Budelmann/Kloft

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektinformationen
      2. Kurzvorstellung Förderphase 1
      3. Kurzvorstellung Förderphase 2
      4. Publikationen

Projektinformationen

Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkselemente aus UHPC (Phase I)
Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Hybride, trocken gefügte Stab-, Flächen- und Raumtragelemente aus UHPFRC (Phase II)

Antragsteller 1 | Applicant 1: Prof. Dr.-Ing. Harald Budelmann
TU Braunschweig, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB), Beethovenstr. 52, 38106 Braunschweig
+49 531 391 5405 | h.budelmann@ibmb.tu-bs.de | www.ibmb.tu-braunschweig.de/index.php/fachgebiet-fgbs.html

Antragsteller 2 | Applicant 2: Prof. Dr.-Ing. Harald Kloft
TU Braunschweig, Institut für Tragwerksentwurf (ITE), Pockelsstraße 4, 38106 Braunschweig
+49 531 391 3571 | h.kloft@tu-braunschweig.de | www.ite.tu-bs.de

Projektnummer | Project number: 198251365
Berichts-/Förderzeitraum | Reporting/funding period: 10/2011–11/2017

Team | Team: Lukas Ledderose (ITE, 10/2011–11/2017), Jeldrik Mainka (ITE, 10/2011–10/2014), Franz Wirth (ITE, 12/2014–11/2017), Stefan Neudecker (ITE, 10/2011–10/2014), Sven Lehmberg (iBMB, 05/2011–11/2017), Wibke Hermerschmidt (iBMB, 10/2011–05/2012), Reinhard Nothnagel (iBMB, 10/2011–12/2011)

Kurzvorstellung Förderphase 1

Ziel des Vorhabens ist es, die neuesten Erkenntnisse im Bereich von ultrahochfesten Betonen (UHPC) mit den Möglichkeiten der CNC-gesteuerten Fertigungstechnik für Formenbau und Nachbearbeitung zusammenzubringen und innovative Leichtbaustrukturen aus Beton zu entwickeln. Im Hinblick auf einen ressourceneffizienten Einsatz von Werkstoffen wird dem Einsatz von leichten und schlanken Betonkonstruktionen aus UHPC in Zukunft eine entscheidende Bedeutung zukommen. Hierzu werden hybride Tragwerksstrukturen in Form von Stabwerken und zweiachsig gekrümmten Flächenelementen aus UHPC entwickelt und untersucht. Die Tragwerksstrukturen sind modular aufgebaut und für eine Vorfertigung konzipiert. Die wesentlichen Bauteile des Stabwerkes sind Stäbe und deren Verbindungselemente – Auflager, Ecken und Knoten. Für die gekrümmten Flächenelemente werden vor allem die Ränder zur Kraftübertragung und -weiterleitung genauer betrachtet. Die Formen der Elemente werden unter Einfluss verschiedener Parameter wie Belastung, Materialkennwerte und Fertigungsvorgaben entwickelt. Speziell durch eine optimierte Anordnung von Aussteifungen und Ausrundungen sollen vorhandene Spannungsspitzen minimiert und die Tragfähigkeit erhöht werden. Die Formfindung und -optimierung erfolgt iterativ – unter Beachtung der genauen mechanischen Materialeigenschaften – mit Hilfe der FEM am numerischen Modell und durch mittels 3D-Print-Technologie hergestellter, realer Modelle. Einen besonderen Schwerpunkt stellt die Realisierbarkeit dar. Hierzu zählen das Finden des geeigneten Formenmaterials, das Formen der Schalung mit Hilfe der 3D-CNC-Technik sowie die Definition und Abstimmung der Betonage. Die zusammengefügten Bauteile werden abschließend experimentell untersucht. Dabei werden Verformungen und Dehnungen messtechnisch, unterstützt durch optische Verfahren, erfasst und mit den Berechnungen verglichen.

Kurzvorstellung Förderphase 2

Ziel des Vorhabens ist es, die neuesten Erkenntnisse im Bereich von faserverstärktem ultrahochfesten Beton (UHPFRC) mit den Möglichkeiten der CNC-gesteuerten Fertigungstechnik für Formenbau und Nachbearbeitung zusammenzubringen und innovative Leichtbaustrukturen aus Beton zu entwickeln. Im Hinblick auf einen ressourceneffizienten Einsatz von Werkstoffen wird dem Einsatz von leichten und schlanken Betonkonstruktionen aus UHPC in Zukunft eine entscheidende Bedeutung zukommen. Hierzu werden hybride Tragwerksstrukturen in Form von Stabwerken und zweiachsig gekrümmten Flächenelementen aus UHPC entwickelt und untersucht. Die Tragwerksstrukturen sind modular aufgebaut und für eine Vorfertigung konzipiert. Die wesentlichen Bauteile des Stabwerkes sind Stäbe und deren Verbindungselemente – Auflager, Ecken und Knoten. Für die gekrümmten Raumtragwerke werden vor allem die Ränder zur Kraftübertragung und -weiterleitung genauer betrachtet. Die Formen der Elemente werden unter Einfluss verschiedener Parameter wie Belastung, Materialkennwerte und Fertigungsvorgaben entwickelt. Speziell durch eine optimierte Anordnung von Aussteifungen und Ausrundungen sollen vorhandene Spannungsspitzen minimiert und die Tragfähigkeit erhöht werden. Die Formfindung und -optimierung erfolgt iterativ – unter Beachtung der genauen mechanischen Materialeigenschaften – mit Hilfe numerischer Modelle und durch mittels 3D-Print-Technologie hergestellter, realer Modelle. Einen besonderen Schwerpunkt stellt die Realisierbarkeit dar. Hierzu zählen das Finden des geeigneten Formenmaterials, das Formen der Schalung mit Hilfe der 3D-CNC-Technik sowie Strategien zur Betonierung dünner Bauteile aus UHPFRC. Die zusammengefügten Bauteile werden abschließend experimentell untersucht. Dabei werden Verformungen und Dehnungen messtechnisch, unterstützt durch optische Verfahren, erfasst und mit den Berechnungen verglichen.

Die Entwicklung von Fügeprinzipien für dünnwandige, flächige Bauteile ist die Voraussetzung zum Bau von Platten oder Schalen aus segmentierten, trocken gefügten Fertigteilen. Es wurde daher in einem ersten Schritt die linienförmige trockene Fügung einzelner Elemente zu dünnwandigen UHPFRC-Bauteilen untersucht.

Aus den Ergebnissen der Fügung von stabförmigen Bauteilen aus der ersten Förderperiode und den Erkenntnissen aus der Erforschung flächiger Fügeprinzipien wurde ein zusammenwirkendes Bauteil in Form eines einachsig gespannten Plattenbalkens entwickelt und geprüft. Das untersuchte Bauteil stellt dabei nur einen Ausschnitt aus einem großflächigen Deckensystem dar.

Publikationen

• Mainka, J.; Neudecker, S.; Müller, C.; Ledderose, L.; Hermerschmidt, W.: Development of new jointing systems for lightweight UHPC structures. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Hrsg.): Proc. of the 9th fib Int. PhD Symp. in Civil Engineering, 22.−25.07.2012 in Karlsruhe, Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2012, S. 341−348
• Mainka, J.; Lehmberg, S.; Budelmann, H.; Kloft, H.: Non-Standard Fügeprinzipien für leichte Bauteile aus UHPFRC. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 763−773
• Lehmberg, S.; Budelmann, H.: Entwicklung von dünnwandigen Stabwerksknoten aus ultrahochfestem faserverstärkten Beton. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium in Bochum, 07./08.11.2013, Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 47−52
• Lehmberg, S.; Ledderose, L.; Mainka, J.; Budelmann, H.; Kloft, H.: Non-Standard Joints for lightweight modular spatial and shell structures made from UHPFRC. In: Brasil, R. und Pauletti, R. (Hrsg.): Shells, Membranes and Spatial Structures: Footprints – Proc. of the IASS-SLTE 2014 Symp., 15.–19.09.2014 in Brasilia (Brasilien), 2014, 9 S.
• Lehmberg, S.; Mainka, J.; Ledderose, L.; Budelmann, H.; Kloft, H.: Neuartige Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen-und Stabwerkelemente aus UHPFRC. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton –
•  Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2014, S. 122−139 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171431
• Lehmberg, S.; Ledderose, L.; Wirth, F.; Budelmann, H.; Kloft, H.: From Jointing Systems to Light-Weight Structures: Hybrid, dry-fit beam, surface and spatial structures made of UHPFRC. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proc. of the IASS Annual Symp. 2015, 17.–20.08.2015 in Amsterdam (Niederlande), Beitrag Nr. IASS2015-417738, publiziert auf USB-Stick: 8 S.
• Lehmberg, S.; Ledderose, L.; Wirth, F.; Budelmann, H.; Kloft, H.: Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Trocken gefügte Flächenelemente aus UHPFRC. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 806–815
• Budelmann, H.; Lehmberg, S.: Von der Küchenarbeitsplatte zum leichten Tragwerk – Was kann ultrahochfester faserverstärkter Feinkornbeton? In: Scheerer, S.; van Stipriaan, U. (Hrsg.): Festschrift zu Ehren von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach, Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2016, S. 90–103 – https://tu-dresden.de/bu/bauingenieurwesen/imb/forschung/publikationen/Jahrbuch_Monographien/MC60
• Lehmberg, S.; Budelmann, H.: Modulare, dünnwandige Plattenbalken aus UHPFRC mit Non-Standard Fügungen. Kurzberichte aus der Forschung, 2016, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig − http://www.ibmb.tu-braunschweig.de/docpool/reports/KaF-2016-11.pdf
• Ledderose, L.; Lehmberg, S.; Wirth, F.; Budelmann, H.; Kloft, H.: From digital design to precise production: Dry-jointed coffered ceiling made of UHPFRC-components. In: Bögle, A.; Grohmann, M. (Hrsg.): Interfaces: architecture.engineering.science – Proc. of the IASS Annual Symp. 2017, 25.–28.09.2017 in Hamburg, Hamburg: HCU & IASS, 2017, Beitrag Nr. 9194, Book of Abstracts: S. 124, Langfassung digital: 8 S.
• Lehmberg, S.: Herstellung und Eigenschaften von dünnwandigen, trocken gefügten Bauteilen aus ultrahochfestem faserverstärkten Feinkornbeton. Dissertation, iBMB, 2018
• Schlussbericht