Stress-based Design of Lightweight Horizontal Structures for 3D Concrete Printing

Denne forskning undersøger en integreret design-til-produktion tilgang, der fusionerer robotbaseret ekstruderingsbaseret 3D-betonprint (3DCP) med stress-baseret computationel beregning for at optimere kulstoffeffektiviten for horisontale forstærkede betonstrukturer.

Beton spiller en central rolle i formningen af det byggede miljø globalt set. Beton- og cementindustrien er ansvarlig for omkring 7-8% af de samlede CO2-emissioner på verdensplan, og det forventes kun at vokse i takt med befolkningstilvækst og urbanisering, hvilket gør det til en kritisk udfordring inden for bæredygtige byggepraksisser.

Horisontale strukturer som bjælker og plader er afgørende for at understøtte vertikale belastninger og sikre bygningers stabilitet og funktionalitet. Disse elementer udgør over 40% af det samlede betonvolumen, der anvendes i mellemstore bygninger og bidrager i høj grad, direkte eller indirekte, til de kulstofemissioner, der genereres af byggeriet. At genoverveje hvordan vi designer horisontale strukturer og optimerer brugen af materialer vil dermed have en direkte positiv miljøpåvirkning.

Indførelsen af digitale produktionsværktøjer og beregningsmæssige designmetoder har åbnet nye forsknings- og praksismuligheder i søgen efter alternative, strukturelt- og materialemæssigt effektive løsninger til konventionelle byggepraksisser. Ved at tilbyde byggefleksibilitet og præcis kontrol over materialefordelingen opstod 3DCP som en disruptiv tilgang, der har betydeligt potentiale for arkitektonisk innovation og bæredygtige byggepraksisser. Imidlertid kræves der en radikal ændring i forhold til konventionelle lineære design- og ingeniørmetoder for at fuldt ud udnytte en sådan disruptiv produktionsmetode.

I denne forskning undersøges potentialet ved at kombinere 3DCP med strukturelle optimeringsrutiner i formningen af horisontale forstærkede betonstrukturer med henblik på mere kulstoffeffektive løsninger. Der lægges særlig vægt på at udvikle design-til-produktion arbejdsprocesser, der er specifikke for den anvendte produktionsmetode og integrerer begreber omkring materiale og produktionsbegrænsninger i designprocessen for at minimere oversættelse, efterbehandling og diskretisering. Dette resulterede i en tilgang til digitalt design, der tager højde for den trajektoriebaserede ekstruderingsproces i 3DCP. Samtidig blev der integreret metoder til at inkludere Finite Element Analysis (FEA) og principielle spændings- og momentfelter for at optimere materialets placering.

Dette førte til konceptualiseringen af en række proof-of-concept forstærkede betonbjælker, kendt som 3DLightBeam og 3DLightBeam+, karakteriseret ved en stressbaseret porefyldningsstruktur med en styrketil-vægt-forhold 100% højere sammenlignet med ikke-optimerede 3DCPbjælker. Desuden blev den integrerede design-til-produktion tilgang anvendt til at udvikle en ribbet plade, 3DLightSlab, med en værktøjsbaseret stressoptimeret riblayout. Verificeret gennem strukturel testning og en sammenlignende Life-Cycle Analysis (LCA) viser resultaterne af denne afhandling, at tilgangen udviklet til forfremmelse af kulstoffeffektive horisontale strukturelementer ved hjælp af 3DCP er en levedygtig løsning med potentiel høj indvirkning på byggeindustrien.

Resultaterne af denne afhandling fremhæver, at design, produktion, simulering og validering er intrinsisk forbundet og skal integreres i en omfattende skræddersyet arbejdsproces for at realisere det fulde potentiale af 3DCP til strukturelle anvendelser.