SPP 1542:  Future Concrete Structures Using Bionic, Mathematical and Engineering Formfinding Principles

• Subject Area: Construction Engineering and Architecture
• Term: from 2011 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 172438440

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Beton ist vor seiner Erhärtung plastisch bis flüssig und kann nahezu jede beliebige Form im Erstarrungsprozess konservieren, die Möglichkeit der freien Gestaltung ist also gegeben. Allerdings wurde die Formensprache von gewöhnlichen Bauwerken aus Stahlbeton besonders aus Kostengründen immer einfacher und die Materialausnutzung immer ineffizienter. Daraus leiteten sich die zwei wesentlichen Ziele des SPP 1542 ab: ein ästhetischer Paradigmenwechsel durch Erweiterung des heute üblichen Gestaltungsspielraums im Betonbau und Leichtbau nach dem Prinzip „form follows force“, der zu einer Reduktion des Eigengewichts der Bauteile, zur Einsparung von natürlichen Ressourcen und von Energie bei der Bereitstellung der Baumaterialien, aber auch zu einer Verminderung des CO2-Ausstoßes führt. In den SPP-Projekten wurden mit sehr unterschiedlichen Herangehensweisen die theoretischen und konstruktiven Grundlagen für Entwurf, Berechnung und Bau frei geformter, idealerweise gewichtsminimaler Konstruktionen aus Beton erarbeitet. In den zwei Förderphasen wurden insgesamt 25 wissenschaftliche Projekte bearbeitet, 13 davon wurden von zwei oder drei Antragsteller:innen geleitet, sieben waren interdisziplinär ausgerichtet. Für verschiedene im SPP entwickelte Konstruktionsformen wurden Berechnungsvorschläge bereitgestellt. Kernpunkt war die bauteilspezifische Grundlagenforschung. Betrachtet wurden maßgebende Konstruktionselemente wie Decken und Stützen, aber auch räumlich gekrümmte Strukturen. Bei den stabförmigen Elementen stand die äußere Formgebung bei verschiedenen Lastszenarien im Mittelpunkt. Zudem wurden Querschnittsgestaltung und Materialien variiert. Bei flächigen Elementen wurde vor allem der innere Bauteilaufbau modifiziert. Die Spanne reichte von Sandwichkonstruktionen über gezielt eingebrachte Hohlräume bis hin zur grundlegenden Erforschung der Gradientenbetontechnologie. Bei den Schalen waren Schwerpunkte die mathematische Beschreibung mittels Regelflächen, die Topologieoptimierung, modular zusammensetzbare Konstruktionen oder das Potential von Gradierung. Im Hinblick auf Modularität und Fügung der betrachteten maßgebenden Bauelemente wurden Lösungen in Form von trockenen, wieder lösbaren oder von geklebten Zahnverbindungen erarbeitet. Bei den Herstellungstechnologien für frei geformte Betonbauteile wurden grundlegend die nachträgliche Faltung von eben hergestellten, gefugten Betonflächen, wiederverwendbare Schalungen auf Basis von Industriewachs und gefrorenem Sand, adaptiv ansteuerbare Schalhäute, flexiblen GFK-Schalungen sowie Verfahren des selektiven Bindens mit calciumsilikatbasierten Zementen untersucht. Die SPP-Forschung war Grundlage für zahlreiche Folgeprojekte. Demonstratoren trugen zur anschaulichen Verbreitung der Forschung bei.

Publications

• A New Hybrid Material of Textile Reinforced Concrete and Glass Fibre Reinforced Plastic. Journal of Materials Science Research 2 (2013) 3, S. 96−102
  Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
  
• DE102011011805 A1: Die abrollende Parabolspiegelrinne. Offenlegung: 23.08.2012, erteilt: 22.08.2013
  Weißbach, R.
  
• Force Driven Ruled Surfaces. Journal for Geometry and Graphics (JGG) 17 (2013) 2, S. 193–204
  Hagemann, M.; Klawitter, D.; Lordick, D.
  
• Formvariationen von Druckgliedern. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 792−803
  Schmidt, A.; Curbach, M.; Henke, M.; Fischer, O.
  
• Leicht Bauen mit Beton − Räumliche filigrane Stabtragwerke aus ultrahochfestem Beton und CFK-Bewehrung. Bauingenieur 88 (2013) 11, S. 453−462
  Henke, M.; Fischer, O.
  
• Non-Standard Fügeprinzipien für leichte Bauteile aus UHPFRC. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 763−773
  Mainka, J.; Lehmberg, S.; Budelmann, H.; Kloft, H.
  
• ORICRETE: Modeling support for design and manufacturing of folded concrete structures. Advances in Engineering Software 72 (2013) 6, S. 119−127
  Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Schmerl, M.; Hegger, J.
  
• Rheology of Fibre Reinforced Fine-Grained High Performance Concrete for Thin-Walled Elements − Effect of Type and Content of Steel Fibres. In: Roussel, N.; Bessaies-Bey, H. (Hrsg.): Proc. of the 1st Int. RILEM Conf. on Rheology and Processing of Construction Materials and the 7th RILEM Conf. on Self-Compacting Concrete, 02.–04.09.2013 in Paris (Frankreich), Paris: RILEM Publications SARL, 2017, S. 309–316
  lllguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.
  
• The topological gradient in anisotropic elasticity with an eye towards lightweight design. Mathematical Methods in the Applied Sciences 37 (2013) 11, S.1624–1641
  Schneider, M.; Andrä, H.
  
• A Clifford Algebraic Approach to Line Geometry. Adv. Appl. Clifford Algebras 24 (2014), S. 713–736
  Klawitter, D.
  
• Bionic Optimization of Concrete Structures by Evolutionary Algorithms. Structural Engineering International 24 (2014) 2, S. 229−235
  Schnellenbach-Held, M.; Habersaat, J.-E.
  
• Experimental investigations on a finger joint for structural elements of high performance concrete. In: Bastien, J.; Rouleau, N.; Fiset, M.; Thomassin, M. (Hrsg.): Proc. of the 10th fib Int. PhD Symp. in Civil Engineering, 21.−23.07.2014 am Research Centre on Concrete Infrastructure (CRIB) in Quebec City (Kanada), Québec, 2014, S. 315−320
  Oster, S.; Kohlmeyer, C.
  
• Experimentelle Untersuchungen und numerische Verifizierung zum Frischbetondruck bei geneigten Schalungssystemen. Betonund Stahlbetonbau 109 (2014) 11, S. 803–811
  Freund, B.; Proske, T.; Graubner, C.-A.
  
• Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1. Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2014, 262 S.
  Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.)
  
• A novel precise formwork technology based on CNC milled recyclable industrial wax for the casting of geometrically complex concrete elements. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proc. of the IASS Symp. 2015 & ISOFF Symp., 17.–20.08. & 16./17.08.2015 in Amsterdam (Niederlande), 2015, Beitrag Nr. IASS2015-517423
  Mainka, J.; Kloft, H.; Stein, E.
  
• Analysis in computer aided design: Nonlinear isogeometric B-Rep analysis of shell structures. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 284 (2015), S. 401–457
  Breitenberger, M.; Apostolatos, A.; Philipp, B.; Wüchner, R.; Bletzinger, K.-U.
  
• Anisotropic fibre-reinforced plastics as formworks for single and double-curved textile reinforced concrete. Journal of Materials Science Research 4 (2015) 1, S. 36–45
  Funke, H.; Gelbrich, S.; Ehrlich, A.; Ulke-Winter, L.; Kroll, L.
  
• Automated Spraying of Functionally Graded Concrete Components – Analysis of the Process Parameters. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proc. of the Int. Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symp. 2015, 17.–20.08.2015 in Amsterdam (Niederlande), 2015, Beitrag Nr. IASS2015-501665
  Wörner, M.; Sippel, S.; Schmeer, D.; Garrecht, H.; Sobek, W.; Sawodny, O.
  
• Bionic Structures for Innovative Concrete Slabs. In: Elegance in Structures – Proc. of IABSE Conf. Nara, 13.–15.05.2015 in Nara (Japan), 2015, Book of abstracts: S. 64/65
  Schnellenbach-Held, M.; Habersaat, J.-E.
  
• 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
  Hickert, S.; Knaack, U.
  
• Light concrete shells for parabolic trough collectors – Conceptual design, prototype and proof of accuracy. Solar Energy 111 (2015), S. 364–377
  Forman, P.; Müller, S.; Ahrens, M. A.; Schnell, J.; Mark, P.; Höffer, R.; Hennecke, K.; Krüger, J.
  
• ORICREATE: Modeling framework for design and manufacturing of folded plate structures. In: Miura, K. et al. (Hrsg.): Proc. of Origami6 – Part II: Technology, Art, Education, 10.–13.08.2014 in Tokio (Japan), Providence: American Mathematical Society, 2015, S. 523–536
  Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Hegger, J.
  
• Ultra High Strength Fibre-Reinforced Concrete for Thin-Walled Precast Elements. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proc. of the IASS Annual Symp. 2015, 17.–20.08.2015 in Amsterdam (Niederlande), Beitrag Nr. IASS2015-523421
  Illguth, S.; Gehlen, C.; Lowke, D.
  
• Displacementbased multiscale modeling of fiber-reinforced composites by means of proper orthogonal decomposition. Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences 3 (2016) 1, 29, 23 S.
  Radermacher, A.; Bednarcyk, B. A.; Stier, B.; Simon, J. W.; Reese, S.
  
• Dünnwandige, mikrobewehrte Betonbauteile unter Querkraftbeanspruchung. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 840–850
  Busse, D.; Empelmann, M.
  
• Fabrication of Concrete Parts using a Frozen Sand Formwork. In: Kawaguchi, K.; Ohsaki, M.; Takeuchi, T. (Hrsg.): Proc. of the IASS Annual Symp. 2016, 26.–30.09.2016 in Tokyo (Japan), 2016, Beitrag Nr. 1292
  Gericke, O.; Kovaleva, D.; Haase, W.; Sobek, W.
  
• Gradientenbetontechnologie: Von der Mischungsentwicklung über den Bauteilentwurf bis zur automatisierten Herstellung. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 794–805
  Wörner, M.; Schmeer, D.; Schuler, B.; Pfinder, J.; Garrecht, H.; Sawodny, O.; Sobek, W.
  
• Non-Waste-Wachsschalungen: Neuartige Präzisionsschalungen aus recycelbaren Industriewachsen. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 784–793
  Mainka, J.; Kloft, H.; Baron, S.; Hoffmeister, H.-W.; Dröder, K.
  
• Tragverhalten von geschichteten Deckenelementen aus Normal- und Porenleichtbeton. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 828–838
  Frenzel, M.; Curbach, M.
  
• UHPC Sandwich Structures with Composite Coating under Compressive Load. Acta Polytechnica CTU Proceedings 7 (2016), S. 38–42
  Markowski, J.; Lohaus, L.
  
• Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Trocken gefügte Flächenelemente aus UHPFRC. Betonund Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 806–815
  Lehmberg, S.; Ledderose, L.; Wirth, F.; Budelmann, H.; Kloft, H.
  
• Zentrische Druckversuche an schlanken UHPC-Stützen. Beton- und Stahlbeton 111 (2016) 9, S. 588–602
  Schmidt, A.; Curbach, M.
  
• Design optimization to increase the (buckling) stability of concrete columns. Structural Concrete 18 (2017) 5, S. 680–692
  Schmidt, A.; Curbach, M.
  
• Embedded structural entities in NURBS-based isogeometric analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 325 (2017), S. 198–218
  Bauer, A. M.; Breitenberger, M.; Philipp, B.; Wüchner, R.; Bletzinger, K.-U.
  
• Functionally graded concrete: Numerical design methods and experimental tests of mass-optimized structural components. Structural Concrete 18 (2017), S. 54–66
  Herrmann, M.; Sobek, W.
  
• Porous Spatial Concrete Structures Generated Using Frozen Sand Formwork. In: Viana, V. (Hrsg.): Proc. of Int. Conf. Geometrias: Thinking, Drawing, Modelling – Geometrias’17 – Livro de Resumos. Springer. Proceedings in Mathematics & Statistics book series (PROMS), Vol. 326), 16.–18.06.2017 in Porto (Portugal), Coimbra: Departamento de Arquitectura da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2017, S. 121–129
  Müller, H.; Nething, C.; Schalk, A.; Kovaleva, D.; Gericke, O.; Sobek, W.
  
• A Numerical Description of a Fibre Reinforced Concrete Using a Genetic Algorithm. World Academy of Science, Engineering and Technology. International Journal of Civil and Environmental Engineering 12 (2018) 3, S. 329–334
  Funke, H. L.; Ulke-Winter, L.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
  
• Conceptual design of concrete shell bridges with ruled surface geometry. In: Mueller, C.; Adriaenssens, S. (Hrsg.): Creativity in Structural Design – Proc. of the IASS Annual Symp. 2019, 16.–20.07.2018 am MIT, Boston (USA), 2018, paper no. 356, 8 S.
  Osman-Letelier, J. P.; Goldack, A.; Schlaich, M.; Serrano, M.
  
• Flexible fiber-reinforced plastic formworks for the production of curved textile-reinforced concrete. Advances in Structural Engineering 21 (2018) 4, S. 580–588
  Gelbrich, S.; Funke, H.; Ehrlich, A.; Kroll, L.
  
• Optimized Ruled Surfaces with an Application to Thin-Walled Concrete Shells. In: Cocchiarella, L. (Hrsg.): ICGG 2018 – Proc. of the 18th Int. Conf. on Geometry and Graphics / 40th Anniversary, 03.–07.08.2018 in Mailand (Italien), Springer International Publ., 2018, S. 338–349
  Noack, K. ; Lordick, D.
  
• Penetration of cement pastes into sand packings during 3D printing: Analytical and experimental study. Materials and Structures 51 (2018) 22, 12 S.
  Pierre, A.; Weger, D.; Perrot, A.; Lowke, D.
  
• Proper orthogonal decomposition for substructures in non-linear finite element analysis – coupling by means of tied contact. Archive of Applied Mechanics 88 (2018) 11, S. 1975–2001
  Zhou, L.; Simon, J. W.; Reese, S.
  
• Sandwich panels with folded plate and doubly curved UHPFRC facings. Structural Concrete 19 (2018) 6, S. 1851–1861
  Stark, A.; Classen, M.; Knorrek, C.; Camps, B.; Hegger, J.
  
• Bending behavior of high-performance, micro-reinforced concrete. Structural Concrete 20 (2019) 2, S. 720–729
  Busse, D.; Empelmann, M.
  
• Bond Behaviour of CFRP Tendons in UHPFRC. Engineering Structures 178 (2019) 1, S. 148–161
  Stark, A.; Classen, M.; Hegger, J.
  
• Durchstanzen von punktgestützten Deckenplatten – Optimierungspotenzial bei ebenen Flachdecken nach dem Ansatz form follows force. Betonund Stahlbetonbau 114 (2019) 5, S. 286–295
  Farwig, K.; Curbach, M.
  
• Gradientenbeton. In: Bergmeister, K.; Fingerloos, F.; Wörner, J.-D. (Hrsg.): Beton-Kalender 2019, Berlin: Ernst & Sohn, 2019, S. 455–476
  Schmeer, D.; Sobek, W.
  
• Herstellung filigraner Hohlraumdeckenplatten mit Verdrängungskörpern aus Recyclingpapier. beton 69 (2019) 12, S. 468–471
  Ries, J.
  
• Winding Reinforced UHPC Sandwich Structures for Lightweight Jackets for Offshore Megastructures. In: Journal of Physics: Conference Series 1356 (2019) – Proc. of 16th Deep Sea Offshore Wind R&D conf., 16.–18.01.2019 in Trondheim (Norwegen), 2019, 9 S.
  Markowski, J.; Lohaus, L.
  
• Particle-bed 3D-Printing by Selective Cement Activation – Applications, material and process technology. Cement and Conrete Research 134 (2020) – Special Issue for the 2nd RILEM Int. Conf. on Concrete and Digital Fabrication 2020. SI: Digital Concrete 2020; Bos, F. P.; Salet, T. A. M.; Wolfs, R. (Hrsg.), 106077, 13 S.
  Lowke, D.; Talke, D.; Dressler, I.; Weger, D.; Gehlen, C.; Ostertag, C.; Rael, R.
  
• Wind tunnel experiments and numerical analysis on large-scale parabolic shells for solar trough collector modules. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 146 (2020), S. 2390–2407
  Winkelmann, U.; Kämper, C.; Höffer, R.; Mark, P.
  
• SPP 1542 Leicht Bauen mit Beton – Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien | Concrete Light – Future Concrete Structures using Bionic, Mathematical and Engineering Formfinding Principles. Abschlussbericht | Final report, Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2022, 800 S.
  Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.)