Klimaschutz und CO2-Einsparung sind zentrale Parameter bei der Entwicklung von ressourcenschonenden Baumaterialien und -verfahren. In Gebäuden machen Deckenplatten aufgrund ihrer flächigen Bauweise einen großen Teil des Baustoffvolumens aus. Im DATIpilot Innovationssprint trimSLAB ging es um die Entwicklung querschnittsoptimierter Betonplatten. Ziel war es, eine Betonplatte zu entwerfen, die bei gleicher Tragfähigkeit 50 Prozent weniger Material benötigt und durch eine digitalisierte Fertigung Kosten senkt. Die Projektleitung lag bei Prof. Dr.-Ing. Sergej Rempel von der Fakultät für Architektur und Bauwesen der Technischen Hochschule Augsburg (THA). Er ist Experte für Carbonbeton und wissenschaftlicher Leiter des TTZ Aichach im Forschungsfeld Massivbau. Eingebunden waren im Rahmen ihrer Promotionsvorhaben Sarah Bergmann, M.Sc. und Julian Frede, M.Eng. Projektpartner war die Firma Lindermayr GmbH & Co. KG.
Die Kombination moderner Materialien wie hochfeste und faserverstärkte Betone und nichtmetallische Bewehrungen mit fortschrittlichen Konstruktions- und Fertigungsmethoden ermöglicht bereits heute materialoptimierte Tragwerke. Dieser technologische Fortschritt spiegelt sich in den heutigen Deckenlösungen kaum wider. Geschossdecken werden nach wie vor standardmäßig als Stahlbetonvollquerschnitt ausgeführt, was zu einem ineffizienten und hohen Materialeinsatz führt. Ziel des Forschungsprojekts trimSLAB war es, eine querschnittsoptimierte Deckenkonstruktion in Fertigteilbauweise zu erstellen, die trotz erheblicher Materialeinsparung die Anforderungen an die Tragfähigkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit erfüllt.
Gefördert wurde das Projekt durch die Förderrichtlinie DATIpilot des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) als einer von 300 DATIpilot Innovationssprints. Während der Laufzeit von maximal 18 Monaten werden die erzielten Forschungsergebnisse bereits in die praktische Anwendung gebracht. Gefördert werden Einzel- oder Verbundprojekte, in denen maximal zwei Partner zusammenarbeiten. An der THA werden insgesamt sechs DATIpilot Innovationssprints gefördert.
Das Problem mit dem heutigen Deckenstandard
Die Baubranche ist für fast 40 Prozent des globalen CO2-Ausstoßes verantwortlich. Gleichzeitig werden in diesem Bereich enorme Einsparpotentiale nicht genutzt. Neben einer Steigerung der Recyclingrate wirkt sich insbesondere ein schonenderer Umgang mit Ressourcen positiv auf Umwelt und Klima aus.
Bislang ist die Wirtschaftlichkeit das wichtigste Entscheidungskriterium für ein Deckensystem. Nachhaltigkeitsaspekte werden nur selten berücksichtigt. Aufgrund des gestiegenen Lohnkostenanteils werden Geschossdecken aus Stahlbeton wegen der einfachen Schalung und simplen Bewehrungsführung heute häufig als Flachdecken mit Vollquerschnitt entweder in Ortbetonbauweise oder als Elementdecken, auch Gitterträgerdecken oder Filigrandecken genannt, ausgeführt. Dies ist mit einem unnötig hohen Materialverbrauch verbunden, da Material auch dort in die Deckenkonstruktion eingebracht wird, wo es für die Tragfähigkeit nicht erforderlich ist. Gleichzeitig ist die Herstellung von Beton besonders energieintensiv und insbesondere bei der Zementherstellung werden große Mengen an CO2-Emissionen freigesetzt. Dies ist klimaschädlich und widerspricht der allgemeinen Forderung nach mehr Nachhaltigkeit im Bauwesen.
Reduzierter Materialeinsatz für ein nachhaltiges Deckensystem
Bereits in der Vergangenheit, als das Material knapp und die Personalkosten gering waren, wurden querschnittsoptimierte Deckenlösungen wie z. B. die Stahlbeton-Rippendecken realisiert. Dabei wurde die Rippenstruktur dem Kraftfluss angepasst und mit zum Teil aufwändigen Schalkörpern hergestellt.
Auch durch das Vorspannen von Gurtstreifen oder das Vorspannen von Deckenelementen in Kombination mit Hohlkammern, wie z. B. bei der Spannbetonhohldecke, können erhebliche Materialmengen eingespart werden. Durch den Einsatz von Holz, z. B. in Holz-Beton-Verbundsystemen, kann das erforderliche Betonvolumen und damit der ökologische Fußabdruck deutlich reduziert werden.
Auch im Bereich der schlaff bewehrten Ortbetondecken existieren innovative Ansätze. So können z. B. durch den Einsatz von Verdrängungskörpern (Hohlkörpern) erhebliche Mengen an Betonvolumen eingespart werden. Derartige Ansätze konnten sich in der Vergangenheit jedoch noch nicht in der Baupraxis durchsetzen.
Kosteneffizienz und Qualitätssicherung durch die Fertigteilbauweise
Neben dem Materialverbrauch bzw. den Materialkosten ist ein schneller und planbarer Baufortschritt ein wesentlicher Faktor für den Erfolg von Bauprojekten. Die Fertigteilbauweise zeichnet sich durch einen hohen Vorfertigungsgrad, einen hohen Qualitätsstandard durch optimierte Fertigungsprozesse und eine witterungsunabhängige Produktion im Werk aus. Die Montage der präzise gefertigten Elemente erfolgt mit geringem Personalaufwand auf der Baustelle. Das geringe Eigengewicht der Elemente und die Montage mit einfachen Hebewerkzeugen machen die Fertigteilbauweise besonders wirtschaftlich.
Eine querschnittsoptimierte Deckenkonstruktion in Fertigteilbauweise kann die Forderungen nach Materialeinsparung, Qualität und Wirtschaftlichkeit erfüllen und eine echte Alternative zum heutigen Deckenstandard darstellen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts trimSLAB wurde eine querschnittsoptimierte Deckenkonstruktion aus Carbonbeton mit aufgelöstem Querschnitt entwickelt und experimentell untersucht.
Die Technische Hochschule Augsburg war für den Entwurf und die Tragfähigkeitsberechnungen der querschnittsoptimierten Deckenkonstruktion verantwortlich. Dabei wurde insbesondere eine hohe Materialeinsparung ohne Verlust der Tragfähigkeit angestrebt. Gleichzeitig wurden die Anforderungen an den Herstellungsprozess für die Anwendung in der Baupraxis berücksichtigt. Durch die Zusammenarbeit mit dem Fertigteilwerk der Frima Lindermayr GmbH & Co. KG. wurde die Qualität und Wirtschaftlichkeit durch den digitalen Fertigungsprozess der Fertigteile sichergestellt.
Der entwickelte Deckenquerschnitt besteht aus 35 mm starken Ober- und Untergurten mit dazwischen angeordneten Stegen und integrierten Hohlräumen.
Ein zentraler Bestandteil des entwickelten Systems ist die Fertigung mit thermoplastisch umformbarer Carbonbewehrung. Dabei werden die Stege mit der dazwischen frei liegenden Bewehrung betoniert. Nach dem Erhärten des Betons erfolgt durch thermische Aktivierung der Carbonbewehrung die Umformung der Stegstruktur in die gewünschte räumliche Geometrie. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer gefalteter Strukturen und bietet Potenzial für automatisierte Fertigungsprozesse in der Fertigteilindustrie.
Die Versuche bestätigten:
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts zeigen das Potenzial querschnittsoptimierter Carbonbetonkonstruktionen für eine ressourcenschonende und materialeffiziente Bauweise. Durch die Kombination aus reduziertem Materialeinsatz, hoher Tragfähigkeit und fertigungsgerechter Konstruktion stellt das entwickelte Deckensystem einen vielversprechenden Ansatz für zukünftige nachhaltige Deckensysteme in der Fertigteilbauweise dar.
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