TRR 280:  Konstruktionsstrategien für materialminimierte Carbonbetonstrukturen – Grundlagen für eine neue Art zu bauen

Fachliche Zuordnung Bauwesen und Architektur
Biologie
Chemie
Geowissenschaften
Maschinenbau und Produktionstechnik
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Mathematik
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
Förderung Förderung seit 2020
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417002380
 

Projektbeschreibung

Carbonbeton ist ein neuartiges Materialkomposit mit dem Potential, die Anwendungen im Bauwesen zu revolutionieren. Er besteht aus zwei leistungsstarken Bestandteilen: hochfester Carbonbewehrung und umweltfreundlichem Beton. Während die bloße Substitution von Materialien bereits zu einer Verringerung des Ressourcenverbrauchs führt, wird damit das enorme Potential kaum ausgeschöpft. Die umfangreichen Forschungsarbeiten der letzten zwei Jahrzehnte und die ersten Ergebnisse des TRR haben gezeigt, dass Carbonbeton ein höheres Leistungs- und Nachhaltigkeitspotential herkömmliche Materialien hat. Jedoch erfordert die Umsetzung dieses Potentials die Synergie aus Hochleistungskomponenten mit materialgerechtem Konstruieren. Da ebene Bauteile, besonders Decken, etwa 50-60 % der Betonmasse in Standardgebäuden ausmachen, liegt der Fokus auf der Untersuchung von Lösungen für diese häufig verwendeten Bauteile mit dem Ziel, die Umweltauswirkungen im Bauen weitest möglich zu verringern und gleichzeitig die Anforderungen an Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit und Sicherheit zu erfüllen. Bei der Suche nach Lösungen werden drei wichtige Konstruktionsprinzipien verfolgt: (i) Systeme aus sich kreuzenden Schalensubstrukturen, (ii) modulare Systeme aus gefalteten Halbfertigteilen und (iii) individualisierbare Steg-Flansch-Systeme. Dieses komplexe Designvokabular wird durch einen auf maschinellem Lernen basierenden Strukturgenerator, durch algebraische Analysen und durch Mechanismen aus der Botanik inspiriert. Bei der Herstellung der dünnwandigen Geometrien werden Betonextrusion, 3D-Betondruck und Falttechniken untersucht. Die Komponenten werden im Hinblick auf 3D- und 4D-Textilien, Grenzschichtstrukturierung und CO2-arme bis neutrale Bindemittel untersucht. Im Mittelpunkt des TRR steht die Ressourceneffizienz. Die Umweltauswirkungen von Carbonbeton-Strukturen werden durch ihre verlängerte Lebensdauer, die sich aus ihrer Korrosionsbeständigkeit ergibt, und durch das Prinzip der Kreislauffähigkeit weiter verringert. Parallel dazu werden soziale Aspekte in ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertungsansätze integriert. Aufbauend auf den in der ersten Förderperiode gelegten Grundlagen gliedert sich die Forschung in fünf Forschungsbereiche: A: Inspiration, basierend auf Methoden des maschinellen Lernens und der Simulation, auf Botanik und auf Algebra; B: Komponenten, Entwicklung von Carbonbeton-Komponenten, die die Anforderungen an Funktion, Nachhaltigkeit und Herstellung erfüllen; C: Bauteile, Verfolgung der beschriebenen Designprinzipien und Weiterentwicklung ihrer Charakterisierung und Modellierungsmethoden; D: Herstellung, Förderung des Potentials von Carbonbeton für die industrialisierte und kreislauffähige Fertigung; E: Nachhaltigkeit, Entwicklung von Methoden für eine ganzheitliche Lebenszyklusbewertung und die Wiederverwertbarkeit von Carbonbeton. Die Arbeit unseres TRR ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines klimaneutralen, ressourceneffizienten Bauens.
DFG-Verfahren Transregios

Laufende Projekte

Abgeschlossene Projekte

Antragstellende Institution Technische Universität Dresden
Mitantragstellende Institution Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Beteiligte Institution Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)
Beteiligte Hochschule Universität Hamburg
Fachbereich Biologie
Loki Schmidt-Garten - Botanischer Garten
Sprecher Professor Dr.-Ing. Manfred Curbach, bis 6/2024; Professor Dr.-Ing. Steffen Marx, seit 7/2024