Tragender, Bewehrter 3D-Gedruckter Beton

3D-gedruckter Beton wurde bisher hauptsächlich für nichttragende Elemente verwendet, wie verlorene Schalungen zum Giessen komplexer Geometrien oder für Elemente mit geringer statischer Beanspruchung, vergleichbar mit Mauerwerk. Diese unbefriedigende Situation war hauptsächlich auf (i) das Fehlen mechanischer Modelle und Bemessungsregeln, die die anisotropen Eigenschaften des 3D-gedruckten Betons aufgrund seiner Schichtung berücksichtigen, und (ii) das Fehlen nachgewiesener Konzepte für die Bewehrungsintegration sowie Modelle für die Interaktion zwischen Bewehrung und 3D-gedrucktem Beton zurückzuführen.

Intensive Forschungsarbeiten wurden durchgeführt, um diese Probleme anzugehen und das Potenzial der digitalen Fabrikation mit Beton für tragende Elemente vollständig zu nutzen. Einerseits wurden ein statisches Konzept und mechanische Modelle für 3D-gedruckten Stahlbeton entwickelt und experimentell an massstäblich reduzierten und massstäblichen 3D-gedruckten Stahlbetonsäulen validiert. Darüber hinaus wurde die Interaktion zwischen Bewehrung und 3D-gedrucktem Beton an zwei Serien von 3D-gedruckten Stahlbetonzuggliedern untersucht. Schliesslich wurde ein neuer Materialprüfversuch für 3D-gedruckten Beton, der sogenannte Modifizierte Scherversuch, etabliert. Dieser relativ einfache Versuch ermöglicht die Quantifizierung des Einflusses der Schichtgrenzflächen von 3D-gedrucktem Beton, einschliesslich Trockenfugen und Kalter Fugen, d. h. Schichten, die mit einer gewissen Zeitverzögerung aufgrund von Unterbrechungen während des Druckens gedruckt wurden.

All dies hat es ermöglicht, den 3D-gedruckten Beton des Weissen Turms mit Stahlbewehrung und Vorspannung so zu bewehren, dass ein mechanisches Verhalten analog zu herkömmlichem Stahlbeton gewährleistet ist, wodurch die strukturelle Integrität und die Einhaltung der Tragwerksnormen sichergestellt werden. Dementsprechend ist der Weisse Turm das weltweit erste mehrgeschossige Gebäude, das vollständig tragenden, bewehrten 3D-gedruckten Beton verwendet.

Automatisch Integrierte Bewehrung – Zwei Roboter in Tandem-Zusammenarbeit

Die Stahlbewehrung wurde während des Druckvorgangs in die 3D-gedruckten Säulen integriert. Bei dem neu entwickelten 3D-Betondruckverfahren arbeiten zwei Roboter zusammen: Der eine extrudiert Schicht für Schicht Beton zu komplexen Freiformelementen, während der andere zwischen diesen Schichten Bewehrung einlegt. Dadurch wird die 3D-gedruckte Struktur vollständig tragfähig. Da Beton nur dort verwendet wird, wo er statisch benötigt wird, reduziert diese schalungsfreie Methode den Materialverbrauch im Vergleich zu traditionellen Gussverfahren erheblich.

Die wichtigste Innovation dieses Verfahrens liegt in der automatisierten Integration der Bewehrung während des 3D-Druckprozesses. Zwei Roboter arbeiten im Tandem: Der eine trägt kontinuierlich Frischbeton auf, während der andere Bewehrung zwischen die Betonschichten legt. Nach dem Druck der dünnwandigen Hohlkörper werden Längsbewehrungsstäbe in vertikale Kanäle eingebracht, die anschliessend vergossen werden. Dieser robotergestützte Fertigungsprozess ermöglicht den Einsatz von 3D-gedrucktem Beton in einer vollständig tragenden und lastabtragenden Weise – eine Weltneuheit.

3D-Betondruck: Schalungsfrei und Materialeffizient

Beim 3D-Betondruck trägt ein Roboterarm sukzessive dünne Schichten weichen Betons durch eine Düse auf. Das Material ist weich genug, um sich zu verbinden und kontinuierliche, homogene Bauteile zu bilden, härtet aber schnell genug aus, um die nachfolgenden Schichten zu tragen. Das Druckmaterial basiert auf einer Mehrkomponenten-Technologie, die Weissbeton mit einem Stabilisator und einem Beschleuniger für die schnelle Aushärtung kombiniert. Dies ermöglicht die Herstellung freigeformter Elemente mit grossen Überhängen. Das im Verfahren verwendete 3D-Betonfilament wird in 25 mm breiten und 8 mm hohen Schichten aufgetragen und bildet einen durchgehenden Druckpfad von etwa 5000 Metern pro Säule.

Jeder Säulenquerschnitt besteht aus drei Filamenten: Das äussere Filament weist die oben erwähnte Zierstruktur auf, die mittlere Schicht enthält die umschliessende Bewehrung, und das innere Filament bildet Hohlkanäle für die Hauptlängsbewehrung. Durch den Einsatz robotergestützter Betonextrusion und den Verzicht auf Schalungen wird Beton präzise nur dort eingebracht, wo er benötigt wird, was zu einer Materialeinsparung von 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Gussverfahren führt.

Kohlenstoffbindung und -überwachung

Der CO2-Fussabdruck von 3D-gedrucktem Beton ist aufgrund der spezifischen Verarbeitungsanforderungen des 3D-Drucks oft höher als bei herkömmlichen Betonen. Der 3D-Druckprozess selbst kann jedoch einzigartige Möglichkeiten bieten, dies durch die Designpraxis auszugleichen, insbesondere durch die Verwendung von weniger Beton in der Gesamtstruktur bei Designs, die mit herkömmlichen Methoden unwirtschaftlich herzustellen wären. Eine weitere einzigartige Forschungsmöglichkeit bei Tor Alva ist die Untersuchung, wie Design zur Reduzierung des CO2-Fussabdrucks einer Struktur durch Kohlenstoffbindung genutzt werden kann. Während seiner Lebensdauer ist Beton in der Lage, einen Teil des bei seiner Herstellung freigesetzten CO2 wieder aufzunehmen, ein Prozess, der sehr langsam ablaufen kann und hauptsächlich von der Dicke des Betons in der Struktur abhängt – dünnere Betonelemente absorbieren CO2 exponentiell schneller als dickere. Proben von gedruckten Elementen werden in der Nähe von Tor Alva platziert, um zu überwachen, wie schnell die Kohlenstoff(rück)bindung im Turm im Laufe der Zeit erfolgt. Um die Dauerhaftigkeitsprobleme zu vermeiden, die die Karbonatisierung bei normalem Beton verursachen würde, verwendet Tor Alva Edelstahl, was ein neues Paradigma für nachhaltiges Design unter Verwendung von 3D-Druck darstellt und die Diskussion darüber eröffnet, wie Kompromisse in Design und Fertigung abgewogen werden müssen, um Nachhaltigkeits- und wirtschaftliche Ziele zu erreichen.

Computergestütztes Design

Das Design des Weissen Turms ist vollständig code-generiert, ohne manuelle Zeichnung oder Modellierung. Jedes Detail ist parametrisch skriptgesteuert, was einfache Anpassungen, immersive Visualisierung, Fabrikationssimulation und die Einhaltung der Einschränkungen des Robotik-3D-Druckers ermöglicht. Sämtliche Projektdaten werden in einem digitalen Zwilling gespeichert, der die Koordination, Simulation, Bewertung und Realisierung des Turms ohne herkömmliche Baupläne ermöglicht. Das semantische digitale Modell erlaubt die Optimierung des Materialeinsatzes und der Tragwerksleistung bei gleichzeitiger Integration hochauflösender technischer Details wie Elektro- und Beleuchtungssysteme, um die Betonarbeiten vor Ort zu minimieren. Augmented Reality und Virtual Reality werden sowohl im Design als auch in der Realisierung umfassend eingesetzt.

Das parametrische Design der 3D-gedruckten Säulen umfasst mehrere komplexe Dünnschichtlagen, einschliesslich Oberflächen-, Struktur- und Bewehrungstaschenschichten, für eine verbesserte Funktionalität. Ein neuartiger, fertigungsinformierter Design-Workflow automatisiert die Generierung hochpräziser Roboter-Druckpfaddaten für diese Schichten und integriert Bewehrungsdaten in den digitalen Workflow. Der computergestützte Design-Workflow unterstützt die Massenanpassung, wobei jede Säule einzigartige algorithmische Zierelemente aufweist.

Die gesamte Struktur des Turms wird mithilfe massgeschneiderter Software programmiert und entworfen, die eine präzise Definition der Geometrie ermöglicht und die erforderlichen Daten direkt an die Druckroboter senden kann. Diese Technologie ermöglicht auch die effiziente Produktion massgefertigter Elemente.

Demontage und Wiederverwendung

Der für Zirkularität konzipierte Weisse Turm verfügt über lösbare Verbindungen, die es ermöglichen, ihn nach seiner fünfjährigen Nutzung in Mulegns zu demontieren und an einem neuen Standort wieder aufzubauen.

Jede tragende Säule besteht aus drei Komponenten – der Mittelsäule, dem Fuss und dem Kapitell. Die Mittelsäule ist 3D-gedruckt, während das Kapitell und der Fuss konventionell unter Verwendung von 3D-gedruckten Schalungen gegossen werden. Die Teile werden in einer lokalen Vorfertigungsanlage 10 km von der Baustelle entfernt montiert, per LKW transportiert und dann vor Ort mit einem Kran zusammengefügt.

3D-gedruckte Schalungen und Giessen für horizontale Elemente

Die horizontalen Bauteile, die sich nicht für den Betondruck eignen, werden in einem neuartigen Verfahren hergestellt, bei dem 3D-gedruckte Schalungen mit Gussteilen aus einem innovativen, nachhaltigen Beton kombiniert werden.

Leichte Fassadenlösung

Der Wetterschutz des Turms wird durch eine ultraleichte, innovative Membrankonstruktion erreicht, die in den Sommermonaten entfernt werden kann.