Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen - Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden Herstellungsverfahren und Anwendungsbereiche für funktional gradierte Bauteile im Bauwesen untersucht. Funktional gradierte Bauteile sind durch eine ortsabhängige kontinuierliche Eigenschaftsänderung in bis zu drei Raumrichtungen charakterisiert. Die Variation der Eigenschaften kann durch die Gradierung der Dichte bzw. der Porosität eines Werkstoffes oder durch die Änderung des Verhältnisses verschiedener Werkstoffe zueinander erreicht werden. Dieser Ansatz wurde für die Materialklassen Beton, Polymere, Metalle, Textilien, Faserverbundwerkstoffe und Holz untersucht. Zunächst wurden die theoretischen Grundlagen erarbeitet und, nach Definition vielversprechender Anwendungsbereiche, Methoden zur Herstellung entwickelt und erprobt. Hierbei wurden Probekörper und Musterbauteile hergestellt, die hinsichtlich statischer und bauphysikalischer Eigenschaften geprüft wurden. Der Schwerpunkt lag auf Untersuchungen im Bereich Beton, da in dieser Materialklasse die größten Optimierungspotentiale für die Baubranche zu erwarten sind. Dabei wurden zwei Hauptziele verfolgt: zum einen die Einsparung von Masse und Material durch eine anforderungsgemäße Dichtegradierung biegebeanspruchter Bauteile und zum anderen die Herstellung multifunktionaler und sortenreiner Bauteile mit Anwendungen in der Gebäudehülle. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Anpassung der inneren Bauteilstruktur an die tatsächlich auftretenden Beanspruchungen Masseneinsparungen von bis zu 50 % zu realisieren sind. Außerdem wurde die Machbarkeit rein mineralischer Außenwandbauteile mit geringeren Wandstärken als bei vergleichbar leistungsfähigen Wärmedämmverbundsystemen nachgewiesen. Im Bereich Polymere konnten fließende Porositätsverläufe in Polyurethanschäumen angelegt werden, mit vielversprechenden Anwendungen bei optimierten Sandwichbauteilen, im Bereich Schallschutz und im Möbeldesign. Auf Basis dieser Schaumstoffe können Metallschäume mit identischer Struktur hergestellt werden, die als gradierte Bewehrungselemente oder in der Verbindungstechnik neue Lösungen ermöglichen. Im Bereich Textilien wurden die Möglichkeiten zur Gradierung der Beschichtung untersucht. Hierdurch konnten die Permeabilität ebenso wie die Steifigkeit nahtlos variiert werden. Bei Faserverbundwerkstoffen konnte durch den fließenden Matrixübergang von Polymerharz zu Metall ein Ansatz für die materialgerechte Fügung von Faserverbundwerkstoffprofilen geboten werden. Materialgradierungen im Sinne eines fließenden Übergangs von einem Werkstoff zum anderen wurden exemplarisch für den Werkstoff Holz untersucht. Die vorliegende Arbeit stellt die erste Vertiefung des Themas der Bauteilgradierung für das Bauwesen dar. Dabei konnten die gesteckten Projektziele erreicht werden: das Aufzeigen vielversprechender Anwendungsbereiche, die Formulierung und Erprobung diesbezüglicher Herstellungsansätze und der Nachweis der Vorteilhaftigkeit funktional gradierter Bauteile.
