RIBB3D: Nachhaltige Betonrippendecken mit 3D-gedruckter Schalung
Über die Professur für Betontragwerke und Brückenbau (D-BAUG) und die Gramazio Kohler Forschung (D-ARCH), ETH Zürich
Die Lehrstuhl für Betonbau und Brückenbau erforscht das Verhalten von Beton, um die tatsächliche Stärke bestehender Bauwerke zu nutzen, innovative konstruktive Lösungen zu finden und effiziente Konstruktionsmethoden zu entwickeln, einschliesslich digitaler Entwurfs- und Fertigungsverfahren. Die Gramazio-Kohler-Forschung erforscht das Potenzial des computergestützten Entwurfs und der digitalen Fertigung in der Architektur, mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Roboterfertigung. Beide Lehrstühle haben sich zusammengetan, um in einem interdisziplinären, gemeinsamen Forschungsprojekt von Ingenieuren und Architekten zu untersuchen, wie Betonbodenplatten mit innovativen Methoden entworfen und hergestellt werden können.
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Die Herausforderung
Beton hat aufgrund seines Kohlenstoff-Fußabdrucks eine große Auswirkung auf die Umwelt. Bodenplatten aus Beton machen im Allgemeinen mehr als die Hälfte der Strukturmasse eines mehrstöckigen Gebäudes aus. Diese Decken werden in der Regel in Massivbauweise hergestellt, nicht wegen der statischen Effizienz, sondern wegen der kostengünstigen, flächigen Schalung, mit der sie gegossen werden. Um das Betonvolumen dieser Geschossdecken zu reduzieren, suchten die Mitglieder des RIBB3D-Projekts nach unkonventionellen Entwurfs- und Produktionsmethoden für Geschossdecken unter Einhaltung der Bauvorschriften.
Die Lösung mit dem Roboter-Extruder E25″
Mit Hilfe von Berechnungswerkzeugen haben wir eine gerippte Topologie für das Design der Bodenplatte entwickelt“, sagt Joris Burger, Doktorand bei Gramazio Kohler Research an der ETH Zürich. „Die Deckenschalung wurde im 3D-Druckverfahren mit dem E25 Thermoplast-Granulat-Extruder auf einem Industrieroboter hergestellt“, fährt er fort. … „Der 3D-Druck von Schalungen ermöglicht die Herstellung komplexer Designs, die mit anderen Schalungsmethoden nicht realisierbar wären“.
In das Schalungsdesign können Versteifungen eingebaut werden, die dem Druck des frischen Betons standhalten. An den Rippen werden Bewehrungskörbe aus Stahl angebracht, und anschließend wird die Schalung mit Hilfe eines nicht planaren Roboterdrucks geschlossen. Die Rippen können dann mit normalem selbstverdichtendem Beton gegossen werden. „Da wir die Schalung für die Rippen mit der Oberseite nach unten gedruckt haben, konnten wir den flachen Teil der Platte nach dem Entschalen einfach mit einer herkömmlichen Schalung gießen“, fügt Burger hinzu.
Der 3D-Druck von Schalungen hat das Potenzial, materialeffiziente Betonstrukturen zu ermöglichen, da er eine größere geometrische Freiheit ermöglicht.
Das Ergebnis
Die Messungen ergaben, dass die optimierte Konstruktion mit Rippenplatten im Vergleich zu einer massiven Referenzplatte eine um 80 % höhere Tragfähigkeit bei Verwendung von herkömmlichem Beton erreicht. Wenn kohlenstoffarmer Beton verwendet wird, kann der Kohlenstoff-Fußabdruck um etwa zwei Drittel reduziert werden. Die Rippenplatten erfüllten alle Anforderungen in Bezug auf strukturelle Integrität, Komfort und Robustheit. „Dieses Gemeinschaftsprojekt zeigt das Potenzial des 3D-Drucks bei der Herstellung optimierter Betonrippenplatten und ebnet den Weg zu einer nachhaltigen Betonbauweise.“
Quellenangabe:
Concrete Structures and Bridge Design, ETH Zurich
Prof. Walter Kaufmann, Tobias Huber, Jaime Mata-Falcón
Gramazio Kohler Research, ETH Zurich
Prof. Fabio Gramazio, Prof. Matthias Kohler, Joris Burger, Ena Lloret-Fritschi, Ping-Hsun Tsai
Support: Structural Lab, ETH Zurich; Robotic Fabrication Laboratory, ETH Zurich; Concrete Lab, ETH Zurich
Sponsors: SACAC AG, Debrunner Acifer Bewehrungen
Funding: ETH Foundation, Siemens, Geberit, NCCR Digital Fabrication.
