Basic investigations on the robot-aided magnetic distribution and alignment of microsteel fibers in thin-walled UHPFRC components
Final Report Abstract
Ziel dieses Projektes ist es, die Grundlagen für die Herstellung ressourceneffizienter, leichter Betonbauteile mithilfe einer automatisierten magnetischen Verteilung und Orientierung von Mikrostahlfasern (MFS) in UHPFRC (Ultra High Performance Fiber Reinfored Concrete ) zu schaffen. Das hierfür entwickelte RMFA-Verfahren (Robotergestützte Magnetische Faserausrichtung / Robotic Magnetic Fiber Alignment) setzt dabei zwischen den Möglichkeiten digitaler Bauteilfertigung auf der einen Seite und den Potentialen der Faserausrichtung zur Steigerung der Materialeffizienz von UHPFRC auf der anderen Seite an. Die Mikrostahlfasern sollen hierbei definiert im noch nicht abgebundenen Beton in die Zugbereiche des Bauteils bewegt werden und dort eine - entsprechend der zu erwartenden Zugspannungen - angeordnete Ausrichtung und Verteilung erhalten. Diese definierte Anordnung der Fasern in einem Betonbauteil soll die Effektivität des eingesetzten Faseranteils signifikant steigern und so entweder zu einer erheblichen Reduktion der eingesetzten Fasern oder zu einer signifikanten Leistungssteigerung der Bauteile führen, wodurch ein großes Einsparpotential an ökologischen und ökonomischen Ressourcen gegeben ist. Durch eine Reduktion des Faseranteils wird darüber hinaus eine deutlich verbesserte Verarbeitbarkeit der Frischbetons angestrebt. Entscheidend für eine wirtschaftliche und baupraktische Anwendung des Verfahrens ist die reproduzierbare Steuerung der Verfahrensprozesse, die durch die Nutzung der automatisierten, robotergestützten Fertigung sichergestellt werden kann. Grundsätzlich können mit dem RMFA-Verfahren drei Strategien für eine nachhaltigere Nutzung von Mikrostahlfasern verfolgt werden. Erstens könnte, ausgehend von einem bestimmten Fasergehalt, eine Erhöhung der Tragfähigkeit erreicht werden, indem die einzelnen Fasern in eine effizientere Position und Ausrichtung gebracht werden. Zweitens könnte unter Beibehaltung einer gewünschten Materialfestigkeit der Fasergehalt durch gezielte Orientierung reduziert werden. Drittens bieten die durch das RMFA-Verfahren erzielten höheren Festigkeiten des Faser-Matrix-Systems die Möglichkeit, UHPFRC-Bauteile schlanker zu gestalten und damit Matrix und Eigengewicht zu reduzieren. Das erklärte Ziel, die Effektivität des Faseranteils von UHPFRC-Betonbauteilen zu erhöhen, konnte anhand von Bauteilversuchen quantifiziert werden: So führte etwa bei den Versuchsserien die mittlere Einsparung des Faservolumenanteils von 43 % zu einer Senkung der Materialkosten des UHPFRC um ca. 24 % und zu einer Reduzierung des Treibhauspotenzials (GWP) um ca. 25 % für die verwendete Betonrezeptur. Durch die Verwendung von recycelten Mikrostahlfasern aus dem Altreifenrecycling konnten darüber hinaus sowohl die Materialkosten (ca. 55 %) als auch das GWP (ca. 49 %) weiter drastisch reduziert werden.
Publications
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Robotergestützte, magnetische Ausrichtung von Mikro‐Stahldrahtfasern in dünnwandigen UHPFRC‐Bauteilen. Beton- und Stahlbetonbau, 114(1), 33-42.
Ledderose, Lukas; Lehmberg, Sven; Budelmann, Harald & Kloft, Harald
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Magnetic Alignment of Microsteel Fibers as Strategy for Reinforcing UHPFRC. Open Conference Proceedings, 1, 99-114.
Ledderose, Lukas; Baghdadi, Abtin & Kloft, Harald
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Robotergestützte, magnetische Ausrichtung von Mikrostahlfasern in UHPFRC, Dissertation, Technischen Universität Carolo- Wilhelmina zu Braunschweig (2023)
Ledderose, L.
