Graubner/Knaack

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektinformationen
      2. Kurzfassung
      3. Publikationen

Projektinformationen

Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile

Antragsteller 1 | Applicant 1: Prof. Dr.-Ing. Carl-Alexander Graubner
TU Darmstadt, Institut für Massivbau (IfM), Franziska-Braun-Straße 3, 64287 Darmstadt
+49 6151 16 21400 | info@massivbau.tu-darmstadt.de | www.massivbau.tu-darmstadt.de

Antragsteller 2 | Applicant 2: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Knaack
TU Darmstadt, Institut für Statik und Konstruktion (ISM+D), Franziska-Braun-Straße 3, 64287 Darmstadt (bis | until 30.09.2014: Detmold, Hochschule Ostwestfalen-Lippe)
+49 6151 16 23013 | knaack@ismd.tu-darmstadt.de | https://www.ismd.tu-darmstadt.de/

Projektnummer | Project number: 198151796
Berichts-/Förderzeitraum | Reporting/funding period: 01.10.2011–31.07.2016
Team | Team: Björn Freund (IfM, 01.10.2011–31.03.2015), Matthias Michel (ISM+D, 01.10.2011–30.09.2013), Sascha Hickert (ISM+D), Tilo Proske (IfM)

Kurzfassung

Für die Realisierung nach bionischen Prinzipien entworfener Betontragwerke mit frei geformten Bauteilkonturen ist die einzusetzende Schalung in technischer und ökonomischer Hinsicht von eminenter Bedeutung. Das Forschungsvorhaben soll sich mit der Entwicklung adaptiver und aktiv regulierbarer Schalungssysteme befassen, welche durch den Einsatz neuartiger Materialen und Konstruktionsprinzipien flexibel auf beliebig geneigte und gekrümmte Bauteiloberflächen reagieren können. Das Schalungssystem selbst soll nach bionischen Prinzipien agieren. Computergestützt ansteuerbare, elektrisch regulierbare Anker- und Stellgliedsysteme ermöglichen effiziente, materialsparende Herstellverfahren und minimieren die Beanspruchung des Schalungssystems. Zwischen dem auf die Schalung einwirkenden Betondruck und dem verwendeten Schalungssystem besteht ein komplexer, nichtlinearer Zusammenhang, welcher insbesondere für geneigte und frei geformte Bauteiloberflächen wissenschaftlich noch nicht untersucht wurde. Die vielfältigen Einflussgrößen auf den Frischbetondruck werden analysiert. Dazu werden umfangreiche Großversuche durchgeführt. Des weiteren wird ein nummerisches Modell entwickelt und mit einem FE-Programm modelliert. Das Modell soll anhand der Versuchsergebnisse verfiziert und ggf. kalibriert werden. Anschließend sollen umfangreiche Parameterstudien durch-geführt werden. Aus den so gewonnenen Erkenntnissen soll ein allgemeingültiges, bisher nicht existierendes Ingenieurmodell zur Bestimmung des auf geneigte und gekrümmte Schalungsflächen einwirkenden Frischbetondrucks erarbeitet werden. Die mit diesem Modell erhaltenen Ergebnisse werden exemplarisch anhand von Bauteilversuchen verifiziert.

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Projektbearbeitung Institut für Massivbau der TU Darmstadt

Der Frischbetondruck bei geneigten und gekrümmten Schalungen ist weitgehend unerforscht. Nomative Angaben sind weitestgehend nicht vorhanden, bzw. eher konservativ [Freund et al. 2011]. Zunächst wurden theoretische Modelle zur Beschreibung des Frischbetondrucks bei verwendung von fließfähigem und selbstverdichtendem Beton dargestellt [Proske et al. 2012] und für geneigte Schalungen angepasst. Im Rahmen des RILEM Round-Robin-Versuchs 2012 wurden Betonierversuche mit selbstverdichtendem Beton durchgeführt [Billberg et al. 2014].

Zur experitmentellen Untersuchung des Frischbetondrucks von geneigten Schalungen wurden 15 Großversuche mit 30 Wandbetonagen durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsstand in dem Forschungs- und Prüflabor für Massivbau der TU Darmstadt aufgebaut [Freund 2012].

Die durchgeführten Versuche haben den maßgeblichen Einfluss der Bewehrung, der Verdichtungsintensität und der Wanddicke auf den Frischbetondruck bestätigt [Freund 2013]. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Frischbetondruck bei geneigten Wände stets kleiner ausfiel als bei lotrechten Wänden mit ansonsten gleichen Randbedingungen [Graubner et al. 2013].

Am Institut für Massivbau wurde eine Berechnungsmodell zur Berechnung des Frischbetondrucks bei bei geneigten und gekrümmten Betonschalungen auf Grundlagen der Finiten-Elemente-Methode entwickelt. Das folgende Bild zeigt exemplarisch das visualisierte Ergebnis für eine Berechnung des Frischbetondrucks der Betonage einer geneigten Wand.

Mit dem entwickelten FE-Modell wurden umfangreiche Paramterstudien durchgeführt. Bspw. wurden Frischbetondrücke bei veränderlicher Schalungsneigung für drei verschiedene Wanddicken berechnet. Dabei fällt auf, dass mit zunehmender Schalungsneigung der Frischbetondruck abnimmt, was gegensätzlich zum Stand der Technik ist. Bei Berechnung des Frischbetondrucks nach DIN 18218 in Verbindung mit einem Ansatz für geneigte Schalungen nach [Ast & Fröhlich] nimmt der Druck auf die obere Schalung nicht ab und bei der unteren Schalung nimmt der Druck mit größer werdender Schalungsneigung zu. Des Weiteren zeigt die Untersuchung, dass der Druck bei dünnen leichten Wänden besonders gering ausfällt, was derzeit durch normative Änsätze nicht zu erfassen ist.

Zur Bemessung von geneigten und gekrümmten Schalungen wurde ein Modell zur Bestimmung des Frischbetondrucks bei derartig geneigten Schalunssystemen erarbeitet.

Projektbearbeitung Lehrstuhl für Entwurf und Konstruktion an der HS Ostwestfalen-Lippe/ Institut für Statik und Konstruktion (ISM+D); TU Darnmstadt

An der HS Ostwestfalen-Lippe wurden 150 realisierte Bauten mit frei geformten Stahlbetonbauteilen bzw. Schalentragwerken hinsichtlich ihrer Krümmungsverteilung analysiert und Häufungen von Krümmungen identifiziert. In einer Evaluationsmatrix wurden geometrische, konstruktive und funktionale Eigenschaften in Beziehung gesetzt.

Auf Basis der erarbeiteten geometrischen und funktionalen Grundlagen wurden die Möglichkeiten der formaktiven Wandschalung mit außen angebrachten schwenkbaren Aktuatoren erforscht, die eine gegebene Topologie computergesteuert in eine elastische Schalhaut einprägen, [Hickert/Knaack 2014] & [Knaack et al. 2014].

Hierzu wurden in einem parametrisierten Geometriemodell die Aktuatorsteuerung und das Verhalten der Schalhaut anhand der geometrischen Auflösung linearer Abhängigkeiten in Kopplung mit der numerischen Berechnung nach Theorie II. Ordnung simuliert [Michel 2012]. Die Simulationsumgebung wurde dahingehend erweitert, dass Steuerungsdaten an funktionalen Aktuatoren erprobt werden konnten.

Zur Durchführung von Kleinversuchen wurden 36 computergesteuerte Aktuatoren genutzt, um perforierte Schalflächen hinsichtlich ihres Umformverhaltens zu testen und anhand der gemessenen Verformungen die numerische Simulation zu kalibrieren.

Es wurde die Struktur einer Schalhaut entwickelt, an die in axialer Richtung hohes Umformvermögen in Kombination mit gutem Biegewiderstand gegenüber einwirkendem Betondruck erwartet wird. Hierzu werden in Parameterstudien Perforationen hinsichtlich ihrer Aufnahme von Umformenergie untersucht und deren mechanische Eigenschaften ermittelt, [Michel 2012] & [Knaack et al. 2014].

Anhand der numerischen Simulation eines großflächigen Modells der formaktiven Schalung auf Grundlage der mechanischen Eigenschaften der Schalfläche wurden bereits Erkenntnisse gewonnen, anhand derer Aussagen zur Konfiguration und Leistungsfähigkeit von formativen Schalungssystemen möglich sind [Knaack et al. 2014].

Publikationen

• Freund, B.; Proske, T.; Graubner, C.-A.: Frischbetondruck bei geneigten Schalungen − Sachstandbericht. In: Franz, V.; Hoffmann F. H.; Motzko, C.; Fricke, J. G. (Hrsg.): Tagungsband des 21. Kassel-Darmstädter Baubetriebsseminars Schalungstechnik, Gesellschaft für baubetriebliche Weiterbildung – Arbeitskreis Schalung, 24./25.11.2011 in Kassel, 2011, Kap. C1, S. 1−11
• Proske, T.; Freund, B.; Graubner, C.-A.: Models for prediction of formwork pressure. In: Billberg, P. (Hrsg.): Proc. of the Int. Workshop on Self-Compacting Concrete, 01.06.2012 in Stockholm (Schweden), RILEM TC-FPC “Form pressure generated by fresh concrete”, Stockholm: Swedish Cement and Concrete Research Institute, 2012, S. 84−92
• Freund, B.: Fresh concrete pressure on inclined or curved formwork. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Hrsg.): Proc. of the 9th fib Int. PhD Symp. in Civil Engineering, 22.−25.07.2012 am KIT Karlsruhe, Karlsruhe: KIT Scientific Publ., 2012, S. 331–334
• Michel, M.: Electronic controlled adaptive formwork for freeform concrete walls and shells. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Hrsg.): Proc. of the 9th fib Int. PhD Symp. in Civil Engineering, 22.−25.07.2012 am KIT Karlsruhe, Karlsruhe: KIT Scientific Publ., 2012, S. 281−289
• Freund, B.: Großversuche zur Untersuchung des Frischbetondrucks bei geneigten Schalungssystemen. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium, 07./08.11.2013 in Bochum, Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 179−184
• Graubner, C.-A.; Freund, B.; Proske, T.: Frischbetondruck und Sichtbetonqualität bei geneigten Schalungen − Teil 1. In: Franz, V.; Hoffmann F. H.; Motzko, C.; Fricke, J. G. (Hrsg.): Tagungsband des 23. Kassel-Darmstädter Baubetriebsseminars Schalungstechnik, Gesellschaft für baubetriebliche Weiterbildung – Arbeitskreis Schalung, 28./29.11.2013 in Kassel, 2013, Kap. B1a, S. 1−11
• Freund, B.; Proske, T.; Graubner, C.-A.: Frischbetondruck bei frei geformten Schalungssystemen. 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. 208–217 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171516
• Hickert, S.; Knaack, U.: Freigeformte Betonkonstruktionen − Formen, Schalungssysteme und technische Potentiale. 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. 176–185 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171490
• Michel, M.; Knaack, U.: Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile. 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. 186–197 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171637
• Billberg, P.; Roussel, N.; Amziane, S.; Beitzel, M.; Charitou, G.; Freund, B.; Gardner, J. N.; Graubner, C.-A.; Keller, L.; Khayat, K. H.; Lange, D. A.; Omran, A. F.; Perrot, A.; Proske, T.; Quattrociocchi, R.; Vanhove, Y.: Field validation of models for predicting lateral form pressure exerted by SCC. Cement and Concrete Composites 54 (2014) 11, S. 70–79
• Freund, B.; Proske, T.; Graubner, C.-A.: Experimentelle Untersuchungen und numerische Verifizierung zum Frischbetondruck bei geneigten Schalungssystemen. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014) 11, S. 803–811 – DOI: 10.1002/best.201400062
• Michel, M.; Knaack, U.: Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonschalen und Wände. Bautechnik 91 (2014) 12, 845–853 – DOI: 10.1002 / bate.201400081
• Hickert, S.; Knaack, U.: Evaluation of free-form concrete architecture, moulding systems and their technical potentials. Journal of Facade Design and Engineering 3 (2015) 3–4, S. 273–288 – DOI: https://doi.org/10.7480/jfde.2015.3-4.978
• Knaack, U.; Hildebrand, L.; Hickert, S.: imagine 8 – CONCRETABEL. In: Knaack, U.; Klein, T.; Bilow, M. (Hrsg.): imagine series, Vol. 8, Rotterdam: NAI/010 publ., 2015
• Graubner, C.-A.; Freund, B.: Frischbetondruck bei frei geformten Betonbauteilen – Ein neuartiges Bemessungskonzept für Schalungssysteme. BFT International 82 (2016) 2, S. 80–82 – Proc. der 60. Betontage, 23.–25.02.2016 in Neu-Ulm
• Freund, B; Proske, T.: Frischbetondruck fließfähiger und selbstverdichtender Betone auf geneigte Schalungen, In: Fenner, J. (Hrsg.): Festschrift zum 60. Geburtstag von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Motzko, Darmstadt: Institut für Baubetrieb der TU Darmstadt, 2017, S. 165–178
• Freund, B.: Frischbetondruck lotrechter, geneigter und gekrümmter Betonbauteile bei Verwendung von Betonen mit hoher Fließfähigkeit. Dissertation, IfM, 2017
• Hickert, S.: Fabrik Formwork – Entwicklung und Bewertung eines textilen Schalungssystems. Dissertation, ISM+D, 2019
• Schlussbericht: https://doi.org/10.25368/2022.334