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Neue Materialkombinationen und Fertigungstechnologien im Leichtbau

Effizientes Bauen beginnt schon bei der Auswahl und Struktur des Materials. Je mehr ein Werkstoff leisten kann und je leichter er ist, desto größer fällt die Einsparung bei Rohstoff- und Energieressourcen aus. Neben der Optimierung von Form und Struktur spielen bei der Entwicklung geeigneter Baustoffe und Materialien ihre konstruktiven Eigenschaften eine große Rolle. Doch wie lässt sich das Gewicht eines Baustoffs weiter reduzieren, ohne gleichzeitig Verluste bei seiner Tragkraft zu erzielen? Wie lassen sich Materialeigenschaften aus anderen Branchen auf die Bauindustrie übertragen? Und wie können Fügeverfahren an die Anforderungen des nachhaltigen Bauens angepasst werden? Dr.-Ing. Walter Haase, Forschungsleiter am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren ILEK der Universität Stuttgart, gab im Rahmen des Symposiums „Die Zukunft des Bauens“ einen Einblick in aktuelle Forschungsthemen.

Bilder alle: ILEK, Universität Stuttgart

Gewichtsoptimierte funktional gradierte Elementdecken
Das größte Potenzial, Ressourcen einzusparen, liegt in der Minimierung von Material und damit auch von Gewicht. Im Bereich des Betonbaus sind die größten Reserven bei den Deckenkonstruktionen zu finden. Das aktuelle Forschungsfeld der gewichtsoptimierten funktional gradierten Elementdecke, befasst sich mit der Herstellung einer Massivdecke, deren innere Struktur angepasst an die geforderte Tragfähigkeit aufgebaut ist. In der Praxis wird dafür ein Beton mit unterschiedlichen Dichtegraden produziert. „Ein anschauliches Beispiel“, so Walter Haase, „ ist ein Latte Macchiato, der eine gewisse Schichtung besitzt, die aus einer Dichteabstufung resultiert. Dies lässt sich mit unserem Beton vergleichen.“ Tragfähige Schichten befinden sich in einer Decke nur dort, wo sie benötigt werden.

Bei der Annahme einer gleichmäßigen Flächenlast bedeutet dies, dass an den Auflagerpunkten sowie an der Ober- und Unterseite in der Mitte des Bauteils die höchsten Beanspruchungen entstehen. Doch wie lassen sich diese Schichtungen herstellen? Im Rahmen des Forschungsprojekts werden zwei Betongüten benutzt: eine tragfähige Mischung aus Feinkornbeton sowie eine leichte Mischung, die sogenannte Kernmischung mit einem großen Porenanteil. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Herstellung eines kontinuierlichen Übergangs der beiden unterschiedlichen Betonarten dar. In der Praxis setzen die Forscher dafür Trockensprühverfahren ein, die die gewünschte Verteilung erzielen. An der Umsetzung mit Nasssprühverfahren und weiteren Optimierungen wird derzeit gearbeitet. Als bisheriges Ergebnis kann eine Gewichtsersparnis von 63 Prozent und damit eine CO2-Einsparung von 35 Prozent gegenüber herkömmlichen Massivdecken genannt werden. Zugleich können die Bereiche, in denen die Tragfähigkeit nicht benötigt wird, andere Aufgaben wie z.B. der Wärmedämmung übernehmen.

Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen
Das Ziel eines weiteren Forschungsvorhabens des ILEK ist die Entwicklung einer materialgerechten Fügetechnologie für Faserverbundwerkstoffprofile. Faserverbundwerkstoffe bieten viele Vorteile wie eine hohe Festigkeit, Steifigkeit oder Witterungsbeständigkeit. Durch ein relativ geringes Gewicht bieten die Werkstoffe beste Voraussetzungen für ein ressourcenschonendes Bauen. Ein Nachteil ist bisher jedoch, dass die derzeit vorhandenen Fügetechnologien für die leichten und leistungsfähigen Faserverbundwerkstoffprofile auf der Baustelle noch nicht effizient umsetzbar sind. Klebeverfahren, wie sie beispielsweise im Flugzeugbau genutzt werden, lassen sich vor Ort schlecht ausführen, da ihre Qualität in Abhängigkeit zu den Witterungsbedingungen steht.

Das große Potenzial der Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Materialersparnis, CO2- und Massenreduktion sowie deren herausragende statische Eigenschaften können im Bauwesen deswegen bislang noch nicht gänzlich ausgeschöpft werden. Die materialgerechte Fügung soll bei dem Lösungsansatz des ILEK durch den Übergang von Faserverbundwerkstoffprofilen mit Polymermatrix zu Faserverbundwerkstoffen mit Metallmatrix in den Knotenpunkten der Lastübertragung ermöglicht werden. Es entstehen belastungsstarke End- und Verbindungsstücke der Verbundstoffe. Die Entwicklung einer effizienten und auf der Baustelle verfügbaren Verbindungstechnologie unter Berücksichtigung der Anforderungen an Funktionalität, Nachhaltigkeit, Ästhetik und Wirtschaftlichkeit könnte den Faserverbundwerkstoffen zum Durchbruch für tragende Konstruktionen im Bauwesen verhelfen, wie dies im Maschinenbau, der Luftfahrt und dem Transportwesen bereits geschehen ist. Hierdurch wäre ein besonderer Impuls für die deutsche Bauwirtschaft als Technologieführer in diesem Bereich zu erwarten, so die Forscher des ILEK.

Vortrag von Dr.-Ing. Walter Haase, Forschungsleiter am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren ILEK der Universität Stuttgart, im Rahmen der fünfteiligen Veranstaltungsreihe „Die Zukunft des Bauens“, veranstaltet von DETAIL research und der Forschungsinitiative Zukunft Bau des BMUB und BBSR am 20. Februar 2014 in Berlin zum Thema "Höhere Effizienz und Recyclingfähigkeit dank neuer Materialkombinationen".

Zur Person
Dr.-Ing. Walter Haase ist Forschungsleiter am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart. Nach dem Studium der Luft- und Raumfahrttechnik mit Schwerpunkt neue Technologien promovierte er zum Thema „Adaptive Strahlungstransmission von Verglasungen mit Flüssigkristallen“. Walter Haase war als Tragwerksplaner tätig, hatte die Laborleitung des Zentrallabors des Konstruktiven Ingenieurbaus der Universität Stuttgart inne, bevor er 2005 Forschungsleiter am ILEK wurde. Seine Forschungstätigkeiten und Kenntnisse liegen schwerpunktmäßig in den Bereichen adaptive Verglasungen, anpassungsfähige Tragstrukturen, Leichtbautechnologien, Glas- und Fassadentechnologie sowie leichte Flächentragwerke.

Weitere Informationen
ILEK, Universität Stuttgart
Forschungsinitiative Zukunft Bau, BMUB

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