Räumlich verzweigte Flechtstrukturen für betongefüllte FVK-Tragwerksknoten

Das Forschungsprojekt „3D-Flechtknoten“ thematisiert die Untersuchung einer außen liegenden Bewehrung aus Faserverbundkunstoff (FVK) von Beton-Tragwerkstrukturen. Im Fokus stehen Tragwerksknoten, welche sich aus einem Betonkern und einer geflochtenen FVK-Hülle zusammensetzen. Die FVK-Hülle kann hierbei einerseits die durch Biegemomente induzierten Zugkräfte aufnehmen und andererseits durch den Umschnürungseffekt die Druckfestigkeit des Betonkerns erhöhen.

Herkömmlicherweise bestehen Tragwerksknoten aus Stahl, welche in einem energie- und kostenintensiven Prozess hergestellt werden. Die FVK-Tragwerksknoten stellen hierzu eine Alternative dar, die neben einem geringeren Energieeinsatz bei der Herstellung der Knoten auch eine höhere geometrische Gestaltungsfreiheit mit sich bringt. Die textilen Preforms lassen sich kostengünstig an komplizierte Freiformen anpassen, wodurch komplexe dreidimensionale Geometrien in vielen Varianten realisiert werden können.

Die Herstellung der Preform der FVK-Hülle erfolgt durch ein triaxiales Geflecht, das in einem speziell angepassten und patentierten Flechtprozess produziert wird. Die Herstellung ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem je Flechtdurchgang zwei Arme des Knotens umflochten werden. Nach Imprägnierung mit einem an die Anwendung angepassten Matrixsystem und anschließender Aushärtung entsteht eine dünnwandige, formstabile Hülle. Die FVK-Hülle dient so nicht nur als Bewehrung für den Beton, sondern gleichzeitig als verlorene Schalung für die Befüllung mit diesem.

Das vorrangige Ziel des Projekts ist die Weiterentwicklung der bestehenden Technologie auf einen Entwicklungsstand, der eine industrielle relevante Produktion von mehrfachverzweigten Tragwerkstrukturen ermöglicht. Dies erfordert eine Erweiterung und Vollautomatisierung des bestehenden Flechtprozesses, der derzeit noch manuelle Eingriffe erfordert. Die Flechtmethodik muss dahingehend modifiziert werden, dass diese Eingriffe vollständig von zwei Sechs-Achs-Robotern übernommen werden können.

Eine detaillierte Untersuchung der Materialzusammensetzung der FVK-Hülle ist notwendig, wobei neben den mechanischen Eigenschaften auch bautechnische Anforderungen wie Witterungsbeständigkeit, Brandfestigkeit und Beständigkeit gegenüber alkalischem Beton berücksichtigt werden müssen. Zusätzlich wird das Treibhauspotential der Materialzusammensetzung analysiert, um den CO₂-Fußabdruck der Tragwerke zu minimieren. Die Materialstudien bilden die Grundlage für die Entwicklung eines simulativen Material-Knoten-Modells, welches die Eigenschaften eines solchen Knotens prognostizierbar macht und eine standardisierte Auslegung ermöglicht.

Um die Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung des Prozesses zu steigern, erfolgt die Ersetzung der bisher verwendeten Flechtkerne durch wiederverwendbare Sandkerne. Eine Anpassung der Zusammensetzung und des Aufbaus der Sandkerne ist notwendig, um den während des Flechtens und der Imprägnierung der Preform auftretenden Prozesskräften standzuhalten. Des Weiteren muss der Sandkern speziell versiegelt werden, um das Eindringen von Harz zu verhindern.

Projektlaufzeit
September 2023 – August 2026

Projektteam
ITFT Institut für Textil- und Fasertechnologien, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz. T. Gresser, Dr.-Ing. Larissa Born, Robert Wegner

ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Dr.-Ing. Axel Körner, Weiqi Xie

Maus Modell- und Formenbau GmbH, Karlsruhe
Mathias Maus, Frank Heidbrink

Munich Composites GmbH, Putzbrunn
Christian Lichtenberg, Tobias Knaier

Assoziierte Partner
Ed. Züblin AG, Stuttgart
Hans-Jörg Brahms, Martin Benz

Förderung
Das Forschungsprojekt „3D-Flechtknoten“ wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundetages im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB; Förderkennzeichen 03LB2084B) gefördert.

Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ)