_Integrales Planen

Dünne Schalentragwerke haben hohe Anforderungen an Geometrie, Statik und das zu verwendende Material. Die Realisierung ist oftmals kostenintensiv und planerisch aufwendig: Gängig war früher etwa der Einsatz von physikalischen Hängekettenmodellen zur Modellierung der Schalenkonstruktionen. Mit Einzug der computerbasierten Planung haben sich dahingehend neue Möglichkeiten ergeben. Darauf basiert die Forschungsarbeit aus dem Sonderforschungsbereich Transregio 277 Additive Manufacturing in Construction AMC. In diesem Rahmen entwickelten Studierende und Lehrende der Technischen Universität Braunschweig, Delft und München einen neuartigen, computerbasierten Entwurfs-, Planungs- und Fertigungsprozess für eine Betonschalenbrücke.

Textile Schalung für robotergestützte Spritzbeton Brücke

Mit additiven Planungs- und Fertigungsmethoden lassen sich komplexe Schalenkonstruktionen mit hoher Gestaltungs- und Formfreiheit herstellen, die gegenüber traditionellen Bauweisen weniger schalungs- und arbeitsintensiv sind – darauf zielt die universitätsübergreifende Forschungsarbeit ab, aus der ein Prototyp der Fußgängerbrücke in Originalgröße hervorging.

Der im Maßstab 1:1 gebaute Demonstrator vereint zwei digitale, unabhängig voneinander entwickelte Betonbautechnologien in einem nahtlosen Prozess: Die als KnitCrete bekannte Technologie, bei der eine CNC-gestrickte stay-in-place Schalung (verlorene Schalung) hergestellt wird, wird mit Shotcrete 3D Printing (SC3DP) – dem robotischen Spritzbeton-3D-Druck – kombiniert. Zusätzlich werden eine rechnergestützte Formfindung, die robotisch gewickelte Faserverstärkung, eine CNC-Nachbearbeitung und die geometrische Qualitätsprüfung in den Arbeitsablauf integriert. Insgesamt wird damit die Präzision und Effizienz dieser Herstellungsmethode gewährleistet. Die Nachteile herkömmlicher Schalenkonstruktionen wie hoher Materialabfall, gesteigerte Arbeitskosten und Korrosion sollen so vermieden werden.

Versuchsaufbau und Ablaufplanung

Das Gesamtfertigungskonzept von Robotic Knitcrete umfasst das digitale Entwerfen und Modellieren der Brücke auf der einen und den Herstellungsprozess auf der anderen Seite. Letzterer gliedert sich in mehrere Stufen: Grundlage ist zunächst der manuelle Aufbau der Unterkonstruktion. Alle weiteren Produktionsschritte wie etwa die Herstellung der textilen Schalung, der Betonauftrag mit Bewehrungseinbau und die Oberflächennachbearbeitung erfolgen automatisiert.

Die Unterkonstruktion der Brücke besteht aus zwei identischen gegossenen und verstärkten Fundamentblöcken, in die Kartuschen für die biegeaktiven Bewehrungsstahlstäbe eingebettet sind. Diese definierten die spätere Geometrie der geplanten Fußgängerbrücke. Die Textilschalung wurde vorab – anders als alle anderen automatisierten Versuchsschritte – an der TU Delft mit einer CNC-Strickmaschine hergestellt. Der Produktionsprozess der Textilien, die im gestreckten Zustand eine Spannweite von 5 Meter überbrücken, dauerte in etwa vier Stunden. Dieser durch Knitcandela bekannt gewordene KnitCrete-Prozess von Mariana Popescu fand hier erstmalig vollautomatisiert statt. 

Im Digital Building Fabrication Laboratory (DBFL) des Instituts für Tragwerksentwurf (ITE) der TU Braunschweig wurde die Textilschalung durch die elastisch gebogenen Bewehrungsstäbe in Form gebracht. Dafür wurden vorab Kanäle für die Stäbe in das Textil eingebracht, auf die das Textil aufgefädelt wurde. Die Stäbe wurden anschließend in das Fundament verankert, womit die Unterkonstruktion fertiggestellt war.

3D-Scan als Grundlage für automatisierte Prozesse

Mithilfe von 3D-Scannern wurde daraufhin die Geometrie und genaue Position der zusammengesetzten Struktur bestimmt und in eine computergestützte Konstruktionssoftware übertragen. Auf der Grundlage der realen Form der Struktur konnten dann die Roboterbahnen für alle weiteren Fertigungsschritte generiert werden. Diese Art der Datenerfassung wurde nach jedem Prozessschritt durchgeführt, um die folgenden Schritte präzise planen zu können. Weiterhin erlaubte dies einen digitalen Vergleich zwischen der tatsächlichen und der geplanten Geometrie.

Die auf die Bewehrungsstäbe aufgefädelte Schalung wurde mithilfe des Shotcrete 3D-Printing (SC3DP)-Verfahrens mit einer nur wenige Millimeter dicken Schicht Leichtzementpaste besprüht. Dies sorgte für die nötige Steifigkeit der textilen Schalung und erhöhte außerdem die Tragfähigkeit für den anschließenden Betonauftrag. Der Arbeitsschritt dauerte nur rund 10 Minuten. Auf diese Schicht ließ sich die Endlosglasfaserbewehrung mittels Roboterabwicklung um zuvor montierte Stifte anbringen.

Nach der Integration der Faserbewehrung kam erneut das SC3DP-Verfahren zum Einsatz: Dafür wurde die tragende Schicht aus Feinkornbeton in örtlich unterschiedlicher Dicke robotisch auf die ausgesteifte Geometrie aufgespritzt. Damit war die Faserbewehrung strukturell eingebettet. Die charakteristische raue Struktur des 3D-Spritzbetons ließ sich durch ein ebenfalls robotergestütztes Glättungsverfahren im nassen Zustand nachbearbeiten, um die parametrische Klarheit in die Oberflächentextur der Brücke zu bringen. Die Kanten wurden im ausgehärteten Zustand mit einem handelsüblichen Grabsteinfräskopf dreidimensional nass geschliffen und die Konturen geschärft.

Mit dem interdisziplinären Lehrformat und der daraus resultierenden Forschung konnten die neuen Technologien erprobt, angewendet und kombiniert werden. Die Arbeit zeigt: Additive Fertigungstechniken haben das Potenzial, Schalungsmasse und manuelle Arbeit bei qualitativ hochwertiger Ergebnisse einzusparen. Der Brückendemonstrator wurde bereits im Galileo des Forschungszentrums Garching der TU München und an der TU Braunschweig ausgestellt.

Bautafel

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• https://www.frontiersin.org/journals/built-environment/articles/10.3389/fbuil.2023.1269000/full