Derzeit existieren weltweit unterschiedliche Formen von solarthermischen Kraftwerken, wobei Parabolrinnenkraftwerke bisher am wirtschaftlichsten sind. Deren Kollektorelemente werden i. d. R. als räumliche Stahlfachwerke mit punktförmig gestützten Spiegeln hergestellt. Eine Alternative dazu wird im Rahmen des SPP 1542 im Teilprojekt Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke erforscht. In diesem Projekt wurde ein Großdemonstrator realisiert, welcher die Machbarkeit solch innovativer Betonfertigteilschalen zeigt. Im vorliegenden Beitrag wird der Herstellungsprozess von der Idee über den Entwurf hin zur Realisierung des Großdemonstrators beschrieben. Die statische und dynamische Auslegung des Demonstrators oblag dem Projektpartner Prof. Mark (RUB).

Im vorliegenden Beitrag werden drei bionische Strukturen vorgestellt, die für den Einsatz in Stahlbetonplatten mit biaxialen Lastabtrag entwickelt wurden: Bewehrungsführung nach dem Funktionsprinzip des Spinnennetzes, bionische Querschnittsgestaltung an der Plattenunterseite sowie eine Optimierung der Form und Anordnung von Hohlkörpern. Durch diese innovativen Tragstrukturen wird der Kraftfluss beeinflusst und es stellt sich ein verbessertes Tragverhalten ein. Zur Formfindung und Entwicklung der Strukturen wurden evolutionäre Optimierungsprozesse kombiniert mit (nichtlinearen) Finite-Elemente-Berechnungen eingesetzt. Zum Abschluss der Forschungsphase werden die entwickelten Plattensysteme experimentell untersucht.

Die Gradierung von Betonbauteilen durch eine in bis zu drei Raumrichtungen kontinuierliche Manipulation der Materialeigenschaften, wie beispielsweise Porosität, Festigkeit oder Steifigkeit, ermöglicht eine Anpassung des Bauteilinneren an das vorherrschende statische oder bauphysikalische Anforderungsprofil. Dies kann zur Massenminimierung und zur Erzielung multifunktionaler Eigenschaften eingesetzt werden. Die zur Herstellung funktional gradierter Betonbauteile besonders geeigneten Verfahren Schichten und Spritzen ermöglichen die Entwicklung des gesamten Eigenschaftsspektrums zwischen zwei Referenzmischungen mit konträren Festigkeits- und Porositätseigenschaften. Numerische Entwurfsmethoden liefern ein Gradientenlayout als digitalen Bauplan für diese Bauteile.

Durch die digitale Entwicklung und Fertigung von Fertigteilen gewinnen Bauteile an struktureller Effizienz sowie Komplexität. Dies führt dazu, dass Bauteile aus ultrahochfestem faserverstärktem Beton (UHPFRC) aufgrund der hohen Festigkeit mit geringen Wandstärken und ohne zusätzliche Bewehrung hergestellt werden können. Um die hochpräzise gefertigten Bauteile zu einem Gesamttragwerk zu verbinden, muss die trockene Fügung von Beton genauer untersucht werden. Die Erforschung dieser neuen Bauweise für Stabwerk- und Flächenelemente ist das Ziel des Teilprojektes im DFGSchwerpunktprogramm 1542 Leicht Bauen mit Beton. Die Erkenntnisse zum ganzheitlichen Ansatz des „Digital Workflow“ vom Design bis zum Bauteil werden in diesem Beitrag dargestellt. Dafür werden für einzelne Stabwerk- und Flächenelemente numerische und experimentelle Ergebnisse vorgestellt.

Zum kraft- und formschlüssigen Fügen von dünnwandigen, filigranen Betonfertigteilen eignen sich besonders kontinuierliche, flächige Verbindungen, wie sie durch Verkleben erzielt werden können. Deshalb wurden im Rahmen dieses Vorhabens Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile konstruiert und optimiert. Die Verbindungen sind so ausgelegt, dass sie sowohl Beanspruchungen aus einzelnen Schnittgrößen als auch aus Schnittgrößenkombinationen übertragen können. Die wesentlichen Parameter, die dabei untersucht wurden, sind die Klebefugengeometrie sowie die Oberflächenbeschaffenheit und die Bewehrung der zu verklebenden Bauteile. Als Klebstoff diente ein hochfester mineralischer Mörtel. Die Optimierung der Klebfugengeometrie erfolgt durch den Mitantragsteller bei diesem Projekt, das Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern. Auf der Basis der experimentellen Untersuchungen wurde für die Klebfuge ein zweiaxiales Bruchkriterium abgeleitet. Weiterhin sollen Entscheidungshilfen zur Fugengestaltung und ein ingenieurmäßiges Bemessungsmodell erarbeitet werden.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Voraussetzungen für die Herstellung effizienter Schalentragwerke aus funktional gradierten Betonfertigteilen zu schaffen. Hierfür wurde zunächst die Frage nach dem optimalen Entwurfsraum geklärt. Weiterhin galt es, die Effizienz des Tragwerks durch Erhöhung der Zugtragfähigkeit sowie durch Gradierung des Stahlfasergehaltes zu steigern. Die Herstellung von faserbewehrten Bauteilen und insbesondere die rheologische Optimierung stellt einen weiteren Schwerpunkt im Vorhaben dar. Daher wurde eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, das Formfüllungsvermögen von feinkörnigen Betonen in dünnwandigen Schalungen mit numerischer Strömungsmechanik vorab zu simulieren.

Um eine funktionale Gradierung im Betonbau zu erzielen, werden zwei Betonmischungen mit konträren Eigenschaften benötigt. Je nach Herstellungsverfahren sind die Materialzusammensetzung und damit die Verarbeitbarkeit, Dichte und Festigkeit beider Mischungen anzupassen. Grundsätzlich soll dabei eine der beiden Mischungen gute Festigkeitseigenschaften bei minimaler Porosität zeigen und für die Aufgaben des statischen Lastabtrags geeignet sein. Die zweite Mischung hingegen ist durch einen hohen Luftporenanteil sehr leicht und wenig fest, kann dafür jedoch mit verbesserten Wärmedämmwerten auch bauphysikalische Anforderungen erfüllen. Ziel in einem interdiziplinären Forschungsvorhaben ist, beide Mischungen in unterschiedlichen Verfahren stufenlos und kontinuierlich ineinander zu überführen und somit funktional gradierte Betonbauteile in einem teilautomatisierten Verfahren herzustellen.

Die Gradierung von Beton ermöglicht eine funktionale Adaption der inneren Struktur respektive der Eigenschaften eines Bauteils an das vorherrschende statische und bauphysikalische Belastungsprofil. In diesem Kontext stellt die Automatisierung der Herstellungsverfahren insbesondere zur reproduzierbaren Herstellung von gradierten Betonbauteilen einen zentralen Aspekt dar. Dabei muss der gesamte Prozess, vom Entwurf des Bauteils über die Übernahme des CAD-Modells, der anforderungsabhängigen Mischung, Dosierung und Förderung des Betons bis hin zum Materialauftrag in eine Prozesssteuerung und Regelung integriert werden. Die Konzeption, Auslegung und anschließende Umsetzung der automatisierten Prozesskette in einem Prototypen der Herstellungsplattform sowie die Entwicklung des Steuerungs- und Regelungskonzeptes bilden die Eckpunkte des ISYS im Rahmen des Kooperations-Forschungsvorhabens Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen – Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung.

Dieser Artikel befasst sich mit der Analyse von angewandten Radien in der gebauten Architektur. Diese Grundlagenermittlung ist Teil des Forschungsprojektes Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für freigeformte Betonbauteile und dient zur Vorkonfiguration einer adaptiven Schalfläche (siehe Beitrag von Michel & Knaack im vorliegenden Band). Es werden die wechselnden Veränderungen moderner Architektur, von der rechtwinkligen „Box" zum freigeformten „Blob", im Hinblick auf die Geometrie mit der daraus resultierenden Problematik in Bezug auf Kosten und Fertigung beschrieben.

Zur effizienten Fertigung gekrümmter Freiformschalen mit großen Abmessungen wurde ein neuer konstruktiv-technologischer Lösungsansatz in Form eines flexibel formbaren, mehrschichtigen Schalungssystems aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) erarbeitet. Diese GFK-Schalungselemente gestatten unter Ausnutzung ihres anisotropiebedingten Strukturverhaltens eine gezielte Einstellung von definierten Krümmungszuständen. In umfassenden Untersuchungen zum Systemaufbau der entwickelten GFK-Schalungen und Beton-Leichtbauelemente mit stabilisierten Abstandsgewirken wurden repräsentative, gekrümmte Freiformflächen mit verschiedenen Krümmungsradien entworfen, numerisch berechnet, hergestellt sowie die Konturengenauigkeit und die belastungsgerechte Integration der Gewirke verifiziert.