Zero-waste sand formworks for lightweight concrete structures

Abstract

To address the growing urgent need to reduce resource consumption, embodied energy, and waste in construction, this thesis presents a new method for the zero-waste production of lightweight concrete structures using water-soluble sand formwork. The application of lightweight construction principles allows the creation of efficient and expressive structures with minimal material consumption and, consequently, an ecological footprint. Due to its ability to take any conceivable shape, concrete provides architects and engineers with virtually unlimited design freedom and is ideal for putting these principles into practice. However, despite the wide availability of design solutions known since the middle of the 20th century, lightweight concrete structures are still not widely used due to the lack of adequate sustainable production methods. This often involves formwork manufacturing, which is still labor-intensive and wasteful and accounts for over two-thirds of the production budget. Digital production methods, such as additive and subtractive manufacturing, enable highly precise creation of geometrically complex objects. However, their broader application in formwork production is limited by their narrow specialization in the types of geometry produced, the generation of waste during processing, and the use of toxic and non-recyclable formwork materials. Therefore, the emergence of a flexible and environmentally friendly formwork method suitable for producing geometrically complex structures is necessary for the broader application of lightweight construction with concrete. Offering a comprehensive approach to the above-described problem, this thesis proposes a novel zero-waste technology to produce lightweight concrete structures using additive manufacturing of a specially developed water-soluble sand and binder mixture. The powder-bed-based 3D printing of granular materials gives the greatest freedom in terms of geometric complexity, while the water-soluble nature of the formwork material mix allows it to be fully recycled after casting and reused in further production cycles. Following the overall goal of promoting lightweight concrete construction, this technology also has an inverse effect on designing lightweight structures. It makes it possible to realize structural morphologies that would be inefficient or even impossible to produce with conventional formwork methods. The water solubility of the formwork material allows the creation of structures with geometrically complex external shapes and internal configurations. This enables not only improved structural performance but also the integration of other functional elements, such as MEP systems, acoustic and thermal insulation. The work on the thesis includes the conceptualization of a closed-loop production cycle, the creation of an automated manufacturing process based on 3D printing of sand molds with a specially developed material mix, and the development of necessary accompanying CAD-CAM tools. The proposed technology is validated in the production of formworks for lightweight concrete structures of various scales, from small-scale prototypes to architectural demonstrator. Als Antwort auf die dringende Notwendigkeit, den Ressourcenverbrauch, die graue Energie und den Abfall im Bauwesen zu reduzieren, wird in dieser Dissertation eine neue Methode zur abfallfreien Herstellung leichter Betonstrukturen mit wasserlöslichen Sandschalungen vorgestellt. Die Anwendung der Leichtbauprinzipien ermöglicht es, effiziente und ausdrucksstarke Bauwerke mit minimalem Materialeinsatz und somit geringem ökologischen Fußabdruck zu schaffen. Aufgrund seiner Fähigkeit, jede denkbare Form anzunehmen, bietet Beton Architekten und Ingenieuren eine nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit und eignet sich ideal für die Umsetzung die-ser Prinzipien in die Praxis. Trotz der seit Mitte des 20. Jahrhunderts bekannten gestalterischen Möglichkeiten sind Leichtbaukonstruktionen aus Beton jedoch noch nicht weit verbreitet, da es an geeigneten nachhaltigen Produktionsmethoden mangelt. Dies betrifft häufig die Schalungsherstellung, die nach wie vor arbeitsintensiv und verschwenderisch ist und mehr als zwei Drittel des Produktionsbudgets ausmacht. Digitale Produktionsverfahren wie additive und subtraktive Fertigung ermöglichen die hochpräzise Herstellung geometrisch komplexer Objekte. Ihre breitere Anwendung in der Schalungsproduktion wird jedoch durch ihre enge Spezialisierung auf die Art der hergestellten Geometrien, die Entstehung von Abfällen während der Verarbeitung und die Verwendung von toxischen und nicht wiederverwertbaren Schalungsmaterialien eingeschränkt. Daher ist die Entwicklung einer flexiblen und umweltfreundlichen Schalungsmethode, die für die Herstellung geometrisch komplexer Strukturen geeignet ist, für eine breitere Anwendung leichter Betonstrukturen im Bauwesen erforderlich. Um einen umfassenden Ansatz für die oben beschriebene Problematik zu finden, wird in dieser Dissertation eine neuartige abfallfreie Technologie zur Herstellung leichter Betonstrukturen mittels additiver Fertigung einer speziell entwickelten wasserlöslichen Sand- und Bindemittelmischung vorgeschlagen. Der pulverbettbasierte 3D-Druck von granularen Materialien bietet die größte Freiheit hinsichtlich der geometrischen Komplexität, wobei die Wasserlöslichkeit des Schalungsmaterials ein vollständiges Rezyklieren nach dem Gießen und die Wiederverwendung in weiteren Produktionszyklen ermöglicht. Im Hinblick auf das übergeordnete Ziel, den Leichtbau mit Beton zu fördern, hat diese Technologie auch einen umgekehrten Effekt auf den Entwurf von Leichtbaustrukturen aus Beton. Sie ermöglicht die Realisierung von Strukturtypologien, die mit konventionellen Schalungsmethoden ineffizient oder gar nicht realisierbar wären. Die Wasserlöslichkeit des Schalungsmaterials erlaubt die Herstellung von Strukturen mit geometrisch komplexen Außenformen und Innenstrukturen. Dies ermöglicht nicht nur eine verbesserte strukturelle Wirkung, sondern auch die Integration anderer Funktionssysteme, wie z.B. MEP-Systeme, verbesserte Schall- und Wärmedämmung etc. Die Dissertation umfasst die Konzeption eines geschlossenen Produktionszyklus, die Entwicklung eines automatisierten Herstellungsprozesses basierend auf dem 3D-Druck von Sandformen mit einer speziell entwickelten Materialmischung und die Implementierung der notwendigen begleitenden CAD-CAM-Werkzeuge. Die vorgeschlagene Technologie wird bei der Herstellung von Schalungen für leichte Betonstrukturen in verschiedenen Größenordnungen, von kleinen Prototypen bis hin zu architektonischen Demonstrationsobjekten, validiert.