Das Forschungsprojekt „MaBo – Materialeinsparung bei Bohrpfählen" zeigt exemplarisch und praxisnah, wie durch den Einsatz 3D-gedruckter Aussparungskörper (Hohlkörper) in Bohrpfählen substanzielle Betonmengen eingespart und damit Ressourcenverbrauch sowie CO2-Emissionen im Spezialtiefbau reduziert werden können. Die Neuerung besteht in der gezielten Optimierung des Pfahlquerschnitts und der Substitution gering ausgenutzter Bereiche, ohne das Lastabtragungsverhalten über Pfahlspitzendruck und Mantelreibung zu beeinträchtigen. Damit wird ein bislang wenig erschlossenes Anwendungsfeld adressiert, das unmittelbar auf klimafreundliches Bauen zielt, normkonform zu bestehenden Regelwerken bleibt und die Brücke zwischen Forschung und Baupraxis schlägt.

Zur Erarbeitung der Lösung wurden zunächst konventionelle Bohrpfähle modelliert und mittels Finite-Elemente-Methoden analysiert, um belastbare Kriterien zur Identifikation optimierbarer Querschnittssegmente abzuleiten. Auf dieser Grundlage entstanden praxistaugliche Hohlkörpergeometrien, deren Positionierung, Abmessungen und Übergangsbereiche so gewählt wurden, dass sie die für die Tragfähigkeit maßgebenden Beanspruchungen nicht negativ beeinflussen. Die Entwürfe wurden iterativ numerisch verifiziert und anschließend im Beton-3D-Druck als Prototypen hergestellt, wobei besondere Aufmerksamkeit auf Materialkennwerte, Fertigungstoleranzen und die Integrationsfähigkeit in Bewehrungskörbe gelegt wurde. Die Laborverifizierung umfasste Druck- und Biegezugversuche zur Festlegung der Widerstandskennwerte sowie Untersuchungen zur Reibung zwischen 3D-gedruckten Oberflächen und Frischbeton, um die Auftriebssicherheit während der Betonage belastbar zu quantifizieren. Diese Befunde ergänzen die klassische archimedische Betrachtung, indem sie zeigen, dass Reibungskräfte an den Kontaktflächen einen wesentlichen Gegenbeitrag zum Auftrieb leisten und daher methodisch zu berücksichtigen sind. Abschließend wurde der optimierte Bohrpfahl im Feld hergestellt. Die gesamte Prozesskette vom Entwurf über die Fertigung, den Einbau der Hohlkörper in den Bewehrungskorb bis zur Betonage und bauteilnahen Prüfung wurde dokumentiert, wodurch die praktische Umsetzbarkeit unter realen Randbedingungen nachgewiesen ist.

Die Ergebnisse belegen, dass Hohlkörper so positioniert und dimensioniert werden können, dass Tragsicherheit und Steifigkeit erhalten bleiben, während sich der Materialbedarf signifikant verringert. Die Herstellbarkeit wurde unter praxisrelevanten Bedingungen demonstriert, einschließlich der besonderen Anforderungen an Transportrobustheit, die Lagesicherung im Frischbeton und die Betonage bei eingeschränkter Einführung des Betonierrohres. Die Dichtheit und der Verbund der 3D-gedruckten Bauteile im Pfahlquerschnitt wurden feldseitig bestätigt. Für die Überführung in die Anwendung wurden die Erkenntnisse zu Entwurf, Fertigung und Nachweisführung strukturiert aufbereitet und von einem initiierten Bemessungsansatz flankiert, der auf den numerischen Berechnungen und den Bauteilversuchen basiert. Dieser Ansatz bildet den Ausgangspunkt für ein analytisches Bemessungskonzept und einen Konstruktionsleitfaden, mit dem Planerinnen und Planer die Technologie ohne ausschließliche Abhängigkeit von FEM-Software in der Praxis einsetzen können.

Für Anwenderinnen und Anwender ergeben sich technische und wirtschaftliche Vorteile: effizien-tere Konstruktionsverfahren bei gleichbleibender Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit, eine messbar verbesserte Nachhaltigkeitsbilanz sowie ein Wettbewerbsvorteil durch die Positionierung als Vorreiter im nachhaltigen Bauen. In der Perspektive zeigt sich, dass bei konsequenter Umsetzung erhebliche Einsparungen erschlossen werden können, mit jährlichen Potenzialen in der Größenordnung mehrerer Tausend Tonnen CO2 und deutlichen Materialreduktionen. Die konsortiale Zusammenarbeit von Forschung und Industrie, die feldnahe Demonstration und die geplanten Verwertungsaktivitäten – von Publikationen über Leitfäden bis zu Schulungen – sichern Reichweite und Wirkung der Projektergebnisse in Wissenschaft und Praxis und erleichtern den Transfer in Lehre und Ausführung.

Im Ausblick stehen die Standardisierung und Skalierung der Methode im Vordergrund. Erforderlich sind eine erweiterte Datengrundlage, zusätzliche Labor- und Feldversuche zur Kalibrierung der Interaktionseffekte, die normative Einbettung der Nachweise und die Ausarbeitung eines konsistenten Konstruktions- und Bemessungsleitfadens mit Ausführungsregeln, Toleranzen und Prüfkriterien. Mit diesen Schritten kann die Technologie regelhaft in die Planungspraxis überführt, die Anwendungssicherheit weiter erhöht und der Nachhaltigkeitsbeitrag im Grundbau breit skaliert werden.

Projektleitung

Technische Universität Graz – Institut für Tragwerksentwurf

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• FH Kärnten gemeinnützige Gesellschaft mbH
• Keller Grundbau Ges.mbH

Technische Universität Graz – Institut für Tragwerksentwurf
Univ.Prof. Dr.-Ing. Stefan Peters
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