Materialsparende Betondecke aus 3D‐gedruckten Verriegelungsblöcken

Ein neues modulares Konstruktionsprinzip hat das Potenzial, die Betonbauweise zu revolutionieren: topologische Verriegelung von Bausteinen. Durch die innovative Anordnung dieser Verriegelungsblöcke wird eine kinematische Beanspruchung einzelner Bausteine durch die gesamte Baugruppe effektiv unterbunden, indem die Blöcke sich gegenseitig immobilisieren. Diese Studie untersucht die Synergie zwischen topologisch ineinandergreifenden Baugruppen (TIA = englisch „topological interlocking assemblies“) und 3D‐Betondruck und führt eine umfassende Analyse der Herstellungsverfahren und der strukturellen Leistungsfähigkeit durch. Die ohne Bindemittel ineinandergreifenden Verriegelungsblöcke bieten herausragende Perspektiven für nachhaltiges Bauen. In der Untersuchung wird eine Methode zur Optimierung der Blockgeometrien für den 3D‐Druck vorgestellt, um die Integrität der Verriegelung sicherzustellen. Drei spezifische Blockgeometrien werden für den 3D‐Betondruck entwickelt und getestet. Verschiedene Methoden werden angewendet, um Verriegelungsblöcke herzustellen. Eine Geometrie wird ausgewählt und sowohl im kleinen als auch im großen Maßstab erprobt. Es folgen experimentelle Prüfungen, einschließlich präziser 3D‐Fotogrammetriemessungen, zur Bewertung des strukturellen Verhaltens dieser Plattensysteme. Die Ergebnisse demonstrieren eindrucksvoll die Machbarkeit und das enorme Potenzial der Integration von topologischer Verriegelung und 3D‐Betondruck für zukunftsfähige Bauanwendungen.

A new modular design principle has the potential to revolutionize concrete construction: the concept of topological interlocking of building blocks. The innovative arrangement of these interlocking blocks effectively prevents kinematic loading of individual blocks by the entire assembly by immobilising each other. This study investigates the synergy between topological interlocking and 3D concrete printing and conducts a comprehensive analysis of the manufacturing processes and structural performance. The interlocking blocks, which interlock without binders, offer outstanding prospects for sustainable construction. The study presents a method for optimising block geometries for 3D printing to ensure interlocking integrity. Three specific block geometries are developed and tested for 3D concrete printing. Different methods are used to produce interlocking blocks in 3D concrete printing. A geometry is selected and tested on both a small and large scale in the form of a plate system. This is followed by experimental tests, including precise 3D photogrammetry measurements, to evaluate the structural behaviour of these plate systems. The results impressively demonstrate the feasibility and enormous potential of integrating topological interlocking and 3D concrete printing for sustainable construction applications.