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Sakrale Anmutung: der Rosenstein-Pavillon im Schloss Rosenstein, Teil der Sonderausstellung "baubionik – biologie beflügelt architektur"

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ILEK Universität Stuttgart, Gabriela Metzger

Ausgabe 2/2018Thema: Zukunft

Weniger ist mehr

Forschungsbereich „Gradientenbeton“

Der Knochen als Vorbild für den idealen Leichtbau: Gradientenbeton ist eine intelligente Innovation mit großem Potenzial für die weitere Entwicklung des nachhaltigen Bauens. Die Anwendung verspricht der Baubranche die Chance, ökologische und ökonomische Vorteile im Vergleich zu bestehenden Technologien zu erzielen und gleichzeitig zur Senkung der Treibhausgasemissionen beizutragen.

Wie man mit einem Minimum an Materialeinsatz ein Maximum an Tragfähigkeit erreicht? Die Natur macht es vor: Betrachtet man den Längsschnitt eines Oberschenkelknochens, sieht man das Geheimnis des knöchernen Leichtbaudesigns – „gradierte“ Verzweigungen (Spongiosa). Dort, wo große Beanspruchungen auf den Knochen wirken, ist eine hohe Materialdichte vorhanden, dort, wo nur geringe Beanspruchungen wirken, ist ein Hohlraum. „Phänomenal!“, findet das Dr. Walter Haase, Leiter der Arbeitsgruppe „Leichtbau und Adaptive Systeme“ am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart. „Dieses Prinzip kann man ganz wunderbar auf das Bauwesen übertragen. Nehmen wir als Beispiel eine rund 30 Zentimeter starke Betondecke. Dieses Bauteil trägt die Last primär über Biegung ab. Die Folge ist eine druckbeanspruchte Zone im oberen Bereich des Querschnitts und eine zugbeanspruchte Zone am unteren Querschnittsrand. Der ganze Bereich dazwischen ist eigentlich nur tote Masse und letztlich unnötig verbrauchtes Material“, so Haase. „Durch die Entwicklung von gradierten und damit leichteren Bauteilen auf mineralischer Basis ergeben sich deutliche Vorteile bezüglich des Recyclings. Das Bauwesen könnte durch die Anwendung der Gradientenbetonbauweise zu einer signifikanten Reduktion des weltweiten Ressourcenverbrauchs, des Müllaufkommens, der Emissionen und des Energieverbrauchs beitragen.“ Gute Aussichten, wenn man bedenkt, dass unsere gebaute Umwelt nicht nur für circa 35 Prozent des Energieverbrauchs und 35 Prozent der Emissionen verantwortlich ist, sondern auch für 60 Prozent des Ressourcenverbrauchs und – zumindest in Zentraleuropa – für mehr als 50 Prozent des Massenmüllaufkommens.

Die Technologie von funktional gradierten Bauteilen wird seit dem Jahr 2000 am ILEK in mehreren Forschungsvorhaben auf breiter Ebene vorangetrieben. Das Grundkonzept ist ursprünglich eine Entwicklung der Luft-und Raumfahrttechnik. Zahlreiche Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Festigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte, können durch die stufenlose Änderung der Porosität in einem weiten Spektrum variiert (gradiert) werden. „Üblicherweise bestehen Betonwände oder -decken aus einer homogenen Betonrezeptur gleicher Festigkeit und Dichte. Eine Gradierung der Eigenschaften ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen abzustimmen“, erklärt Walter Haase. Hoch beanspruchte Zonen werden dabei mit höherfesten Betonen belegt. In niedrig beanspruchten Zonen werden porige Betone angeordnet, mit einer der Beanspruchungshöhe kontinuierlich oder in Stufen angepassten Porosität – bis hin zum Einsatz von mineralischen Hohlkugeln unterschiedlicher Größe. „Wichtig: Der Übergang zwischen den verschiedenen Bereichen ist fließend. In wenig beanspruchten Bereichen können leichte Betonmischungen eingesetzt werden, um damit Masse einzusparen“, so Haase.

Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart

Die Entwicklung neuer Tragstrukturen ebenso wie die Optimierung des Bauteilinnenraums ist einer der wissenschaftlichen Schwerpunkte des Instituts für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart. Das Team rund um den Institutsleiter Werner Sobek spannt seinen Forschungsbogen vom Bauen mit Textilien und Glas über neue Strukturen aus Stahlbeton oder faserbewehrtem Beton bis hin zum Ultraleichtbau und zu adaptiven Systemen. Ob kleines Detail oder Gesamtentwurf: Der Fokus der Forschung liegt stets auf der Optimierung von Form und Konstruktion im Hinblick auf Material- und Energieverbrauch, Dauerhaftigkeit, Zuverlässigkeit, Recyclingfähigkeit und Umweltverträglichkeit. HeidelbergCement ist seit Mai 2017 Forschungspartner im Projekt „Gradientenbetonwand“ und unterstützt die Universität Stuttgart unter anderem mit Know-how aus den Bereichen Werkstoffmischung sowie Spritzbetontechnologien.

Funktional gradierte leichte Betonschale

Die funktionale Gradierung ist ein bionisches Optimierungskonzept, das in den 1970er Jahren in Form sogenannter Gradientenwerkstoffe auf technische Anwendungen übertragen wurde. Werner Sobek führte dieses Prinzip mit der Gradientenbetontechnologie im Bauwesen ein. Dabei wird die innere Struktur eines Bauteils mit einer festgelegten äußeren Geometrie so variiert, dass bei minimaler Masse die geforderte Tragfähigkeit erreicht wird. Betone unterschiedlicher Dichte und Festigkeit werden dabei im Bauteilinneren entsprechend der statischen und bauphysikalischen Anforderungen gradiert im Übergang eingesetzt. Die Porosierung von Beton erfolgt dabei durch die Verwendung poröser Leichtzuschläge und/oder das Einbringen zusätzlicher Luftporen in die Zementmatrix. Der kürzlich im Rahmen einer Ausstellung in Stuttgart gezeigte Rosenstein-Pavillon ist der erste Prototyp eines Schalentragwerks, bei dem durch eine entsprechende Variation von Aussparungen in Anordnung und Größe das Prinzip der Gradierung umgesetzt wurde. Die Schale wurde als fliegender Bau bestehend aus 69 Einzelteilen konzipiert und verwendet 40 Prozent weniger Material als eine herkömmliche Schale aus massivem Beton – bei gleicher Tragfähigkeit!

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Filigran wie Hühnereier: Mineralische Hohlkugeln, die am ILEK im Schleuderverfahren hergestellt werden

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© HeidelbergCement (Steffen Fuchs)

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Dr. Walter Haase, Leiter der Arbeitsgruppe „Leichtbau und Adaptive Systeme“ am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart

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© HeidelbergCement (Steffen Fuchs)

Geschossdecken und Außenwände haben sich als besonders relevant für die Anwendung der Gradientenbetontechnologie erwiesen. Haase: „Mögliche weitere Anwendungsbereiche sind, neben vorwiegend biegebeanspruchten Bauteilen wie Balken und Platten, auch Stützen sowie Schalentragwerke und Bauteile mit freier Geometrie.“

Bei der Herstellung von Gradientenbeton wird der Beton nicht wie üblich in eine Schalung gegossen und gleichmäßig verteilt, sondern je nach gewünschter Dichteverteilung mit einem Sprühkopf im Bauteil eingebracht. „Die Entwicklung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung gezielter Eigenschaftsgradienten stellt dabei eine große Herausforderung dar“, erklärt Haase. „Schließlich fanden wir heraus: Die Sprühtechnik weist gegenüber schichtweisen Gießtechniken eine Reihe von Vorteilen auf. Während bei gegossenen Betongradienten das Verdichten zu einer Aufhebung des vormals kontrolliert eingestellten Gradienten führen kann, kann bei Anwendung der Gradientensprühtechnik eine weitere Verdichtung entfallen, da der Beton bereits durch den Aufprall verdichtet wird“, erklärt der studierte Raumfahrtingenieur Haase.

„Eine Gradierung ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen abzustimmen.“


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Gradientenbeton-Modell: Je nach lokalen Anforderungen werden die Materialeigenschaften im Bauteil geändert (gradiert).

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Atelier Axel Nieberg

Für die dreidimensionale Gradierung von Bauteilen werden am ILEK und den in den unterschiedlichen Forschungsprojekten kooperierenden Instituten (Systemdynamik (ISYS) sowie Werkstoffe im Bauwesen (IWB)) eigens entwickelte Zweidüsen-Trockenspritzverfahren sowie ein Eindüsen-Nassspritzverfahren angewendet. Zudem lassen sich die Verfahren automatisieren und sowohl im Fertigteilwerk wie auch auf der Baustelle – dort mithilfe der Großraumrobotik – umsetzen.

Durch die Arbeiten des ILEK wird es wahrscheinlich schon in naher Zukunft möglich sein, funktional gradierte Betonbauteile wirtschaftlich im Bauwesen einzusetzen. Gradientenbetonbauteile können somit einen signifikanten Beitrag zur Entwicklung eines nachhaltigen Bauens schaffen. In Hochrechnungen zu funktional gradierten Geschossdecken aus Beton konnte eine Massenersparnis von mehr als 50 Prozent und eine deutliche Kohlenstoffdioxid–Reduktion im Vergleich zur Produktion herkömmlicher Flachdecken nachgewiesen werden. Conny Eck

Links

www.uni-stuttgart.de/ilek

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