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.

Bei modernen Massivbauwerken werden zunehmend geneigte Betonbauteile als Gestaltungselement verwendet. Schalungssysteme für derartige Betonbauteile werden oftmals als Unikate für den einmaligen Anwendungsfall hergestellt und können häufig nicht wiederverwendet werden. Daher war das maßgebliche Ziel des Forschungsvorhabens Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile, Schalungssysteme zu entwickeln, die freie Formen annehmen und die wiederverwendet werden können. Hinsichtlich der Dimensionierung von doppelhäuptigen Schalungssystemen stellt der Frischbetondruck die maßgebliche Einwirkung dar. Die existierende Norm zum Frischbetondruck DIN 18218 enthält bisher keine Angaben für geneigte Schalungen. Daher wird in der Baupraxis bei geneigten Schalungen oftmals der hydrostatische Frischbetondruck angesetzt, was u. U. zu einer Überdimensionierung des Schalungssystems bzw. zu einer unnötigen Verringerung der zulässigen Betoniergeschwindigkeit und somit zu einer längeren Herstellzeit führt. Im nachfolgenden Beitrag werden experimentelle und analytische Untersuchungen zum Frischbetondruck bei frei geformten Schalungssystemen vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Frischbetondruck bei geneigten Schalungen mit konstanter Bauteildicke kleiner ausfällt als bei lotrechten Schalungen.

Für die Herstellung von Schalungen für Betonbauteile, die sowohl gekrümmte als auch unstetige Oberflächen aufweisen, stellt das Fräsen einer Schalungsgeometrie eine Methode mit höchster Präzision dar, die jedoch mit großem Arbeits- und Ressourcenaufwand verbunden ist. Im vorliegenden Artikel wird eine Schalungsmethode beschrieben, mit der das Problem des hohen Ressourcenaufwands von gefrästen Schalungen durch die Auswahl eines wiederverwendbaren Schalungsmaterials umgangen wird. Vertieft wird die Erprobung dieser Methode mit den Schalungsmaterialien Sand und Ton beschrieben.

Es wird ein neues Konzept vorgestellt, welches den Entwurf, die Berechnung und die Optimierung von Schalen aus Betonfertigbauteilen vereinfachen soll. Für das Konzept wird die neu entwickelte isogeometrische B-Rep-Analyse (IBRA) verwendet, welche für die Geometriebeschreibung ausschließlich Computer-Aided-Design-Parameter (CAD-Parameter) verwendet. Somit kann der gesamte Entwicklungsprozess der Schale, vom Entwurf bis zur Optimierung, in einem CAD-Programm durchgeführt werden.

Parabolrinnenkraftwerke gehören zu den wirtschaftlichsten Varianten der solarthermischen Kraftwerke. Bisher bestehen diese aus Stahlfachwerken mit aufgelagerten Spiegelelementen zur Strahlenkonzentration. Diese Trennung von Trag- und Reflektorstruktur soll durch eine Schalenstruktur aus (ultra-)hochfestem Beton aufgehoben werden. Dazu sind numerische Modelle entwickelt sowie spezifische Beanspruchungen und geometrische und materielle Restriktionen hergeleitet worden. Ein mehrebeniger Optimierungsprozess bildet den Grundstein für ein form- und herstellungsoptimiertes Schalentragwerk. Ein hergeleitetes Kriterium zur Strahlenkonzentration bewertet die Wirksamkeit. Die Projektpartner an der TU Kaiserslautern haben unter Leitung von Prof. Schnell die experimentelle Entwicklung betrieben und zu einem Großdemonstrator umgesetzt.

Anlehnend an die japanische Papierfaltkunst Origami wurde ein Konzept für den Entwurf und die Herstellung von gefalteten Tragstrukturen aus zementbasierten Verbundwerkstoffen entwickelt. Die räumlichen Tragstrukturen werden durch Faltung von ebenen Elementen mit vorgegebenen Faltlinien hergestellt. Durch Modifikation der Faltmuster ist eine große Vielfalt an Formen erzielbar und lassen sich die Steifigkeitsverhältnisse gezielt beeinflussen. Wegen der hohen Variabilität und der großen Anzahl von Freiheitsgraden der Faltstrukturen wurde eine numerische Simulationsplattform zur Unterstützung aller Phasen des Entwurfs und der Herstellung erstellt. Mit Modellen aus Textilbeton wurde eine Herstellmethodik entwickelt. Anhand des Entwurfs einer gefalteten Kuppel wird das Entwurfs- und Herstellkonzept demonstriert.