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RIBB3D, ETH Zürich, 2021-2022
Nachhaltige Rippendecken mit 3D-gedruckter Schalung
Das Forschungsprojekt RIBB3D hinterfragt die herkömmliche Bauweise von Geschossdecken und zeigt, wie materialeffiziente Stahlbetonkonstruktionen auf effiziente Weise hergestellt werden können. Dabei wird die 3D-Drucktechnologie für massgeschneiderte Kunststoffschalungen zur Herstellung von gerippten, nicht standardmässigen Betondecken verwendet. Der neue Ansatz ermöglicht eine um 40 Prozent geringere CO2-Bilanz im Vergleich zu herkömmlichen Decken mit derselben Betonsorte - ohne Kompromisse bei der Leistung. Mit C02-reduziertem Beton lassen sich die Emissionen weiter reduzieren.


Geschossdecken aus Stahlbeton machen in der Regel mehr als die Hälfte des CO2-Fußabdrucks von mehrstöckigen Gebäuden aus. Meistens werden Decken als Massivplatten mit konstanten Dicken hergestellt - nicht wegen ihrer Materialeffizienz, sondern wegen der Einfachheit der ebenen Schalung, die zum Betonieren benötigt wird. RIBB3D setzt genau hier an und verwendet digitale Fabrikation, um nicht standardmässige, optimierte Formen einfach herzustellen.


Design und Fertigung durch den Kraftfluss bestimmt
RIBB3D kombiniert Tragwerksplanung mit digitaler Fabrikation, um die Aussteifungsrippen der Deckenplatten so herzustellen, dass diese entlang der Richtung des Kraftflusses orientiert sind. Zunächst berechnen die Forschenden die Richtungen der Hauptbiegemomente mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA). Anschließend importierten sie die resultierenden Vektoren in eine parametrische Konstruktionssoftware, in der das Rippenlayout generiert wird. Basierend auf dem parametrischen Modell wird die Konstruktion statisch berechnet und mittels Optimierungsschleifen wird der Materialverbrauch minimiert.
Dieser Ansatz wurde verwendet, um eine auf Stützen gelagerte Mehrfelddecke auf einem Raster von 8 x 8 Metern zu entwerfen, von der ein Abschnitt mit 2,7 x 2,7 Meter hergestellt wurde. Ein Industrieroboter mit einem Thermoplast-Pellet-Extruder druckte die Schalung des Deckenprototyps in Originalgröße. Die Konstruktion wurde mit konventionellen Bewehrungsstäben aus Stahl bewehrt und mit handelsüblichem selbstverdichtendem Beton betoniert.


Weniger Material, gleiche Leistung
Das interdisziplinäre Forschungsteam verwendete neben dem neuartigen Schalungskonzept bewusst weithin verfügbare Technologien für Beton und Bewehrung, um die Einhaltung der Normen sicherzustellen. Der statische Belastungstest an dem optimierten Prototyp ergab, dass ein sprödes Durchstanzversagen im Bereich der Decken-Stützen-Verbindung verhindert, und zugleich eine um 80 Prozent höhere Last als beim Referenztest an einer herkömmlichen Massivdecke erreicht wurde.
Die Ergebnisse zeigen, dass optimierte Rippendecken den Betonverbrauch gegenüber einer konventionellen Massivdecke mit derselben Betonsorte, um rund 40 Prozent reduzieren - bei gleicher Standsicherheit, Robustheit und gleichem Komfort. In Kombination mit CO2-reduziertem Beton lässt sich der CO2-Fußabdruck um etwa zwei Drittel reduzieren. Dies verdeutlicht das Potenzial der Verwendung von 3D-gedruckten Schalungen zur automatisierten Herstellung materialeffizienter Geschossdecken und ebnet den Weg für eine nachhaltige Betonbauweise.

Eggshell
Smart Dynamic Casting

Credits:
Concrete Structures and Bridge Design, ETH Zurich
Prof. Walter Kaufmann, Tobias Huber, Jaime Mata-Falcón

Gramazio Kohler Research, ETH Zurich
Prof. Fabio Gramazio, Prof. Matthias Kohler, Joris Burger, Ena Lloret-Fritschi, Ping-Hsun Tsai


Support: Structural Lab, ETH Zurich; Robotic Fabrication Laboratory, ETH Zurich; Concrete Lab, ETH Zurich

Sponsors: SACAC AG, Debrunner Acifer Bewehrungen

Funding: ETH Foundation, Siemens, Geberit, NCCR Digital Fabrication.

Copyright 2022, Gramazio Kohler Research, ETH Zurich, Switzerland
Gramazio Kohler Research
Professur für Architektur und Digitale Fabrikation
ETH Zürich HIB E 43
Stefano-Franscini Platz 1 / CH-8093 Zürich

+41 44 633 49 06
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