Koordination, zentrale Aufgaben und Öffentlichkeitsarbeit des SPP 1542

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Curbach
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198141179

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

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.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A New Hybrid Material of Textile Reinforced Concrete and Glass Fibre Reinforced Plastic. Journal of Materials Science Research, 2(3).
  Funke, Henrik; Gelbrich, Sandra & Kroll, Lothar
  
• 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(11), 792-803.
  Schmidt, Angela; Curbach, Manfred; Henke, Michael & Fischer, Oliver
  
• 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(11), 763-773.
  Mainka, Jeldrik; Lehmberg, Sven; Budelmann, Harald & Kloft, Harald
  
• The topological gradient in anisotropic elasticity with an eye towards lightweight design. Mathematical Methods in the Applied Sciences, 37(11), 1624-1641.
  Schneider, Matti & Andrä, Heiko
  
• A Clifford Algebraic Approach to Line Geometry. Advances in Applied Clifford Algebras, 24(3), 713-736.
  Klawitter, Daniel
  
• Anisotropic fibre-reinforced plastics as formworks for single and double-curved textile reinforced concrete. Journal of Materials Science Research, 4(1).
  Funke, Henrik L.; Gelbrich, Sandra; Ehrlich, Andreas; Ulke-Winter, Lars & Kroll, Lothar
  
• Bionic Optimization of Concrete Structures by Evolutionary Algorithms. Structural Engineering International, 24(2), 229-235.
  Schnellenbach-Held, Martina & Habersaat, Jan-Eric
  
• 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. Beton- und Stahlbetonbau, 109(11), 803-901.
  Freund, Björn; Proske, Tilo & Graubner, Carl‐Alexander
  
• ORICRETE: Modeling support for design and manufacturing of folded concrete structures. Advances in Engineering Software, 72(c(2014, 6)), 119-127.
  Chudoba, R.; van der Woerd, J.; Schmerl, M. & Hegger, J.
  
• 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, publ. auf USB-Stick: 12 S.
  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(c(2015, 2)), 401-457.
  Breitenberger, M.; Apostolatos, A.; Philipp, B.; Wüchner, R. & Bletzinger, K.-U.
  
• 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, 13 S.
  Wörner, M.; Sippel, S.; Schmeer, D.; Garrecht, H.; Sobek, W. & Sawodny, O.
  
• Bionic Structures for Innovative Concrete Slabs. IABSE Reports, 104(2015), 64-65. International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE).
  Schnellenbach-Held, Martina & Habersaat, Jan-Eric
  
• Light concrete shells for parabolic trough collectors – Conceptual design, prototype and proof of accuracy. Solar Energy, 111(c(2015, 1)), 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. Origami⁶ (2015), 523-536. American Mathematical Society.
  Chudoba, Rostislav; van der Woerd, Jan & Hegger, Josef
  
• 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, 11 S.
  Illguth, S.; Gehlen, C. & Lowke, D.
  
• Displacement-based multiscale modeling of fiber-reinforced composites by means of proper orthogonal decomposition. Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, 3(1).
  Radermacher, Annika; Bednarcyk, Brett A.; Stier, Bertram; Simon, Jaan; Zhou, Lei & Reese, Stefanie
  
• Dünnwandige, mikrobewehrte Betonbauteile unter Querkraftbeanspruchung. Beton- und Stahlbetonbau, 111(12), 840-850.
  Busse, Daniel & Empelmann, Martin
  
• Evaluation of free-form concrete architecture, moulding systems and their technical potentials. Journal of Facade Design and Engineering, 3(3-4), 273-288.
  Hickert, Sascha & Knaack, Ulrich
  
• 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, 10 S.
  Gericke, O.; Kovaleva, D.; Haase, W. & Sobek, W.
  
• Gradientenbetontechnologie. Beton- und Stahlbetonbau, 111(12), 794-805.
  Wörner, Mark; Schmeer, Daniel; Schuler, Benjamin; Pfinder, Julian; Garrecht, Harald; Sawodny, Oliver & Sobek, Werner
  
• Non‐Waste‐Wachsschalungen: Neuartige Präzisionsschalungen aus recycelbaren Industriewachsen. Beton- und Stahlbetonbau, 111(12), 784-793.
  Mainka, Jeldrik; Kloft, Harald; Baron, Sarah; Hoffmeister, Hans‐Werner & Dröder, Klaus
  
• Tragverhalten von geschichteten Deckenelementen aus Normal‐ und Porenleichtbeton. Beton- und Stahlbetonbau, 111(12), 828-839.
  Frenzel, Michael & Curbach, Manfred
  
• UHPC SANDWICH STRUCTURES WITH COMPOSITE COATING UNDER COMPRESSIVE LOAD. Acta Polytechnica CTU Proceedings, 7(c(2016, 12, 9)), 38.
  Markowski, Jan & Lohaus, Ludger
  
• Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Trocken gefügte Flächenelemente aus UHPFRC. Beton- und Stahlbetonbau, 111(12), 806-815.
  Lehmberg, Sven; Ledderose, Lukas; Wirth, Franz; Budelmann, Harald & Kloft, Harald
  
• Zentrische Druckversuche an schlanken UHPC‐Stützen. Beton- und Stahlbetonbau, 111(9), 588-602.
  Schmidt, Angela & Curbach, Manfred
  
• Design optimization to increase the (buckling) stability of concrete columns. Structural Concrete, 18(5), 680-692.
  Schmidt, Angela & Curbach, Manfred
  
• Embedded structural entities in NURBS-based isogeometric analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 325(c(2017, 10)), 198-218.
  Bauer, A.M.; Breitenberger, M.; Philipp, B.; Wüchner, R. & Bletzinger, K.-U.
  
• Flexible fiber-reinforced plastic formworks for the production of curved textile-reinforced concrete. Advances in Structural Engineering, 21(4), 580-588.
  Gelbrich, Sandra; Funke, Henrik L; Ehrlich, Andreas & Kroll, Lothar
  
• Functionally graded concrete: Numerical design methods and experimental tests of mass-optimized structural components. Structural Concrete, 18(1), 54-66.
  Herrmann, Michael & Sobek, Werner
  
• 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. In: 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.
  
• 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.
  
• 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 – urn:dai:10.1999/1307-6892/10008783
  Funke, H. L.; Ulke-Winter, L.; Gelbrich, S. & Kroll, L.
  
• Bending behavior of high‐performance, micro‐reinforced concrete. Structural Concrete, 20(2), 720-729.
  Busse, Daniel & Empelmann, Martin
  
• 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.
  
• Gradientenbeton. Beton Kalender 2019 (c(2018, 11, 21)), 455-476. Wiley.
  Schmeer, Daniel & Sobek, Werner
  
• Optimized Ruled Surfaces with an Application to Thin-Walled Concrete Shells. Advances in Intelligent Systems and Computing (c(2018, 7, 7)), 338-349. Springer International Publishing.
  Noack, Kevin & Lordick, Daniel
  
• Penetration of cement pastes into sand packings during 3D printing: analytical and experimental study. Materials and Structures, 51(1).
  Pierre, Alexandre; Weger, Daniel; Perrot, Arnaud & Lowke, Dirk
  
• Proper orthogonal decomposition for substructures in nonlinear finite element analysis: coupling by means of tied contact. Archive of Applied Mechanics, 88(11), 1975-2001.
  Zhou, Lei; Simon, Jaan-Willem & Reese, Stefanie
  
• Sandwich panels with folded plate and doubly curved UHPFRC facings. Structural Concrete, 19(6), 1851-1861.
  Stark, Alexander; Classen, Martin; Knorrek, Christian; Camps, Benjamin & Hegger, Josef
  
• Bond behaviour of CFRP tendons in UHPFRC. Engineering Structures, 178(c(2019, 1)), 148-161.
  Stark, Alexander; Classen, Martin & Hegger, Josef
  
• Durchstanzen von punktgestützten Deckenplatten. Beton- und Stahlbetonbau, 114(5), 286-295.
  Farwig, Kristina & Curbach, Manfred
  
• 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. Journal of Physics: Conference Series, 1356(1), 012027.
  Markowski, J & Lohaus, L
  
• 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.)
  
• Particle bed 3D printing by selective cement activation – Applications, material and process technology. Cement and Concrete Research, 134(c(2020, 8)), 106077.
  Lowke, Dirk; Talke, Daniel; Dressler, Inka; Weger, Daniel; Gehlen, Christoph; Ostertag, Claudia & Rael, Ronald
  
• Wind actions on large-aperture parabolic trough solar collectors: Wind tunnel tests and structural analysis. Renewable Energy, 146(c(2020, 2)), 2390-2407.
  Winkelmann, Ulf; Kämper, Christoph; Höffer, Rüdiger; Forman, Patrick; Ahrens, Mark Alexander & Mark, Peter
  
• SPP 1542: Leicht Bauen mit Beton Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien (Abschlussbericht). American Geophysical Union (AGU).
  Scheerer Silke & Curbach Manfred