25/11/2015

Am Fachgebiet „Entwerfen und Konstruieren“ des Instituts für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin betreiben Mike Schlaich und sein Team werkstoffübergreifende Lehre und Forschung. Forschungsschwerpunkt ist der Leichtbau, wie wandelbare Tragwerke, Systeme der Bionik, Seile und Seilbrücken sowie der Infraleichtbeton. Dieses Gebiet betreuen Claudia Lösch und Alex Hückler im Rahmen ihrer Forschungsarbeit.

Dieser Artikel erscheint im Rahmen des GAT-Schwerpunkts Monolithisch Bauen.

25/11/2015

4-Punkt-Biegeversuche am Infraleichtbeton-Balken nach Versagen der Bewehrung

©: TU Berlin, FG Entwerfen und Konstruieren – Massivbau (Prof. Schlaich)

Historische Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Leichtbeton.
Quelle: Schlaich, M., Hückler, A.: Infraleichtbeton – Die Entwicklung zum Hochleistungsleichtbeton. Massivbau im Wandel (2014), S. 179–191.

Smart Material House, 2. Platz beim Global Holcim Award; Prototyp aus Infraleichtbeton

©: Barkow Leibinger Architekten

Eigenschaften der Infraleichtbeton-Rezepturen. Quelle: A. Hückler: Trag- und Verformungsverhalten von biegebeanspruchten Bauteilen aus Infraleichtbeton (ILC). Dissertation. Berlin 2016 (geplant).

Prototyp ILC-Balkon, INBIG

©: TU Berlin, FG Baukonstruktion und Entwerfen (Prof. Leibinger) / FG Entwerfen und Konstruieren – Massivbau (Prof. Schlaich)

Prinzip der multifunktionalen Wand: Hochfeste Schale und „infraleichter“ Kern sowie Kapillarrohrmatten mit warmen (rot) bzw. kaltem (blau) Wasser

©: TU Berlin, FG Entwerfen und Konstruieren – Massivbau (Prof. Schlaich)

Infraleichtbeton ist ein Hochleistungsleichtbeton, der gleichzeitig der Wärmedämmung und dem Lastabtrag dient und dabei den immer weiter steigenden Energieeinsparansprüchen gerecht wird. Dies ermöglicht eine monolithische, robuste und nachhaltige Bauweise in Sichtbeton auch für mehrgeschossige Bauten.
Die historische Entwicklung des Leichtbetons wurde durch verschiedene Ereignisse entscheidend geprägt. Die Erfindung des Drehofens (1902, Thomas Edison) brachte die Entwicklung leichter Zuschlagstoffe voran, während die Entwicklung von Betonzusatzmitteln (z.B. Fließmittel, Stabilisierer) in den 1970er Jahren eine gezielte Steuerung der Konsistenz ermöglichte. Die Ölkrise 1973 beeinträchtigte die Leichtbetonindustrie zunächst, das Interesse an dieser Technologie stieg jedoch später durch die Optimierung der Materialeigenschaften wieder erheblich an (1, 2) (vgl. 1. Bild linke Spalte). 
Heutzutage sind Leichtbetone im Sinne des EC2 (3) mit einer Trockenrohdichte zwischen 800 und 2000 kg/m3 geregelt. Solche Betone besitzen meist ein gutes konstruktives Potential aufgrund relativ hoher Festigkeiten, jedoch geht dies in der Regel mit begrenzten Wärmedämmeigenschaften einher. In Kombination mit den gestiegenen Anforderungen der Energieeinsparverordnung (4) beschränkt dies die Einsatzmöglichkeiten als monolithische Dämmbetone. Andere Leichtbeton-produkte, wie z.B. Poren- oder Gasbeton-Mauersteine, weisen wiederum eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, sind aufgrund von eher geringen Festigkeiten jedoch nur begrenzt für mehrgeschossige Bauten anwendbar (5). 
Dies stellte für das Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau der TU Berlin unter Leitung von Prof. Mike Schlaich die Motivation dar, den Infraleichtbeton (Infra-Lightweight Concrete (ILC)) zu entwickeln. Mit einer Trockenrohdichte unterhalb 800 kg/m3 weist er eine ungewöhnliche Kombination aus geringer Wärmeleitfähigkeit und guter Druckfestigkeit auf, die die Erstellung von mehrgeschossigen Bauten in Dämmbetonbauweise ermöglicht. Die Vorteile der monolithischen Bauweise sind dabei ebenso offenkundig wie vielfältig, allen voran die technisch einfache, robuste Konstruktionsweise bei gleichzeitig hohem architektonischen Gestaltungspotential durch Sichtbetonoberflächen.

Stand der Forschung

Die Infraleichtbeton-Forschung an der Technischen Universität Berlin begann mit den ersten Versuchen im Jahre 2007 und der Erstellung eines ersten Referenzgebäudes in Form eines Einfamilienhauses. Die Ergebnisse wurden in der Doktorarbeit von Mohamed El Zareef, „Conceptual and structural design of buildings made of lightweight and infralightweight concrete“ (6) im Jahr 2010 veröffentlicht. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden die Herstellung, die Eigenschaften und die konstruktive Durchbildung tragender Wände aus Infraleichtbeton untersucht.
Im Jahr 2012 gewann das „Smart Material House“ (7) den 2. Platz des weltweiten Holcim Awards für nachhaltiges Bauen. Für die IBA in Hamburg wurde in Zusammenarbeit von Barkow Leibinger Architekten, schlaich bergermann und partner und Transsolar Energietechnik mit der TU Berlin ein Wohnhaus basierend auf Infraleichtbeton-Fertigteilen (vgl. 2. Bild linke Spalte) entworfen.
Seither wurde die Entwicklung des Infraleichtbetons sukzessive vorangetrieben. Für eine Konfektionierung von Infraleichtbeton stehen mittlerweile verschiedene Rezepturen mit unterschiedlichen Trockenrohdichten zur Verfügung. Die Festigkeitseigenschaften sind im Vergleich zur ursprünglichen ILC-Rezeptur bei gleichwertigen Wärmedämmeigenschaften deutlich verbessert. Die heutigen Forschungstätigkeiten konzentrieren sich aktuell auf verschiedene Drittmittelprojekte: 

  • Das Trag- und Verformungsverhalten von biegebeanspruchten Bauteilen aus Infraleichtbeton wurde im Rahmen eines von der DFG geförderten Projektes untersucht. Die zugehörigen Ergebnisse werden voraussichtlich 2016 im Rahmen einer Doktorarbeit (8) veröffentlicht. 
  • Durch das Drittmittelprojekt „Infraleichtbeton im Geschosswohnungsbau (INBIG)“, gefördert durch die Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR), soll die Marktakzeptanz des Materials durch Aufzeigen des Potentials für den Geschosswohnungsbau gefördert werden. Durch einen Leitfaden sollen die Ergebnisse des Vorhabens für Planer von ILC-Projekten zugänglich gemacht werden.
  • Außerdem steht der Beginn des BMBF-Projekts „Multifunktionale Leichtbetonbauteile mit inhomogenen Eigenschaften“ an, das u.a. Aspekte wie lokales Steuern der Eigenschaften (insbesondere Porosität) von Infraleichtbeton, die Kombination mit Wandaktivierung und Vakuumisolation zum Thema hat. 

Im Folgenden werden diese Forschungsvorhaben vorgestellt.

Tragverhalten von bewehrten ILC-Bauteilen

In diesem DFG-geförderten Forschungsvorhaben wurde das Trag- und Verformungsverhalten von Biegebalken aus ILC untersucht und somit die Grundlagen für eine Bemessung erarbeitet. Dies beinhaltete neben der Untersuchung der Tragfähigkeit auch die Verformung und Duktilität sowie das Rissbildungsverhalten und das Mitwirken des Betons auf Zug. Übergeordnetes Ziel war es, einen wesentlichen Schritt in Richtung energieeffizientes und nachhaltiges Bauen, durch die Ermöglichung von monolithischen und gut recycelbaren Biegebauteilen aus ILC, zu gehen. 
In dem Versuchsprogramm musste zunächst das Zusammenwirken von ILC und Bewehrung erforscht werden. Dies erfolgte anhand von Ausziehversuchen und Stabzugversuchen. Im Anschluss wurden ILC-Balken hergestellt, um das Trag- und Verformungsverhalten zu untersuchen. Innerhalb der Versuchsreihen wurden der Betontyp (ILC600 bis ILC800), der Bewehrungsdurchmesser (8 und 12mm) und das Bewehrungsmaterial (Stahl, Glasfaserkomposit) variiert. Zur Aus- und Bewertung der Versuchsergebnisse wurden diverse Frisch- und Festbetoneigenschaften ermittelt. Diese sind in der Tabelle „Eigenschaften der Infraleichtbeton-Rezepturen“ (8) für die verschiedenen ILC-Güten zusammengefasst. (siehe Tabelle links)
Aus den Ergebnissen zum Verbundverhalten konnte ein allgemeingültiges Verbundgesetz von ILC entwickelt werden. Das Verbundverhalten ist abhängig vom sogenannten mesoskopischen Tragverhalten. ILC verhält sich eher spröde, wodurch das Verbundverhalten als „starr“ bezeichnet wird. Normalbeton verhält sich dagegen eher „weich“. Durch einen „starren“ Verbund werden Rissbreiten und Durchbiegungen klein gehalten, was durch die Stabzug- und Balkenversuche bestätigt werden konnte. Die durch die Norm gegebene Berechnungsmethode zur Bestimmung des Bemessungswerts der Verbundspannung liefert für ILC konservative Werte und kann somit angewendet werden.
Die Rissentwicklung bewehrter Betonbauteile ist eher zufälliger Natur. Um eine unplanmäßig große Rissbildung ausschließen zu können, spielen die Rissabstände und -breiten eine große Rolle. Die Stabzugversuche zeigten ein günstiges Rissverhalten, gekennzeichnet durch gleichmäßige Rissverteilung bestehend aus geringen Rissabständen und -breiten. Das günstige Rissverhalten konnte durch die Balkenversuche bestätigt werden. Wiederum liefern die bekannten Gleichungen aus der Norm, hier allerdings zur Bestimmung der Rissbreite, konservative Ergebnisse. 
Durch die Ergebnisse der Balkenversuche kann nun das Trag- und Verformungsverhalten wirklichkeitsnah beschrieben werden. Das bedeutet für die Praxis, dass mit Hilfe der entwickelten Berechnungsmethoden Biegebalken aus ILC dimensioniert werden können, in Hinblick auf die Tragfähigkeit, die maximal erforderlichen Durchbiegungen sowie die maximalen Rissbreiten. Außerdem konnte trotz des spröden Materialverhaltens ein duktiles Versagen beobachtet werden. Duktilität bedeutet eine Vorankündigung des Versagens bzw. das Ausschöpfen vorhandener Tragreserven durch plastische Verformungen. Duktiles Verhalten wird angestrebt, weil eine Versagensankündigung im Ernstfall eine Evakuierung oder Maßnahmen zur Ertüchtigung erlauben. Durch die Norm wird eine Mindestduktilität gefordert, die von ILC-Balken eingehalten wird.
Durch dieses Forschungsprojekt wurden neben dem Biegetragverhalten von ILC-Bauteilen umfassende Erkenntnisse zum Materialverhalten erlangt. Biegeträger sind ein wichtiger Bestandteil einer ILC-Fassade, weshalb es diese Lücke dringend zu schließen galt. Diese Arbeit dient als Grundlage einer Biegebemessung und erweitert somit für die Zukunft das Anwendungsspektrum von ILC.

Infraleichtbeton im Geschosswohnungsbau

Um die Akzeptanz und Anwendung von Infraleichtbeton in der Praxis zu unterstützen, wurde das zweijährige Forschungsvorhaben „Infraleichtbeton im Geschosswohnungsbau“ (INBIG) initiiert. Dabei untersucht ein interdisziplinäres Team aus Architekten (Fachgebiet Baukonstruktion und Entwerfen, Prof. Regine Leibinger) und Bauingenieuren (Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau, Prof. Mike Schlaich) der TU Berlin die architektonischen und baukonstruktiven Potentiale des Materials für den Einsatz im Geschosswohnungsbau. 
Im Rahmen des Projektes wurden zunächst für prägnante Typen des Geschosswohnungsbaus exemplarische Entwürfe erstellt, wobei das materialgerechte Entwerfen immer im Vordergrund stand. Betrachtet wurden die Baulückenschließung, der Zeilenbau und das Punkthaus. Dabei war die enge Zusammenarbeit zwischen Architekten und Bauingenieuren besonders wichtig, um die Fragestellungen aus den speziellen Eigenschaften des Infraleichtbetons entwurflich erörtern zu können.
Anhand der Typenentwürfe wurden verschiedene Parameter untersucht. Je nach Festigkeit der gewählten ILC Rezeptur wurden zum Beispiel realisierbare Geschosszahlen und mögliche Stützweiten von biegebeanspruchten Bauteilen wie Fensterstürzen ermittelt. Ein weiterer, wesentlicher Punkt war die Bestimmung von erforderlichen Wandstärken zur Einhaltung der Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV). Dabei wurde der zukünftige, verschärfte Energie-Standard für Neubauten der EnEV 2014 [4], gültig ab 01.01.2016, zugrunde gelegt. Die EnEV-Anforderungen wurden für alle typologischen Entwürfe mit ILC-Wandstärken zwischen 50 und 60cm erfüllt.
Im Anschluss an die Entwurfsphase wurden charakteristische Details ausgewählt und baukonstruktiv untersucht. Dabei ging es vorrangig um möglichst einfache, robuste Konstruktionen, die durch geringe Komplexität wenig fehleranfällig sind. Je nach Erfordernis wurden die Details bauphysikalisch berechnet und hinsichtlich ihrer Wärmebrückenwirkung optimiert. Einige der untersuchten Bauelemente wurden als Prototypen im Maßstab 1:1 gebaut. Das 4. Bild in der linken Spalte zeigt exemplarisch  einen Balkon aus Infraleichtbeton, der direkt, ohne zusätzliches Element zur thermischen Trennung, in der innenliegenden Geschossdecke aus Normalbeton rückverankert wird. 
Die in den verschiedenen Projektphasen gewonnenen Erkenntnisse werden nun abschließend in einem Leitfaden gebündelt. Dieses Dokument soll Planern, Bauherren und Bauunternehmen als grundlegendes Werkzeug für den Umgang mit Infraleichtbeton dienen und dessen Anwendungsspektrum und architektonisches Potential aufzeigen.

Ausblick auf multifunktionale Leichtbetonbauteile mit inhomogenen Eigenschaften

In allen Bereichen werden die Energie- und Ressourceneffizienz sowie die damit verbundene Nachhaltigkeit immer wichtiger. Der Bau und der Betrieb von Gebäuden sind in der Regel mit sehr großem Energie- und Materialaufwand verbunden. Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerungen bietet der Einsatz von High-Tech-Baustoffen, um Materialien besser auszunutzen. Die Materialeigenschaften werden in Bauteilen so angepasst, dass sie der geforderten Funktion entsprechen (performance follows function).
Ausgangspunkt ist der Infraleichtbeton, dessen bisherige Forschungsarbeit eine solide Grundlage für dieses geplante Vorhaben bietet. In einem multidisziplinären Team werden konstruktive Ingenieure, Materialtechnologen, Bauphysiker und Partner aus der Industrie Leichtbeton-Wände mit weiteren Funktionalitäten versehen. 
In diesem Verbundvorhaben wird in Zusammenarbeit mit HeidelbergCement, Sika Deutschland, Transsolar Energietechnik und schlaich, bergermann und partner das Problem einer bisher nicht-anpassungsfähigen Gebäudehülle an die Umwelteinflüsse adressiert. Vorbild soll hier die menschliche Haut sein, die durch Wärmen, Kühlen und sogar Beatmen wichtige Funktionen, nicht nur für die Behaglichkeit, übernimmt. Für bisherige Bauweisen würde es im übertragenen Sinne zum Vorbild der Haut bedeuten, ganzjährig eine Winterbekleidung zu tragen. Dem gegenüber sollen nun monolithische Wandaufbauten mit inhomogenen Eigenschaften entwickelt werden, die nicht nur wärmen, kühlen und atmen können, sondern darüber hinaus auch Schadstoffe durch Photokatalyse zersetzen.
Durch die Vermeidung von mehrschichtigen Wandkonstruktionen werden die Bauabläufe vereinfacht und somit auch Kosten einspart, Wartungsarbeiten nahezu ausgeschlossen und das Rezyklieren nach dem Rückbau vereinfacht. Für die Erschließung neuer Geschäftsfelder werden hierbei auch baupraktische Aspekte, angemessene Bauteilabmessungen und Herstellungskosten mit einbezogen. Durch das Vorhaben wird eine ganzheitliche Lösung für eine Bauweise angestrebt, die ressourcensparend, umweltfreundlich, funktional, ästhetisch, rezyklierbar und nachhaltig ist.


Literatur

(1) ESCSI: Lightweight Concrete - History, Applications, Economics. USA 1971.

(2) M. Schlaich, A. Hückler: Infraleichtbeton – Die Entwicklung zum Hochleistungsleichtbeton. Massivbau im Wandel (2014), S. 179–191.

(3) DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau; Deutsche Fassung EN 1992-1-1:2004 + AC:2010. Berlin: Beuth Verlag (31.01.2011).

(4) Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden. EnEV 2014 2014.

(5) P. Filipaj: Architektonisches Potenzial von Dämmbeton. Zürich: vdf-Hochschulverl 2010.

(6) Zareef, M. A. M. E. (Hg.): Conceptual and structural design of buildings made of lightweight and infra-lightweight concrete 2010.

(7) o. V.: “House of cards” with smart materials wins Global Innovation prize. http://www.holcimfoundation.org/Article/house-of-cards-with-smart-materi..., September 2013.

(8) A. Hückler: Trag- und Verformungsverhalten von biegebeanspruchten Bauteilen aus Infraleichtbeton (ILC). Dissertation. Berlin 2016 (geplant).

Netzwerktreffen
16. + 17.11.2023
 
GAT+