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Schalungsfreie Fließfertigung adaptiver Tragstrukturen aus variablen Rahmenelementen – Adaptive Concrete Diamond Construction (ACDC)

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Daniel Lordick Technische Universität Dresden, Institut für Geometrie

Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Technische Universität Dresden, Institut für Baustoffe

Bearbeiter

Zlata Tošić, M. Sc. Technische Universität Dresden, Institut für Geometrie

Dipl.-Ing. Martin-Friedrich Eichenauer Technische Universität Dresden, Institut für Geometrie

Egor Ivaniuk, M. Sc. Technische Universität Dresden, Institut für Baustoffe

Projektbeschreibung

Schalen gehören aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und Materialeinsatz zu den effektivsten flächenbildenden Tragstrukturen. Die konsequente Umsetzung kraftadaptiver Konstruktionsprinzipien beim Bau von Schalentragwerken wird jedoch durch sehr hohe Planungs- und Herstellungskosten behindert. Im Vorhaben sollen neue Ansätze zur effektiven, industriellen, kostengünstigen Herstellung von Schalentragwerken entwickelt werden, indem diese durch zahlreiche, einander ähnliche Facetten approximiert werden. Bei Anwendung ebener Vierecks-Facettierungen entsteht so ein diskretisiertes Schalentragwerk vergleichbar einer Gitterschale, vgl. Bild 1.
Zur geometrischen Beschreibung der frei geformten Tragstrukturen sowie zu deren Facettierung werden computergestützte Algorithmen entwickelt, in denen auch Strategien zur architektonischen und konstruktiven Ausarbeitung der Module implementiert sind. Dies bildet die Grundlage für ein durchgängiges digitales Modell, mit dem sowohl die parametrische Modellierung des Tragwerkes und die Formfindung der Facetten als auch die Generierung von digitalen Datensätzen für die automatisierte Fertigung der Module abgebildet werden.
Die Module werden in eine Randzone und eine Ausfachung gegliedert. Die Randzone besteht aus ultra-hochfestem, hochduktilem Beton mit kurzen Polymerfasern und definiert in Längsachse und Querschnitt die formschlüssige Randgeometrie zu den benachbarten Modulen. Diese Betonart reagiert gutmütig auf lokale Belastungsspitzen und stellt eine hohe Robustheit des Modulrandes sicher. Die Ausfachung kann in verschiedener Weise erfolgen, was die Wandelbarkeit des Moduls erhöht. Sie soll zunächst mit einer dünnen Schicht aus textilbewehrtem Beton erfolgen. Die textile Bewehrung wird belastungsgerecht durch die Ablage von Carbongarnen hergestellt. Alternativen, wie Gitterhalbzeuge werden zusätzlich untersucht.
Die Module entstehen automatisiert in einem Fließfertigungsprozess. Der Modulrand wird schalungsfrei mit veränderlichem Querschnitt durch den Endeffektor eines Extruders ausgeformt. Die Bewehrungsgarne werden inline mit einer mineralischen Feinststoffsuspension getränkt und mit Hilfe einer Garnablageeinheit positioniert. Die Auffüllung der Ausfachung mit Beton erfolgt anforderungsgemäß. Die automatisierte Werkzeugführung ergibt sich aus dem durchgängigen digitalen Datenmodell, welches gleichzeitig der Qualitätsüberwachung dient.
Die auf Grundlage digitaler Algorithmen erlangte Freiheit in der Formgebung und die variable Materialauswahl ermöglichen die Herstellung individueller Bauteile die den Zielkonflikt zwischen ökonomischer Serienfertigung und Individualität auflösen.

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 1: Parabolisches Raumfachwerk mit ebenen Vierecksfacetten; D. Lordick
Abbildung 1: Parabolisches Raumfachwerk mit ebenen Vierecksfacetten; D. Lordick

Veröffentlichungen

[1]    Mechtcherine, V.; Lordick, D.:
Schalungsfreie Fließfertigung adaptiver Tragstrukturen aus variablen Rahmenelementen – Adaptive Concrete Diamond Construction (ACDC) -.
In: BetonWerk International Nr. 5, 2020, S. 16-17
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