHPC innovative und ressourceneffiziente Formgebungen für Bauteile und deren Fügungen zu entwickeln . Aber auch die Erschließung neuer Anwendungsbereiche wie die Herstellung von Designobjekten, z.…”

Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Trocken gefügte Flächenelemente aus UHPFRC

“…Ziel bei der Entwicklung von Fügeprinzipien für schlanke, flächige Bauteile ist es, die Voraussetzungen zum Bau von Platten oder Schalen aus segmentierten, trocken gefügten Fertigteilen zu schaffen und die einzelnen Elemente zu dünnwandigen UHPFRC‐Bauteilen effizient und kostensparend zu verbinden. Für die folgenden Untersuchungen wurde der UHPFRC aus dem ersten Forschungsprojekt verwendet . Aus numerischen Voranalysen und bereits gewonnenen Erkenntnissen zur Lastübertragung bei trocken gestoßenen stabförmigen Bauteilen konnten wichtige Kriterien zur Form der Flächenfügungen abgeleitet werden: Zur Übertragung von Druck kräften ist eine möglichst große Fläche orthogonal zur Druckbeanspruchung notwendig. Die Verwendung von Hinterschnitten mit Anschlusswinkeln zwischen 10° und 20° ermöglicht die beste Übertragung von Zug kräften. Für die Übertragung der Quer kraft sollten die Querschnitte möglichst gleichmäßig und mit geringen Abständen durch Schubzähne miteinander verbunden werden. …”

“…Zum einen kann dies über Verklebung mittels einer zusätzlichen Zwischenschicht geschehen, sog. Match‐Cast‐Verfahren , außerdem durch den nachträglichen Einbau von Koppelstellen oder mittels sogenannter „Non‐Standard‐Fügungen” , in welchen die Kräfte über Trockenstöße mit hoher Ebenheit der Kontaktflächen übertragen werden. Diese Non‐Standard‐Fügungen können entweder durch hochpräzise Schalungen oder durch Nachbearbeitung der Kontaktflächen hergestellt werden.…”

“…In einem abgeschlossenen Forschungsprojekt wurde zuerst die trockene Fügung dünner stabförmiger Bauteile untersucht, vgl. . Der vorliegende Beitrag befasst sich mit den ersten Ergebnissen des laufenden Forschungsprojekts innerhalb des DFG‐Schwerpunktprogramms 1542 zur Entwicklung von trocken gefügten Flächen‐ und Schalentragwerken aus vorgefertigten dünnen Bauteilen.…”