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Form Follows Force: Innovative Beton-Knotenelemente

In der Geschichte der Architektur existierte noch nie eine solche Fülle an Baustoffen und Materialien. Gleichzeitig eröffnen computergestützte Planungs- und Produktionsverfahren bei der Verwendung und Fügung neue Perspektiven. Das Forscherteam der Institute für Tragwerksentwurf (ITE) und für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB), Fachgebiet Baustoffe, der TU Braunschweig zeigt, dass leichte Strukturen aus hochfestem und ultrahochfestem Beton konstruktionstechnisch effektiv sein können und gleichzeitig ästhetischen Gestaltungsansprüchen gerecht werden. Die leichten Knotenelemente für Stabtragwerke aus ultrahochfestem, faserverstärkten Beton (UHPFRC) wurden nach dem Ansatz „form follows force“ entwickelt und gliedern sich damit in eine Reihe von aktuellen Forschungsprojekten ein, die dadurch den Material- und Ressourceneinsatz auf das Minimum reduzieren. 

Bildrechte: ITE
Bildrechte: ITE/ Ernst & Sohn
Bildrechte: ITE

In Zukunft wird der ressourcenschonende Umgang mit Rohstoffen auch in der Bauwirtschaft eine zunehmende Rolle spielen. Neben der Nachhaltigkeit stehen insbesondere die wirtschaftlichen Konsequenzen im Vordergrund. Die Chance, beides zu verknüpfen, liegt in der Zusammenführung der Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Materialtechnologie mit denen der digitalen Planung und Fertigung. Statt einfacher, aber materialintensiver Lösungen wird es, so sind sich die Braunschweiger Ingenieure und Architekten sicher, künftig darum gehen, inwieweit sich Material durch strukturelle Effizienz einsparen lässt. Entgegen des gewaltigen digitalen Entwicklungsschubs finden bisher bei Tragkonstruktionen und Fügetechniken oftmals nur simple, materiallastige Konzepte ihre Anwendung. Das Bauwesen ist noch vom Standard der industriellen Fertigung und dem verbundenen Einsatz auf der Baustelle geprägt. Als Ergebnis entstehen möglichst einfache Geometrien und Fügungen, die Tragkonstruktionen sind meist aus geraden biegebeanspruchten, masseintensiven Bauteilen zusammengesetzt. Mit dem Ziel, den Einsatz von Material und Energie zu minimieren und gleichzeitige gestalterisch neue Wege zu gehen, beschäftigt sich das ITE mit der Fragestellung, wie nachhaltige Fügetechniken bei ultrahochfestem Beton aussehen können. Der Fokus des Forschungsprojekts „Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkselemente aus UHPC“ liegt dabei auf massereduzierten und ressourcenschonenden Ergebnissen, die sich dennoch im Planungs- und Baualltag bewähren.

Bildrechte: ITE/ Ernst & Sohn

Die Forscher nutzen die neuesten Erkenntnisse im Bereich von UHPC und verbinden sie mit neuartigen Möglichkeiten der CNC-gesteuerten Fertigungstechnik für Schalungsbau und Nachbearbeitung in einem digitalen Arbeitsprozess. Hierzu werden Einzelbauteile und ihre Fügemechanismen aus UHPC entworfen, mittels FEM-Berechnung optimiert und durch Traglastversuche überprüft. FEM steht für Finite Element Methode und beinhaltet die Kontrolle sämtlicher physikalischer Eigenschaften am virtuellen Prototypen. Dadurch können Schwachstellen bereits in der Entwurfsphase ermittelt und bearbeitet werden. Auf diese Weise entstanden struktureffiziente Fügekörper, bei denen nur dort Material verwendet wird, wo dieses auch zum Lastabtrag benötigt wird. Als erste exemplarische Anwendungen entwickelten die Forscher von ITE  und iBMB der TU Braunschweig Stoßverbindungen für Stabtragwerke. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die leichten und struktureffizienten Bauteile durchaus realisierbar sind und dem Betonbau der Zukunft ein deutlich filigraneres Erscheinungsbild ermöglichen können. Neben dem Fügungsstoß, der die Segmentierung eines Tragwerks in einzelne Bauteile ermöglicht, stand der Stabwerksknoten im Fokus der Forscher, um nicht nur die Kraftübertragung, sondern auch deren Umlenkung zu ermöglichen. In Kombination mit rohrförmigen UHPC-Stäben und Vorspannelementen lässt sich mit den entwickelten Prototypen ein modulares kraftoptimiertes Stab- bzw. Raumtragwerk aus Betonteilen zusammensetzen, das hohe Lasten bei einem geringen Materialaufwand abtragen kann.

Dass die ursprünglich rein technischen Überlegungen gemäß des Ansatzes „form follows force“ auch einem architektonischer Anspruch gerecht werden können, belegte das Forscherteam bereits im Rahmen der Architekturausstellung „Anything goes !?! – Die neue Lust am Material in der Architektur“ im M:AI Museum für Architektur und Ingenieurkunst NRW. Hier wurde an 30 internationalen Beispielen der innovative Einsatz neuester Materialien gezeigt. Darunter präsentierte auch das Institut für Tragwerksentwurf der TU Braunschweig das neuartige, kraftflussoptimierte Knotenelement aus ultrahochfestem Beton. Bleibt zu hoffen, dass die Umsetzung in der Praxis ebenso gelingt – frei nach dem Motto „anything goes“.

Architekturausstellung „Anything goes !?! – Die neue Lust am Material in der Architektur“ im M:AI Museum für Architektur und Ingenieurkunst NRW / Bildrechte: ITE/ Claudia Dreyße

Forschungsprojekt
"Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkselemente aus UHPC", DFG Schwerpunktprogramm (SPP1542) "Leicht Bauen mit Beton"

Prof. Dr.-lng. Harald Kloft, Institut für Tragwerksentwurf, TU Braunschweig
Prof. Dr.-Ing. Harald Budelmann, iBMB Fachgebiet Baustoffe, TU Braunschweig

Weitere Informationen zum Thema finden Sie auf www.ite.tu-bs.de oder in der Zeitschrift „Beton und Stahlbetonbau“, Ausgabe 11.2013 (Ernst&Sohn)

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