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2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

7. Simulationsstudie zur Analyse druckzeitbeeinflussender Prozessparameter

verfasst von : Martin Krause

Erschienen in: Baubetriebliche Optimierung des vollwandigen Beton-3D-Drucks

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Beton-3D-Druckverfahren werden erhebliche wirtschaftliche Einsparpotenziale gegenüber etablierten Bauverfahren bescheinigt. Die Automatisierung hat einerseits zur Folge, dass die Lohnkosten stark vermindert werden. Andererseits erhöhen sich die Gerätekosten durch zusätzliche Investitionen in die Baumaschine.

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Fußnoten
1
Schulz 2017a; VDI 3633, S. 30.
 
2
VDI 3633, S. 28.
 
3
VDI 3633, Blatt 1, S. 5.
 
4
Law 2007, S. 4; Weiterführend mit Beispielen: März et al. 2011.
 
5
Vergleiche DIN 277-1: „Für die Ermittlung der Brutto-Grundfläche sind die äußeren Maße der Bauteile […] in Höhe der Boden- bzw. Deckenbelagsoberkanten anzusetzen.“
 
6
Als Brutto-Wandhöhe wird hier die Wandhöhe im Rohbau bezeichnet. Durch Fußbodenaufbauten oder Deckenbekleidungen ist die sichtbare Wandhöhe nach den Ausbauarbeiten in der Regel geringer.
 
7
UK bedeutet Unterkante.
 
8
OK bedeutet Oberkante.
 
9
mit:
\({a}_{B}\text{: gleichm}\ddot{\rm{a}}{\ss}\text{ige Beschleunigung} \qquad {s}_{B}\text{: Weg der gleichm}\ddot{\rm{a}}{\ss}\text{ig beschleundigten Bewegung} \)
\({a}_{V}\text{: gleichm}\ddot{\rm{a}}{\ss}\text{ige Verz}\ddot{\rm{o}}\text{gerung}\;\;\;\;\, \qquad {s}_{G}\text{: Weg der gleichf}\ddot{\rm{o}}\text{rmigen Bewegung} \)
\( \upnu \text{: Geschwindigkeit} \;\;\; \qquad \qquad \qquad \qquad \quad {s}_{i}\text{: Kantenl}\ddot{\rm{a}}\text{nge} \)
\( \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \quad \qquad \qquad \qquad \qquad {s}_{V} \text{: Weg der gleichm}\ddot{\rm{a}}{\ss}\text{ig verz}\ddot{\rm{o}}\text{gerten Bewegung} \)
 
10
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Annahmen zur Beschleunigung und Verzögerung gleichermaßen für Druck- und Flugwege angesetzt. Eine differenzierte Betrachtung der gleichmäßigen Beschleunigung und Verzögerung von „Druck“ und „Flug“ ist hier nicht zielführend, da der Einfluss auf das Gesamtergebnis vernachlässigbar ist.
 
11
Die Bezeichnung öffnungsbereinigter Grundriss bedeutet hier, dass der Grundriss ohne Berücksichtigung jeglicher Wandöffnungen zugrunde gelegt wird.
 
12
Die realistischen Ansätze gemäß Abschnitt 7.3 sind:
– gedruckte Schichthöhe: hs = 5,0 cm,
– maximale Druckgeschwindigkeit: νD = 100 mm/s,
– maximale Fluggeschwindigkeit: νF = 200 mm/s,
– gleichmäßige Beschleunigung und Verzögerung: aB = aV = 200 mm/s2,
– Zeitansätze für Störstellen gemäß Abschnitt 7.3.3.
 
13
Berechnungsformel: (1.354,97 min − 1.334,11 min) ÷ 1.354,97 min · 100 % =  +1,54 %.
 
14
Vergleiche Tabelle 7.9, Methode b): Beim Schichtwechsel von DB I zu DB II wird der Druckpfad be reits mit Einzelweg Nr. 4 die Druckroute geändert. So werden die folgenden unteren Schichten eher mit der neuen Schicht belastet.
 
15
Im DA I wird eine Wandlänge von ca. 39,8 lfm (55 %), im DA II eine Wandlänge von 33,0 lfm (45 %), erzeugt.
 
16
Entscheidung jeweils „ja“ im Flussdiagramm, siehe Abbildung 5.​11.
 
17
Nerella et al. 2020. Die Werte divergieren je nach Betonrezeptur.
 
18
Dem gegenüber wären die zuvor genannten Zeitgrenzen beim Druck des vollständigen Grundrisses (vergleiche Abschnitt 7.4.2) nicht eingehalten, was unweigerlich zu einer Teilung des Grundrisses führen würde.
 
19
Berechnungsformel: (1.390,13 min − 1.354,97 min) ÷ 1.390,13 min · 100 % =  +2,55 %.
 
20
Nach aktuellen Schätzungen könnte ein zusätzlicher Zeitaufwand von 60 min (30 min Einrichtung und 30 min Reinigung/Räumung) pro Arbeitstag realisierbar sein. Damit ergibt sich eine Erhöhung der Gesamtdruckzeit durch die Teilung in DA I und DA II um 95 min, 23 s (+6,6 %).
 
21
Weiterführend VDI 3633.
 
22
gewählt αB = αV = 200 mm/s2
 
23
Vergleiche Tabelle 7.11, Abschnitt 7.4.4.1: tF + tST = 144,59 min + 562,79 min = 707,38 min; tD = 0.
 
24
Berechnungsformel: (1.985 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % =  +46,5 %.
 
25
Berechnungsformel: (1.148 min ÷ 1.355 min − 1)  · 100 % = −15,3 %.
 
26
Berechnungsformel: (1.048 min ÷ 1.355 min – 1) ‧ 100 % = –22,7 %.
 
27
Berechnungsformel: ( 953 min ÷ 1.355 min – 1) ‧ 100 % = –29,7 %.
 
28
vergleiche Tabelle 7.11, Abschnitt 7.4.4.1.
 
29
Berechnungsformel: (1.482 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % =  +9,4 %.
 
30
Berechnungsformel: (1.317 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % = −2,8 %.
 
31
Berechnungsformel: (1.293 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % = −4,6 %.
 
32
Vergleiche Tabelle 7.11, Abschnitt 7.4.4.1.
 
33
Berechnungsformel: (1.636 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % =  +20,7 %.
 
34
Berechnungsformel: (1.074 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % = −20,7 %.
 
35
Berechnungsformel: (1.186 min ÷ 1.355 min − 1) · 100 % = −12,5 %.
 
36
Berechnungsformel: (3.294 min ÷ 1.355 min – 1) ‧ 100 % = +243 %.
 
37
Berechnungsformel: (863 min ÷ 1.355 min – 1) ‧ 100 % = –36,3 %.
 
38
Berechnungsformel: (701 min ÷ 1.355 min – 1) ‧ 100 % = –48,3 %.
 
39
Hypothetische Grenzwertbetrachtung: Sollte es theoretisch möglich sein, beliebig hoch zu drucken, ist es vorstellbar, jeweils einen Druckbereich (DB) in einem Zug zu drucken. Aus den vier DB ergeben sich 4 zu druckende Schichten. Dies würde eine Gesamtdruckzeit von t = tS DB I + tS DB II + tS DB III + tS DB IV = 23,16 min + 24,82 min + 23,15 min + 21,27 min = 92,4 min ergeben.
 
40
hRest bedeutet Resthöhe der Schicht.
 
41
hAS ist die Höhe der Ausgleichsschicht.
 
42
In der Praxis wird es sinnvoll sein, vor dem Erreichen des Druckbereichswechsels die Höhen der letzten beiden Schichten anzupassen. Hier würden die letzten beiden Schichten hLS1 = hLS2 = 65 mm betragen. Eine andere Möglichkeit ist es, hier nur die letzte Schicht mit hRest = 20 mm zu drucken. Auch in diesem Fall muss der Druckkopf ganze 9 Mal den gegebenen Druckpfad abfahren.
 
43
Für den Fall der Anpassung der letzten beiden Schichten ergeben sich 6 volle Schichten und zwei Schichten mit hAS = 90 mm (= (120 mm + 60 mm) ÷ 2). Trotzdem wird der Druckkopf 8 Mal den gegebenen Druckpfad abfahren.
 
44
Hier die Erhöhung der Druckgeschwindigkeit νD, der Fluggeschwindigkeit νF oder der Schichthöhe hS sowie die Reduzierung der Zeitansätze für die Störstellen tST.
 
45
Zukünftig sind maschinentechnische Lösungen des Druckkopfes wünschenswert, die Störstellen ohne Stillstandzeiten drucken.
 
46
Für die Ergebnisbereiche wurden absichtlich ungleiche Intervalle gewählt. So sind die Erkenntnisse besser verständlich.
 
47
5.000 min = 83,3 h; 2.500 min = 41,7 h; 1.500 min = 25,0 h; 1.000 min = 16,7 h; 700 min = 11,7 h; 500 min = 8,3 h.
 
48
Berechnungsformel: (1.165 min ÷ 2.432 min – 1) ‧ 100 % = –52 %.
 
49
von hS = 40 mm auf hS = 90 mm; Es ergibt sich eine Gesamtdruckzeit von 1.129 min.
 
50
Da der Start- und Endpunkt des Druckpfades bei der Erstellung einer Schicht gleich sind, kann von einer Rundtour oder einem Kreis (vergleiche Abschnitt 6.​2.​1) gesprochen werden. Hier wird dafür der Begriff „Umrundung“ verwendet.
 
51
Trotzdem sind die unteren Grenzwerte der Druckgeschwindigkeit νD gemäß Abschnitt 7.4.4.2 zu berücksichtigen.
 
52
Z. B. in Kassel 2016; Olesen 2006; BKI Baukosteninformationszentrum 2019.
 
53
Siehe BKI Baukosteninformationszentrum 2019, S. 151: LB 012 Pos. 17: Innenwand, tragend aus KS Planstein, 24 cm.
 
54
Siehe BKI Baukosteninformationszentrum 2019, S. 149: LB 012 Pos. 10: Innenwand aus Mauerziegel (Vollziegel), 24 cm, mit Stoßfugenvermörtelung.
 
55
Bei 3 DA wird der Grundriss zweimal geteilt. Dafür werden jeweils 2,55 % der Gesamtdruckzeit beaufschlagt. Auf jeden Arbeitstag (hier 3 DA, deshalb 3 Arbeitstage) fallen zusätzlich 30 min für die Einrichtung und 30 min für die Reinigung der Maschine an.
 
56
Der Verzweigungsgrad kommt als Begriff z. B. in der makromolekularen Chemie vor. Dort gibt er den Grad der Verzweigung von Seitenarmen auf die Größe eines Makromoleküls an. Im Bauwesen wird der Begriff bisher nicht verwendet.
 
57
Es ist nicht unbedingt erforderlich, da VZ in Abhängigkeit der BGF gebildet wird. Aber es vereinfacht an dieser Stelle die Untersuchung und macht sie verständlicher.
 
58
Die Funktion und abgeleitete Formel dient als Annäherung. Sie ist bezüglich Ihrer Einheiten nicht dimensionsrein.
 
59
tFE: Zeit für ein freies Ende
tVD: Verzögerungszeit von max. Druckgeschwindigkeit bis Stillstand
tBF: Beschleunigungszeit von Stillstand bis max. Fluggeschwindigkeit
tVF:Verzögerungszeit von max. Fluggeschwindigkeit bis zum Stillstand
tBD: Beschleunigungszeit von Stillstand bis max. Druckgeschwindigkeit
 
60
tGF:Zeit für die gleichförmige Flugbewegung
 
61
SÖff und SSturz sind gemäß Abschnitt 7.2.2 immer ganzzahlig aufzurunden. Dies wird durch die Anpassung der Schichthöhen im Bereich der Brüstung, der Auflager und des OK Sturz bedingt, vergleiche Abschnitt 5.​2.​4
 
62
Basierend auf den realistischen Eingangsdaten aus Abschnitt 7.3.
 
63
Berechnung: (550 min ÷ 534 min − 1) · 100 % =  +3,0 %.
 
64
Gemäß Abschätzung aus Abschnitt 7.4.3 ergibt sich eine Erhöhung der Gesamtdruckzeit um ca. 6,6 %.
 
65
Brutto-AW beinhalten Bauwerksöffnungen und zusätzliche Zeiten der Druckmaschine für z. B. arbeitstägliches Einrichten und Reinigen, vergleiche Abschnitt 7.4.5.2.
 
Metadaten
Titel
Simulationsstudie zur Analyse druckzeitbeeinflussender Prozessparameter
verfasst von
Martin Krause
Copyright-Jahr
2021
Buch
Baubetriebliche Optimierung des vollwandigen Beton-3D-Drucks

Print ISBN: 978-3-658-33416-1

Electronic ISBN: 978-3-658-33417-8

Copyright-Jahr: 2021

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-33417-8_7