Die Beton-3D-Druck-Technologie entwickelt sich sehr dynamisch und findet zunehmend praktische Anwendung. Die Integration von lastabtragender Bewehrung stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Der vorliegende Aufsatz stellt drei neue Verfahren zur Herstellung von Stahlbetonvollwänden vor, die auf der von den Autoren entwickelten CONPrint3D-Technologie basieren. Im Einzelnen sind das: 1) das schichtweise Überdrucken von Bewehrungsmatten, die vor eine gedruckte Kernwand gehängt werden, 2) das seitliche additive Füllen eines Bewehrungskorbs sowie 3) das vollautomatische Aufbauen einer Bewehrungsstruktur mit unmittelbar darauffolgendem schichtweisen Umhüllen durch extrudierten Beton. Neben dem aktuellen Forschungsstand und den betontechnologischen Herausforderungen werden maschinenbauliche Entwicklungsansätze und die kalkulatorische Bewertung der neuen Verfahren im Vergleich mit etablierten Bauverfahren präsentiert.

Additive manufacturing of monolithic, steel-reinforced concrete walls using CONPrint3D-reinforced methods
3D concrete printing technology is developing rapidly and is increasingly finding practical applications. However, the integration of load-bearing reinforcement remains a challenge. This paper presents three new methods for the construction of monolithic walls of reinforced concrete based on the CONPrint3D-technology developed previously by the authors. In detail, these are: 1) the additive covering of reinforcement meshes, which are hung in front of a printed core wall, 2) the lateral additive filling of a reinforcement cage and 3) the fully automatic construction of a reinforcement structure with immediate subsequent layer-by-layer encasing by extruded concrete. In addition to the current state of research and the material challenges, mechanical engineering development approaches and the calculative evaluation of the new processes in comparison to established construction methods will be presented.

Der 3D-Druck metallischer Bauteile im Pulverbettverfahren findet bisher überwiegend in der Luft- und Raumfahrt oder im Maschinenbau Anwendung. Für die Fertigung von strukturellen Großbauteilen, wie sie im Stahlbau zum Einsatz kommen, sind die Laser-Pulver-basierten additiven Fertigungsverfahren derzeit zu teuer, um einen wirtschaftlichen Einsatz in Aussicht zu stellen. Hier kann das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) eine Möglichkeit bieten, den 3D-Druck von großen Stahlkomponenten zu verwirklichen. Das Verfahren, auch als “formgebendes Schweißen” bekannt, ist in Kombination mit flexibler Robotertechnik und energiearmen Schweißprozessen für das Bauwesen interessant; denn nicht nur durch extrem große Gestaltungsmöglichkeiten, sondern auch durch die Digitalisierung und Einbindung in die computergestützten Entwurfs-, Planungs- und Herstellungsprozesse eröffnen sich neue Möglichkeiten für den Stahlbau. Zudem ist es insbesondere für die Fertigung von belastungsoptimierten Bauteilen sehr gut geeignet. Im Beitrag werden die derzeitigen und künftigen Anwendungsfelder, die Merkmale der Fertigung und die Tragfähigkeiten der erzielbaren Bauteiltypen beschrieben. Darüber hinaus wird über aktuelle Untersuchungen berichtet.

3D printing in steel construction with the automated Wire Arc Additive Manufacturing
The classic 3D printing of metallic components using the powder bed process has so far mainly been used in the aerospace industry or in mechanical engineering. For the production of large structural components, such as those used in steel construction, laser powder-based additive manufacturing processes are too expensive to be economically viable. Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) can offer a possibility to realize 3D printing of large steel components. This process, also known as “shape welding”, has become interesting for the building industry in combination with flexible robot technology and low-energy welding processes. This is not only because of extremely large design possibilities. Also digitalization and integration into computer-supported design, planning and manufacturing processes open up new possibilities for steel construction. It is also very well suited for the production of load optimized components in particular. The article describes the current and future fields of application, the characteristics of production and the load-bearing capacity of the achievable component types. In addition, current investigations are reported.

Der 3D-Druck mit zementgebundenen Materialien erfordert geeignete Lösungen für die Integration der Bewehrung während des Herstellungsprozesses. Im vorliegenden Aufsatz wird eine neue Technologie vorgestellt, die mineralisch imprägnierte Carbonfasergarne (engl: mineral-impregnated carbon-fibre, MCF) für diesen Zweck verwendet. Diese neue Art der nicht korrosiven Bewehrung weist hervorragende mechanische Eigenschaften, hohe Nachhaltigkeit und Dauerhaftigkeit auf. Entscheidend ist jedoch, dass MCF eine extrem hohe technologische Flexibilität bietet, da sie im frischen Zustand leicht geformt und vollautomatisch verarbeitet werden kann. Der Artikel beschreibt eine neue Düse, die für die Integration der MCF-Bewehrung direkt in Betonfilamente bei den extrusionsbasierten 3D-Druck-Verfahren entwickelt wurde. In jede Betonschicht wurden gleichzeitig drei Carbongarne eingeführt. Die bestehenden Prüfverfahren wurden angepasst, um das Zug- und Biegeverhalten von gedrucktem Carbonbeton sowie die Qualität des Verbunds zwischen Bewehrung und Beton zu beurteilen. Die Versuche ergaben eine mechanische Leistung des gedruckten Betons, die mit der von Textilbeton aus Carbonfasern vergleichbar ist. Die präsentierte Forschung hat die Machbarkeit und das sehr hohe Potenzial der neuen Technologie in Bezug auf die Digitalisierung und Automatisierung des Betonbaus nachgewiesen.

3D printing with carbon concrete: technology and the first test results
3D printing with cement-based materials requires appropriate solutions for the integration of reinforcement during the manufacturing process. The article at hand presents a new technology developed for this purpose which is based on using mineral-impregnated carbon-fibre (MCF) composites. This new type of non-corrosive reinforcement yields excellent mechanical performance, high sustainability and durability. Crucial is however, that it offers extremely high technological flexibility, since MCF can be easily shaped in the fresh state and processed fully automated. The article describes a new nozzle developed for the integration of MCF reinforcement directly into concrete filaments in the context of the 3D printing based on layered extrusion. Three carbon yarns were introduced simultaneously in each concrete layer. The existing testing procedures were adapted for assessing tensile and flexural behaviours of printed carbon concrete as well as of bond between reinforcement and concrete. The experiments showed mechanical performance comparable with that of textile reinforced concrete made with carbon fibre. The research work proved the feasibility and very high potential of the new technology with respect to digitation and automation of concrete construction.

Die vollautomatische Fertigung ist in der Stahlbauindustrie angekommen. Zwar gibt es erst sehr wenige Firmen, die Stahlbauteile komplett von Robotern zusammenbauen lassen, aber der Mangel an Facharbeitern verbunden mit einem kontinuierlichen Fortschritt in der Maschinentechnik führt zu einem kontinuierlichen Zuwachs in diesem Bereich. So kann z. B. ein Roboter eine Fußplatte oder eine Steife an eine Stütze halten, während der zweite die Schweißnähte fertigt. Schweißroboter können darüber hinaus mithilfe des 3D-Druckverfahrens WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) Details (Steifen), Knotenpunkte, Bauteile (insbesondere mit außergewöhnlichen Geometrien) und ganze Bauwerke herstellen. Der Schweißdraht wird hierbei als Druckwerkstoff eingesetzt, sodass es sich im Prinzip um eine Auftragsschweißung handelt. Hierdurch kann nicht nur die Logistik im Fertigungsbetrieb vereinfacht werden, da Steifen oder andere Anschlusselemente nicht mehr vorab zugeschnitten und an den Zusammenbauplatz geliefert werden müssen. Es können sich auch neue, dem Kraftfluss entsprechende Geometrien ergeben. Dadurch wird ein ganz anderes Konstruieren als bisher ermöglicht. Der vorliegende Beitrag zeigt, neben einem kurzen Überblick über das WAAM, einige Fertigungsbeispiele aus Forschungsprojekten des Fachgebiets Stahlbau der TU Darmstadt, sich aus der Optimierung ergebende neue Lösungen für alte Probleme und die erste Brücke, die komplett an ihrem Einsatzort gedruckt wurde.

3D printing with steel - additive manufacturing of details, connections and members
Fully automated production has arrived in the fabrication of structural steel. Although there are only very few companies that have steel components completely assembled by robots, the lack of skilled workers combined with continuous progress in the technology has led to a steady growth in this area. For example, one robot holds a base-plate or a stiffener to a column while the second one welds the seams. Welding robots can also use WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) to produce details (stiffeners), connections, components (especially with unusual geometries) and entire structures. The wire electrode serves as printing material. This not only simplifies the logistics in the fabrication, since stiffeners or other connecting elements no longer have to be cut to size in advance and delivered to the assembly site. It also results in new shapes that require a new design process, in accordance with the flow of forces and in an optimised manner. This paper shows, besides a short overview of WAAM, some built examples from research projects of the department of steel construction of TU Darmstadt, new solutions for old problems resulting from the optimization, and the first bridge which was completely printed on site.

Die Oberflächentexturierung der Betonfahrbahndecken mittels Grinding und Grooving steht seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung des Betonstraßenbaus in Deutschland. In den vergangenen Jahren wurden die vorteilhaften Oberflächenperformances derartiger Texturen, wie z. B. Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung, in zahlreichen Forschungsprojekten umfassend untersucht und daraus die Technologie “Texturgrinding” entwickelt.
Im Kontext des gegenwärtig verfolgten ganzheitlichen performanceorientierten Ansatzes liegt der Fokus nun verstärkt auf der Analyse und Charakterisierung der Oberflächentopografie von Grinding- bzw. Groovingtexturen. Insbesondere gilt ein Hauptaugenmerk hierbei der zeitlichen Entwicklung der Oberflächentexturen in Abhängigkeit von äußeren Einwirkungen durch Klima und Verkehr.
Dieser Beitrag zeigt, dass durch den Einsatz eines auf Streifenlichtprojektion basierenden Messsystems eine hochaufgelöste dreidimensionale Erfassung der Oberflächentopografie verschiedenartiger Grinding- und Groovingtexturen möglich ist. Darauf aufbauend wurden messtechnische Voraussetzungen zur Gewährleistung reproduzierbarer Messungen geschaffen, die eine Dokumentation der zeitlichen Texturveränderungen infolge klimatischer Beanspruchung ermöglichen. Anschließend wurden Auswerteroutinen zur quantitativen und statistischen Charakterisierung der Oberflächentextur entwickelt und angewandt, um exemplarisch die Veränderungen der Oberflächentopografie infolge klimatischer Beanspruchung quantitativ abzubilden.

3D-Analyzis of concrete surface pavements with grinding and grooving textures by means of fringe pattern projection
Modifying surface textures of concrete pavements by using grinding and grooving is in focus of research and development activities of concrete pavement building in Germany. During the past few years, the beneficial surface performance indicators of these kind of textures (e.g. skid resistance, evenness, noise reduction) have been investigated thoroughly and the technologies of both texturing methods have been further developed.
With respect to the currently followed holistic performance-oriented approach the focus of research is more and more concentrated on analyzing and characterizing the surface topology of grinding and grooving textures. In particular, the time-dependent behavior of the textures while being influenced by climate and traffic is of big importance to the research.
This contribution points out the benefits of using a fringe pattern projection system for obtaining high resolution measurements of various concrete surface textures, i.e. grinding and grooving. Based on that, measurement premises to guarantee reproducible measurements have been established, enabling a documentation of time-dependent texture changes resulting from climate exposure. Afterwards, evaluation routines for quantitative and statistical characterization of concrete surface textures have been developed and applied to show quantitative changes of surface topology in result of climate stress, exemplarily.

Bei der makroskopischen Modellierung von Beton- uns Stahlbetonkonstruktionen liegt die Hauptschwierigkeit in der Abbildung des Modells für den Beton. Zur Zeit gibt es kein derartiges Modell, welches sein Verhalten sowohl für monotone als auch für wechselnde (zyklische) Belastungen wirklichkeitsnah erfassen kann. Prinzipiell bietet das Microplane Modell diese Möglichkeit an. Daher wurde dieses Modell für Beton kürzlich für dreidimensionale zyklische Beanspruchung weiterentwickelt, mit einem nichtlokalen Verfahren ("microcrack interaction approach") gekoppelt und in das dreidimensionale FE-Programm MASA eingebaut. Mit dem Programm wurde eine dreidimensionale Studie von Balken-Stützen-Verbindungen unter zyklischen Belastungen durchgeführt. Die Verbindungen wurden für normalfesten und für hochfesten Beton berechnet. Die Berechnungen zeigen, daß sich die Konstruktion aus hochfestem Beton unter sonst identischen Bedingungen (Geometrie und Bewehrungsgrad) im Vergleich zu der Verbindung aus normalfestem Beton unterschiedlich verhält. Außerdem ist zu erkennen, daß die numerische Analyse das Verhalten von schwierigen dreidimensionalen Problemen sowohl für monotone als auch für zyklische Belastungen wirklichkeitsnah vorhersagen kann.

Based on multi-scale and multi-disciplinary measured data, gathered at the Geretsried geothermal site, a 3D reservoir model of the deep and fracture-controlled Upper Jurassic carbonates in the North Alpine Foreland Basin is generated in this work. An efficient methodology is developed to numerically simulate the coupled reservoir processes of fluid flow, heat transport and thermoporoelastic stresses resulting from possible geothermal doublet operating schemes with cold fluid injection and production profiles in an enhanced naturally fractured reservoir. A variety of numerical experiments is conducted to study the reactivation potential and dilation tendency of the fracture and fault system. Simulation results show the spatiotemporal evolution of the thermoporoelastic stresses and the zone affected after 50 years of geothermal doublet operation. From these simulations, the thermoelastic response of a geothermal doublet operating with 60 °C fluid injection temperature and 20 l/s flow rate translates into a maximum induced thermal stress of around 49.4 MPa near the injection well. In terms of a long-term reservoir performance and fault and fracture reactivation potential, the findings reveal a negligible risk to a sustainable geothermal doublet operation.

Extended keynote paper of Eurosteel 2021
Automated production is finding its way into the fabrication of structural steel. One robot holds attachments (stiffeners, end plates, etc.) on a steel beam or column and another robot produces weld seams. However, welding robots can also be used for Additive Manufacturing (Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM). The wire electrode serves as a printing material. The Institute of Steel Construction and Materials Mechanics in Darmstadt is investigating how typical connecting elements for steel structures can be printed directly on steel beams using Additive Manufacturing with arc welding and robots. Furthermore, structural elements such as nodes for space frames can be printed and even complete structures, e.g. columns and a little bridge, have already been manufactured additively. The main focus is on determining suitable welding and process parameters. In addition, topology optimization is necessary in order to achieve good structures using a small amount of material. This is possible due to the free design prospects of WAAM, which opens up new design and production strategies.

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Construction company MATIERE has developed a new type of reinforcement based on ribbed flat steel in recent years. The objective of the present work is to obtain information about the bending behaviour of RC structural elements reinforced with these ribbed flat steel bars and also about the cracking process they induce (number of cracks and crack opening), especially at the serviceability limit state. The structural element chosen for this work is a small slab-beam (330 × 15 × 80 cm) subjected to three-point central bending. Concurrent with this experimental study, a 3D finite element model was developed at IFSTTAR to consolidate the experimental results. It appears that the numerical modelling strategy chosen in this work is relevant for analysing both the bending behaviour of an RC structural element and its cracking process.

Discontinuity mapping of tunnels during excavation is a key component of the interactive observational design approach. One requirement is to verify the geological and geomechanical predictions made at the design stage. In recent years, fully automated, remote-based techniques such as Terrestrial Laser Scanning (TLS) and Infrared Thermography (IRT) have become available, and their applications have increased, reducing the time needed to obtain complete geomechanical mapping of the rock mass. The effective use of these techniques is of great interest in tunnelling where the need arises for the operators to work close to the tunnel face. This paper presents a discussion of the main technical features of TLS and IRT, as well as data processing methods, followed by a case study of a tunnel excavated in the NW Italian Alps.

Within the scope of a research activity of ÖBB-Infrastruktur AG (Austrian Federal Railways) improvements for tunnel face documentation during TBM tunnelling are investigated. This contribution presents an autonomous imaging unit for taking videos of the tunnel face. The unit is installed during maintenance shift in the cutter head of a hard rock TBM. While turning the cutter head, a video is taken. Simultaneously a smartphone that also controls the camera tracks the orientation of the imaging system. From the video a consistent three-dimensional image is generated using latest algorithms from photogrammetry. The resulting 3D images are used for determining single block detachments from the tunnel face as well as quantifying the planarity in general. They serve for enhancing geological mapping including the determination of discontinuities and provide comprehensive and objective documentation information. First successful applications at Koralmtunnel lot KAT2 showed the value of this new way of documentation and measurements.
Im Rahmen einer Forschungsaktivität der ÖBB Infrastruktur AG werden Verbesserungen zur Dokumentation der Ortsbrust bei TBM-Vortrieben untersucht. Dieser Beitrag zeigt eine autonome Aufnahmeeinheit, die Videos der Ortsbrust erfasst. Die Aufnahmeeinheit wird während der Wartungsschicht im Bohrkopf einer Hartgesteins-Tunnelvortriebsmaschine installiert, und während einer Drehung des Bohrkopfs wird ein Video aufgenommen. Gleichzeitig zeichnet ein Smartphone, das auch die Kamera steuert, Orientierungsinformationen auf. Aus dem Video wird unter Anwendung aktueller Algorithmen der Photogrammetrie ein konsistentes dreidimensionales Bild erzeugt. Die resultierenden 3D-Bilder werden dazu benutzt, um einzelne Ausbrüche aus der Ortsbrust sowie die Ebenheit der aufgenommenen Bereiche zu quantifizieren. Sie dienen außerdem für eine verbesserte geologische Kartierung inklusive der Bestimmung von Trennflächenorientierungen und stellen eine umfassende und objektive Dokumentation dar. Erste erfolgreiche Anwendungen beim Baulos KAT2 des Koralmtunnels zeigen den Wert dieser neuartigen Art der Dokumentation und messtechnischen Bewertung.

3D images combine visual and geometric information making them an obvious source for capturing and characterising rock surfaces especially when there are constrained time and access conditions. By taking photographs with an off-the-shelf camera and using modern algorithms from photogrammetry, 3D imaging has become state of the art on many conventional tunnel construction sites. Data is acquired on a daily basis, processed, geologically assessed, and finally stored in a suitable data base. The contribution provides a brief introduction of the technology and its measurement capabilities, as well as a description of the practical application during the construction of the 8 km long Gleinalmtunnel in Austria.

3D images combine geometric and visual data in a model that allows quick and easy inspection and interpretation on a computer. On-going improvements of digital cameras and algorithms in photogrammetry, in particular for simultaneous processing of large sets of overlapping photos to a single consistent 3D model, have led to several applications of 3D images in tunnelling. 3D images are now used on conventional tunnel construction sites for digital face documentation and tunnel face mapping. 3D images are also suitable in mechanised tunnelling for capturing usually occluded areas of the tunnel face and visualising them in three dimensions. Furthermore, 3D images are generated from aerial imagery for documentation and volumetric assessment of deposited tunnel excavation material.
3D-Bilder vereinigen geometrische und visuelle Informationen zu einem Modell, das einfach auf Computern betrachtet und bewertet werden kann. Die Weiterentwicklung digitaler Kameras und der Algorithmen der Photogrammetrie, insbesondere die simultane Verarbeitung größerer Mengen digitaler Fotos zu einem konsistenten 3D-Modell, ergeben verschiedene Anwendungsmöglichkeiten rund um den Tunnelbau. Aktuell werden 3D-Bilder für die digitale Erfassung der Ortsbrust und deren Kartierung bei konventionellen Vortrieben verwendet. 3D-Bilder sind darüber hinaus geeignet für den maschinellen Tunnelvortrieb, um nicht sichtbare Ortsbrustbereiche aufzunehmen und dreidimensional zu visualisieren. 3D-Bilder bieten sich auch - luftgestützt erzeugt - für die Dokumentation und volumetrische Bewertung von deponiertem Tunnelausbruchsmaterial an.

Die Alterung der Infrastruktur im Bereich der Wasserstraßen führt in Verbindung mit den in Norddeutschland häufig schwierigen Sichtverhältnissen unter Wasser zu massiven Aufwendungen der Betreiber bei der Inspektion, der Bewertung und der Instandsetzung der Verkehrswasserbauwerke. Das vom BMVI mit Forschungsmitteln geförderte und im Dezember 2018 gestartete Projekt 3D HydroMapper soll die Erfassung und Nutzung der 3-D-Scandaten von Bestandsbauwerken über und unter Wasser verbessern. Hierzu sollen neuartige Positionierungs- und Routingverfahren sowie eine aktive Objektausrichtung der Sensorik genutzt werden, um den Zustand von Bauwerken mit sehr hoher Präzision und Auflösung im Bereich weniger Zentimeter auch unter Wasser strukturiert zu erfassen. Erste Testergebnisse zeigen, dass mit dem 3D HydroMapper ein echter Innovationssprung möglich ist.

3D HydroMapper - digital inspection and measuring of waterway structures
The ageing infrastructure of waterways requires regular dive inspections at low sight within fluid mud. Therefore, the owners have to spend a lot of time and workforce to inspect, assess and repair the infrastructure. Within the partly funded project by the BMVI we are about to develop a Multi-Sensor-System which simultaneously measures the above and underwater port structures and therefore decreases the inspection time and reduces the service costs. To realize high precision results and high resolutions of a few centimeters an active measurement process with dynamic orientation of the sensors and an autonomous routing is developed. First tests show that the 3D HydroMapper enables highly precise and comprehensive inspections. Damages can therefore be detected over the underwater areas. The measurements can also be used to derive the structures stress level in order to estimate the remaining lifetime.

Before design and construction, particularly underground, it is essential to know the geological conditions well. Nowadays as in many other fields 3D modelling is a very powerful and helpful tool in geology and geotechnics. The advantages of 3D modelling in geology are convincing: In the past, 2D geological maps and sections were of common use and it could sometimes be difficult to conceive a 3D picture of the underground conditions from the 2D images. With modern software, geological 3D models can be generated easily. Once a 3D model is established, the underground situation is more comprehensible and inconsistencies in geological interpretation are immediately apparent. 2D sections can also be produced with little effort at any position. The model can also be used as a geological database for the project. All available geological and geotechnical information like maps, sections, borehole data and lab test results can be attached to the model. The generation of a geological 3D model will be explained through the example of the Karawanken Tunnel, northern section.
Vor Planung und Ausführung von Bauwerken ist es zuerst einmal notwendig, den Baugrund hinreichend zu verstehen. Wie in anderen Bereichen der Planung ist auch im Bereich Geologie/Geotechnik die dreidimensionale Modellierung im Vormarsch. Früher war man auf zweidimensionale Profile und Karten angewiesen, wobei es oft nicht ganz einfach war, sich im Kopf ein dreidimensionales Bild einer jeweiligen geologischen Situation vorzustellen. Heute können mit entsprechender Soft-und Hardware geologische 3D-Modelle relativ einfach erstellt und visualisiert werden. Diese tragen einerseits zum besseren räumlichen Verständnis von geologischen Verhältnissen bei. Andererseits werden eventuelle Ungereimtheiten im geologischen Modell sofort sichtbar. In die Modellierung können alle verfügbaren geologisch/geotechnischen Daten wie Kartierungen, Profilschnitte, Bohrkernaufnahmen, Laborergebnisse einfließen und für die Erstellung eines Modells herangezogen werden. Nach Erstellung eines geologischen 3D-Modells können Profilschnitte entlang jeder beliebigen Profilspur mit geringem Aufwand generiert werden. Die Erstellung eines geologischen 3D-Modells wird anhand des Projekts Karawankentunnel, 2. Röhre, Abschnitt Nord vorgestellt.

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