air-Kon Matrizen: aufblasbar, individuell geformt, ressourcenschonend - Konfektionierbare Hohlkammer-Matrizen für die Herstellung von Leichtbaufundamenten

Abstract

Beton gehört zu den meistverwendeten Baustoffen im Bauwesen. Aufgrund seiner weitgehend freien Formbarkeit kann er vielseitig in Tragstrukturen eingesetzt werden. Die Betonherstellung ist jedoch mit einem hohen Primärenergiebedarf und erheblichen prozessbedingten CO₂-Emissionen infolge der Zementproduktion verbunden. Ein Ansatz zur Ressourcenschonung ist es Beton nur dort einzusetzen, wo er für die Tragfähigkeit oder die Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerks zwingend erforderlich ist. Ein effizienter Ansatz zur Reduktion des Materialeinsatzes in Plattentragwerken ist der Einsatz von Verdrängungskörpern. Dieses Prinzip ist bei Deckenelementen bereits etabliert. Das Forschungsprojekt verfolgt das Ziel, maßkonfektionierte, aufblasbare Hohlkörper für Fundamentplatten zu entwickeln, um Beton in gering beanspruchten Bereichen gezielt zu verdrängen. Damit soll die bestehende Hohlkörpertechnologie auf den Bereich der Fundamentplatten übertragen werden. Der Forschungsansatz betrachtet die Hohlkörpertechnologie entlang der gesamten Prozesskette – von der Planung über die Fertigung bis zum Einbau auf der Baustelle. Diese Prozesskette wurde als digitale Prozesskette in einem BIM-Modell abgebildet und entlang der gesamten Prozesskette verschiedene Schnittstellen zum BIM-Modell geschaffen. Zur Formoptimierung der Hohlkörper wurden numerische Simulationen und genetische Optimierungsverfahren eingesetzt, um bei vorgegebenen Biege- und Querkraftbeanspruchungen das verbleibende Betonvolumen zu minimieren. Eine darauf aufbauende, beanspruchungsgerechte Platzierung der Hohlkörper ermöglicht eine weiterführende Optimierung der Plattentopologie. Zur experimentellen Validierung der numerischen Optimierungsergebnisse wurden großformatige Bauteilversuche durchgeführt, bei denen die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonbalken ohne Querkraftbewehrung mit integrierten, genetisch optimierten Hohlkörper untersucht wurden. Dabei kamen Hohlkörper mit einer lokalen Volumenverdrängung von 10% bis 40% zum Einsatz. Die Fertigung der textilen Hohlkörper erforderte die Überführung der dreidimensionalen Geometrien in zweidimensionale Schnittmuster. Hierfür wurden unterschiedliche UV-Mapping-Verfahren sowie ein gaußscher Krümmungsalgorithmus zur automatisierten Abwicklung der Formen verwendet. Aus den Untersuchungen wurde ein Hohlkörperkatalog abgeleitet, der für unterschiedliche Kombinationen von Biegemomenten und Querkräften jeweils die optimale Hohlkörpergeometrie zur Minimierung des Betonvolumens bei gleichzeitiger Einhaltung der Tragfähigkeitsanforderungen enthält. Die topologische Optimierung ermöglichte eine beanspruchungsangepasste Hohlkörperverteilung unterschiedlicher Hohlkörperformen, die gegenüber gleichförmigen Hohlkörperformen ein höheres Einsparpotential aufweist. Entlang der gesamten Prozesskette konnten digitale Schnittstellen erfolgreich in das BIM-Modell integriert werden. Dadurch wurde eine durchgängige Nachverfolgbarkeit der Hohlkörper vom Entwurf bis zur Montage gewährleistet. Die geschaffenen Schnittstellen ermöglichen eine CAM-gesteuerte Fertigung der verschiedenen Hohlkörperformen. Über einen QR-Code werden die digitalen Modellinformationen direkt in den realen Herstellungs- und Montageprozess übertragen. Für die Installation auf der Baustelle wurde zudem eine Augmented Reality-gestützte Montageanleitung entwickelt und in Usability-Tests evaluiert. Diese zeigte gegenüber konventionellen 2D-Anleitungen Vorteile hinsichtlich Effizienz und Präzision. Das Forschungsprojekt konnte die prinzipielle Anwendbarkeit maßkonfektionierter, aufblasbarer Hohlkörper für Fundamentplatten erfolgreich nachweisen und damit eine Grundlage für weiterführende Entwicklungsarbeiten schaffen. Das Potenzial zur Reduktion des Materialeinsatzes und der CO₂-Emissionen wurde quantitative belegt. Für eine marktfähige Umsetzung sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, insbesondere im Hinblick auf bauaufsichtliche Zulassungen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden eine solide wissenschaftliche Grundlage für die Weiterentwicklung der Hohlkörpertechnologie und leisten einen Beitrag für eine nachhaltige und ressourceneffiziente Bauweise.

Concrete is one of the most widely used construction materials worldwide. Due to its high formability, it can be flexibly applied in diverse load-bearing structures. However, its production requires substantial primary energy and causes significant process-related CO₂ emissions, primarily from cement manufacturing. In line with a resource-efficient construction approach, concrete should therefore only be used where it is structurally indispensable. A promising strategy for reducing material consumption in slab structures is the use of void formers. While this concept is already established for floor slabs, the present research project aimed to develop customized, inflatable void formers for foundation slabs, enabling targeted displacement of concrete in low-stress regions. This approach will extend the established void formers technology from floor slabs to the domain of foundation slabs. The research project addressed the void former technology across the entire process chain —from design and fabrication to the construction site. This process was digitally represented within a Building Information Modeling (BIM) framework and various interfaces to the BIM model were created along the entire process chain. To optimize the void former geometry, numerical simulations and genetic algorithms were employed to minimize the remaining concrete volume under predefined bending and shear loading conditions. A subsequent stress-adapted placement strategy enabled further optimization of the slab topology. To experimentally validate the numerical results, large-scale structural tests were conducted to examine the shear force capacity of reinforced concrete beams without shear reinforcement, with integrated, genetically optimized void formers. The experiments covered void formers with local volume displacements ranging from 10 % to 40 %. The fabrication of the textile void formers required the conversion of three-dimensional geometries into two-dimensional cutting patterns. For this purpose, UV-mapping techniques and a Gaussian curvature algorithm were used to automate the unfolding process. Based on the findings, a comprehensive catalogue of optimized void formers was developed, providing suitable geometries for different combinations of bending moments and shear forces. Each configuration minimizes concrete volume while maintaining the required load-bearing capacity. Topological optimization enabled a load-adapted distribution of different void formers, which offers a greater potential to save concrete compared to uniform void former shapes. Digital interfaces were successfully integrated into the BIM model along the entire process chain, ensuring full traceability of each void former from design to installation. The created interfaces enable computer-aided manufacturing (CAM) and the seamless transfer of all relevant model data to the physical fabrication and assembly processes via a QR code. Furthermore, an augmented reality (AR)-based assembly guide was developed and evaluated in usability tests, demonstrating increased efficiency and accuracy compared to conventional 2D instructions. The research project successfully demonstrated the feasibility of customized, inflatable void formers for foundation slabs, establishing a solid foundation for future development. The potential for reducing material consumption and associated CO₂ emissions was quantitatively verified. Further research and development efforts are required for market implementation, particularly regarding regulatory approvals. The results provide a robust scientific basis for advancing void former technologies and contribute to more sustainable and resource-efficient construction practices.