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Röhrenspanplatten als Vorlage für Betonleichtbauelemente

Bei der sogenannten Cross-Channel-Technologie kreuzen sich im Inneren der Betonplatte röhrenförmige Kanäle. Durch die gezielten Aushöhlungen erreicht man im Vergleich zu Massivplatten eine deutliche Gewichtseinsparung. Mit der Übertragung des Prinzips von Röhrenspanplatten auf Betonbauteile erhoffen sich die Wissenschaftler die Realisierbarkeit der Herstellung von leichten Betonelementen für Fassaden, Decken oder Wände.

Aufbau der Hohlraum-Module
Ziel des Projekts ist die Reduzierung des Materialeinsatzes und somit des Eigengewichts tragfähiger Betonbauteile. Durch die kreuzweise Anordnung der Hohlräume in Bereichen geringer Bauteilbeanspruchung entsteht eine sehr leichte Tragstruktur. »Um die Effizienz der zweiachsigen Lastabtragung im Bereich der Hohlraumdecken in größerem Maßstab nutzen zu können, ist die Aufgabenstellung, die Entwicklung einer neuen Form der zweiachsig gespannten Hohlraumdecke – die sogenannte Kreuzkanaldecke. Diese Deckenart ist geprägt von linienförmigen, in beiden Achsrichtungen orthogonal zueinander verlaufenden Kanälen. Die Decke besteht somit nur noch aus einer oberen und einer unteren Schale, welche punktuell über die verbleibenden Stempel miteinander verbunden sind. Das Ziel dieser neuen Konstruktion ist die Gewichtsminimierung bei ausreichender Tragfähigkeit, was letztendlich zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs an Energie und Material – vornehmlich des energieaufwändigen Baustoffs Zement – führen wird«, erläutert Jürgen Ries.

Materialzusammensetzung
Nach dem Grundsatz »minimaler Materialeinsatz bei maximaler Duktilität« fiel die Wahl auf einen Normalbeton mit hohem Zementklinker-Ersatzstoffanteil. Zur Verbesserung der Haltbarkeit, speziell in den unbewehrten Bereichen des Elements, wurde der Einsatz eines Fasercocktails bestehend aus Stahlfasern und Kunststoff-Fasern aus Polypropylen (PP) getestet. »Im Ergebnis zeigte sich kein Optimum – Duktilität und Fasergehalt verhalten sich proportional zueinander: viel Duktilität erfordert viel Resscourceneinsatz.« Zur Gewährleistung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons und da das Hauptziel dieses Projekts die Ressourcenschonung ist, fiel die Entscheidung letztendlich auf einen leicht verdichtbaren Normalbeton mit 0,5kg/m3 PP-Fasern und 25kg/m3 Stahlfasern. Die Kunststoff-Fasern werden im Tunnelbau seit vielen Jahren zur Verbesserung der Eigenschaften im Brandfall verwendet, die Stahlfasern dienen der Verbesserung des Entfestigungsverhaltens. Abschließend wurden die Materialkennwerte für Druck-, Spaltzug-, Biegezugfestigkeit, zentrische Zugfestigkeit, E-Modul und Querdehnzahl ermittelt und statistisch ausgewertet – diese finden Verwendung als Eingangsparameter in der Simulation.

Herstellungsverfahren
Zur Realisierung der Hohlräume in der Deckenkonstruktion werden Verdrängungskörper benötigt. Um die Betonierbarkeit der filigranen Geometrie prüfen zu können wurden einige Verdrängungskörper aus Polyurethan-Schaum als Provisorium gefertigt, dies erfolgte durch das Ausschäumen zweier Negativformen aus Kunststoff. Anschließend konnten dann Probeplatten inklusive unterer und oberer Bewehrungslage hergestellt werden. Die Verdichtung des Betons erfolgte auf dem Rütteltisch bzw. mit einem 30mm-Flaschenrüttler, um die spätere Herstellung im Fertigteilwerk bzw. auf der Baustelle abzubilden. Nach etwa einer Woche wurden die beiden Platten in Scheiben geschnitten. Es entstanden keine Fehlstellen, die Betonmischung sedimentierte nicht und die Faserverteilung war gleichmäßig.

Es wurden sowohl die Parameter für die Herstellung als Fertigteil in der Fabrik als auch die Realisierbarkeit als Halbfertigteil mit Ortbetonergänzung auf der Baustelle getestet. Beide Varianten erscheinen realisierbar, die Herstellung auf der Baustelle als Halbfertigteil mit Ortbetonergänzung erfordert jedoch aufgrund der filigranen Geometrie einen hohen Zeitaufwand bei der Betonverdichtung. Selbstverdichtender Beton kommt aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten nicht in Frage. Die Weiterentwicklung der traditionellen Verdichtungstechnik stellt somit eine noch zu lösende Herausforderung dar, resümiert Jürgen Ries den aktuellen Forschungsstand.

Ausblick
Da die möglichst leichten Füllkörper zukünftig aus einem nachhaltigen Recyclingmaterial bestehen sollen, fiel die Entscheidung bereits auf Recyclingpapier. Faserformmaterial ist ein sehr zukunftsweisendes Material, das in großem Umfang in der Verpackungsindustrie beispielsweise als Eierkartons oder als Einweg-Nierenschale zur Aufbewahrung des Operationsbestecks im Krankenhaus eingesetzt wird. Viele neue Anwendungen aus dem Material wie z.B. Getränkeflaschen sind aktuell in Entwicklung, um in Zukunft den Kunststoffmüll erheblich zu reduzieren. Die Herstellung der gut zu transportierenden Füllkörper-Halbschalen wurde bereits beauftragt, so dass die Wissenschaftler voraussichtlich noch in diesem Jahr die ersten Großversuche zur Tragfähigkeit der CC-Deckenplatten durchführen werden. Die Beschäftigung mit den bauphysikalischen Schall- und Brandeigenschaften wird folgen.

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