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Ziegelschalen aus planaren Fertigteilen

Unter konstruktiven und ästhetischen Gesichtspunkten besitzen Schalentragwerke aus Ziegeln viel Potenzial für das Bauwesen. Trotz ihrer Vorteile gegenüber anderen Konstruktionen, kommen sie in der heutigen Architektur aus Kostengründen nur selten zur Anwendung. Dies ist auf einen hohen Ressourcenbedarf an Personal, Schalung und Unterkonstruktionen zurückzuführen. Durch die Verlagerung eines Großteils der Arbeiten von der Baustelle in die Vorfertigung lässt sich dem Problem entgegenwirken.

Die konstruktiven Anforderungen an den Ziegel sind in einer mehrfach gekümmten Geometrie hoch. Die Fertigteile und der Ziegel müssen gewährleisten, dass die Konstruktion neben Druck- auch Zugkräfte aufnehmen kann. Da der Ziegel selbst dafür nicht geeignet ist, wurden die auftretenden Zugkräfte über eine im Fertigteil integrierte Bewehrung sichergestellt.

Ziegel- und Modulentwicklung
Um die Aufnahme von Längs- und Querbewehrung zu ermöglichen, wurden vier Varianten spezieller Formziegel entwickelt, die in den Abmessungen einem Normalformat-Ziegel entsprechen, und sich je nach Position im Bauteil unterscheiden (Abb. 1). Unterschiedliche Aussparungen bei drei Varianten ermöglichen die Integration von Bewehrung und des Übergreifungsstoßes. Die Oberfläche des vierten Ziegels ist perforiert, um die an der Querachse aneinanderstoßenden Module zu verzahnen und diese beim Betonieren der Fugen besser zu verbinden.

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Abb 1: Ziegelvarianten (KGBauko)

Abb 2: Fertigteilelement (KGBauko)

Auf Basis eines parametrisch generierten Modells werden daraus einzelne, flache Module mit ca. 1 x 1 m Größe vorgefertigt, mit denen sich die geschwungene Ursprungsform möglichst genau abbilden lässt. Die Fertigteile sind so konstruiert, dass die Längsbewehrung bereits vorab im Modul integriert ist. An den Rändern jedes Moduls sind Ziegel mit speziellen Kammern platziert, die zur Aufnahme des Übergreifungsstoßes dienen (Abb. 2). Die Bewehrungen werden kraftschlüssig von Modul zu Modul verbunden, die Querbewehrung wird während der Montage zwischen die Module gelegt. Die Kammern im Ziegel, Quer- und Längsfugen werden im Anschluss betoniert, die Fugen zwischen den Fertigteilen mit komprimierten Fugendichtbändern geschlossen. Diese dienen beim Betonieren der Fugen als eine Art Schalung.

Abb 3: Lehrgerüst mit Schablonen (KGBauko)

Testlauf: Mock-up im Maßstab 1:1
Für einen Prototypen im Maßstab 1:1 wurde eine mehrfach gekrümmte Geometrie gewählt, um ein möglichst breites Formenspektrum abbilden zu können. Die organische Form mit einer Spannweite von 15 m und nur 11,5 cm Dicke wurde zunächst im digitalen 3D-Modell optimiert und für die Erstellung der Fertigteilmodule in einzelne, ebene Flächen aufgeteilt. Im digitalen Modell wurden die Anordnung der Steine innerhalb der Fertigteile, das Fugenbild, die Versätze der Module untereinander sowie die Bewehrungsführung kontrolliert. Aus dem Modell ließen sich auch die Schalungspläne ableiten, die digitale Fertigung des Abbunds des Lehrgerüsts steuern und die Schablonen zur Positionierung der Fertigteile auf dem Lehrgerüst (Abb. 3) fertigen.

Es zeigte sich, dass die Umsetzbarkeit erheblich von einem präzisen Lehrgerüst abhängt. Um komplexe Geometrien abzubilden, sind üblicherweise umfangreiche und kostenintensive Schalungen notwendig. Durch die Reduktion auf ebene Fertigteile konnte die Schalung auf individuell geneigte Holzstiele reduziert werden. Diese fixieren die Eckpunkte der Fertigelemente unter Zuhilfenahme von digital erzeugten und gelaserten Abstandsschablonen.

Das Forschungsvorhaben der TU Darmstadt demonstriert, wie hocheffiziente Schalentragwerke durch eine vereinfachte Bauweise mit optimierten Fertigteilen realisiert werden können. Im nächsten Schritt soll der Prototyp nun auf ein reales Bauwerk übertragen werden.

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