Entwicklung eines modularen, bionischen und kreislauffähigen Tragwerks aus Textilbeton auf Basis von Nichtlinearen Finite-Elemente-Analysen

Abstract

Der konventionelle Stahlbetonbau trägt aufgrund der hohen Treibhausgasemissionen der Zementproduktion maßgeblich zur globalen Erwärmung bei. Durch eine Erhöhung der Lebensdauer und der Wiederverwendbarkeit von Betonbauteilen, in Kombination mit einer Reduktion der verwendeten Betonmengen, kann ein großer Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel geleistet werden.Die genannten Maßnahmen sind durch innovative Technologien wie die Modulare Bauweise, den Einsatz von Hochleistungswerkstoffen und die Entwicklung lastoptimierter Tragwerksstrukturen realisierbar.In der vorliegenden Arbeit wird durch die Kombination jener innovativen Technologien ein nachhaltiges Deckensystem entwickelt. Dafür wurden in einer Literaturrecherche die bedeutendsten Faktoren für die Kreislauffähigkeit von Bauteilen ermittelt. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen wurden im Anschluss die wichtigsten Parameter des Deckensystems festgelegt.Als Vorbild dafür diente das Kofferfischkelett. In Anlehnung an dessen hexagonalen Skelettplatten wurden schlanke Deckenmodule mit einem Innenradius von 1,3 m und einem Gewicht von ca. 1,3 t entwickelt. Diese Module können durch zerstörungsfrei demontierbare Verbindungen zu eine mmodularen Deckentragwerk mit Spannweiten von 10,5 m und 7,6 m zusammengesetzt werden.Durch eine Kombination aus Verzahnung und Verschraubung der umlaufenden Randträger der Module, wird eine effiziente Kraftweiterleitung bei gleichzeitiger Demontierbarkeit des Systems ermöglicht. Mittels Nichtlinearer Finite-Elemente-Methoden wurde die Systemverformung und die Belastung der Verbindungen ermittelt. Zur Reduktion der Verformungen unter ständigen Lasten wurden verschiedene Möglichkeiten der Vorspannung untersucht. Dabei stellte sich eine Variante mit zwei externen, geraden Spanngliedern als besonders effizient heraus. Anhand von iterativen Berechnungen, Optimierungsschritten und einer Parameterstudie konnte die Systemverformung der Varianten ohne und mit Vorspannung auf ein Minimum reduziert werden (l/u = 400 bzw. 800).Zur Validierung des Berechnungsmodells wurde ein reales Modell im Maßstab 1:20 3D-gedruckt.Aufgrund der hohen Genauigkeit des 3D-Druckes ist eine passgenaue Verbindung der Moduleüber die Verzahnung möglich. Die Verzahnung führt zu einer sehr hohen Scheibensteifigkeit des zusammenhängenden Deckensystems. Bei einer vertikalen Belastung des Systems konnte festgestellt werden, dass das Verformungsbild qualitativ mit jenem des Berechnungsmodells übereinstimmt.Im Folgenden könnte durch die Erkenntnisse dieser Arbeit ein Prototyp und schlussendlich ein vollständig modulares Deckensystem produziert werden, das durch den effizienten Einsatz von Ressourcen und der direkten Wiederverwendbarkeit einen deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck als konventionelle Deckentragwerke aus Stahlbeton aufweist.

Conventional steel-reinforced concrete construction contributes significantly to global warming due to the high greenhouse gas production. By increasing the service life and reusability of concrete components, combined with a reduction in the amount of concrete used, a major contribution can be made in the fight against climate change. The aforementioned measures are madepossible by innovative technologies such as modular construction, the use of high-performancematerials and the development of load-optimized load-bearing structures.In this thesis, a sustainable ceiling system is developed by combining these innovative technologies.To this end, the most important factors for the recyclability of building components were determined in a literature review. Taking these boundary conditions into account, the most important parameters of the slab-system were then defined. The boxfish skeleton served as a model for this. Based on its hexagonal skeletal plates, slim slab modules with an inner radius of 1.3 m and a weight of approx. 1.3 t were developed. These modules can be assembled intoa modular slab-structure with spans of 10.5 m and 7.6 m using non-destructively removable connections. A combination of interlocking and bolting of the peripheral edge beams of the modules enables efficient force transmission while ensuring a non-destructive demountability of the system. Non-linear finite element methods were used to determine the system deformation and the internal forces of the connections. In order to reduce the deformations under permanent loads, various pretensioning options were investigated. A variant with two external, straighttendons proved to be particularly efficient. Using iterative calculations, optimization steps and a parameter study, the system deformation of the variants without and with prestressing was reduced to a minimum (l/u = 400 and 800 respectively).To validate the calculation model, a real model was 3D-printed on a scale of 1:20. Due tothe high accuracy of the 3D print, it is possible to connect the modules precisely via the interlocking.The interlocking leads to a very high in plane stiffness of the connected slab-system.When the system was subjected to a vertical load, it was found that the deformation patternmatched qualitatively with that of the calculation model.In the following, the findings of this work could be used to produce a prototype and ultimatelya completely modular slab-system that has a significantly lower ecological footprint than conventional steel-reinforced concrete ceiling structures due to the efficient use of resources and direct reusability.