TOPS – Topologieoptimierte Stahlbetondecken mit digitaler Schalung und Bewehrung

Ausgangssituation / Motivation

Die Zementindustrie ist für 8% der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, was den ressourceneffizienten Einsatz von Beton zu einem zentralen Hebel zur Erreichung der Klimaziele macht. Neben langfristigen Strategien zur Dekarbonisierung der Betonherstellung besteht ein unmittelbares Reduktionspotenzial durch den optimierten Einsatz von Beton im Bauwesen.

Insbesondere Geschossdecken, die bis zu 60% des Betonvolumens eines Gebäudes ausmachen, bieten erhebliche Einsparpotenziale. Traditionell werden diese im Vollquerschnitt gegossen, was zu einem ineffizienten Materialeinsatz führt. Tatsächlich wird nur ein Bruchteil des Betons für die Tragfähigkeit benötigt, während das meiste Material allein aus baupraktischen Gründen verwendet wird.

Inhalte und Zielsetzungen

TOPS untersucht das Potential von materialeffizienten Rippendecken durch den Einsatz digitaler Technologien und Topologieoptimierung, mit dem Ziel, den CO2-Fußabdruck um bis zu 50% im Vergleich zu herkömmlichen Flachdecken zu reduzieren. 

Diese Reduktion wird durch eine optimierte Struktur erreicht, die Material nur dort einsetzt, wo es statisch erforderlich ist, während in anderen Bereichen Beton und Stahl eingespart werden. Darüber hinaus soll die Herstellung solcher Decken weitgehend digitalisiert werden, um eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Produktion zu ermöglichen. 

TOPS leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung des Bausektors und unterstützt die Erreichung mehrerer Nachhaltigkeitsziele, insbesondere in den Bereichen ressourceneffizientes Bauen (SDG 12.2), moderne Infrastruktur (SDG 9.4) und Produktivitätssteigerung durch technologische Innovation (SDG 8.2).

Methodische Vorgehensweise

Im Rahmen des Projekts TOPS wird der Funktionsnachweis von materialeffizienten, topologieoptimierten Rippendecken mittels eines digital fabrizierten Demonstrators geliefert. Dazu wird ein „File-to-Factory"-Prozess entwickelt, der die digitale Planung mit der automatisierten Fertigung von Schalung und Bewehrung verbindet. 

Die Tragfähigkeit und das Einsparpotential der Decke wird im Vergleich zu konventionellen Lösungen in Belastungstests bewertet. Mit dieser Arbeit soll gezeigt werden, dass eine nachhaltige Reduktion des Materialeinsatzes im Bauwesen durch digitale Prozesse und optimierte Strukturen möglich ist.

Erwartete Ergebnisse

TOPS bringt wesentliche Innovationen in den Bausektor. Durch die Anwendung der Topologieoptimierung wird eine bisher in der Praxis noch nicht genutzte Methode in die Herstellung von Betondecken eingeführt. Materialeffiziente Rippendecken wurden zwar bereits in der Vergangenheit entwickelt, scheitern aber heutzutage an der aufwendigen Herstellung. 

Durch digitale Planung und Fertigung im „File-to-Factory"-Prozess wird die Herstellung nun effizient und wirtschaftlich realisierbar. Darüber hinaus wird der ökologische Fußabdruck des Projekts durch die Integration nachhaltiger, praxiserprobter Materialien minimiert, während gleichzeitig die industrielle Anwendbarkeit sichergestellt wird.

Projektleitung

TU Wien – Institut für Tragkonstruktionen, Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• DataB GmbH
• Mesh AG

Dr. Tobias Huber
Karlsplatz 13/E212-2
A-1040 Wien

Tel.: +43 (1) 58801 21242
E-Mail: tobi.huber@tuwien.ac.at
Web: www.tuwien.at/cee/tragkonstruktionen/beton