V-I.5 Entwicklung von Betonimplantaten für den Einsatz in dünnwandigen Carbonbeton-Fassadenelementen

Mit der fortschreitenden Entwicklung des Carbonbetons hin zu höherer Effizienz und damit immer kleineren Bauteilquerschnitten erlangen die Spannungszustände an Fügestellen eine bemessungsbestimmende Relevanz. In diesem Projekt wurden Verbindungsmittel – sogenannte Implantate – entwickelt, die durch ihre Formgebung und Materialbelegung den homogenen Transfer von Kräften zwischen Carbonbeton-Fassadenelementen und ihren Auflagerpunkten ermöglichen.

Die Materialeigenschaften von Carbonbeton sowie die breite Verfügbarkeit von computergestützten Entwurfsmethoden ermöglichen die Konzeptionierung von Fassadenelementen, die ihre statischen und funktionalen Aufgaben mit einem Minimum an eingesetzter Masse erfüllen. Um die erforderliche Qualität sicherzustellen, müssen solche gewichtsoptimierten Fassaden in der Regel aus im Werk vorgefertigten Elementen zusammengefügt werden. Um das Ziel einer möglichst einfachen Montage auf der Baustelle zu erreichen, erscheint die Fügung mit punktuellen, lösbaren Verbindungsmitteln sinnvoll. Die punktuelle Einleitung von Lasten in ein Bauteil führt jedoch meist zu bemessungsbestimmenden Spannungsspitzen im Lastausleitungsbereich.

Um diesem Problem zu begegnen, wird am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart an der Technologie der Betonimplantate geforscht, die auf einer Erfindung Werner Sobeks beruht. Implantate sind Verbindungselemente, mit denen große Beanspruchungen zwischen Bauteilen übertragen werden können. Form und Material sind so gewählt, dass Spannungsfelder im Lasteinleitungsbereich homogenisiert und Spannungsspitzen minimiert werden.

Als geeigneter Gegenstand der Implantatentwicklung wurde ein Sandwich-Fassadenelement identifiziert. Bei dieser Typologie schließen zwei Deckschichten aus Carbonbeton eine innere Dämmschicht ein. Durch eine Formbewehrung aus Carbon sowie durch den Einsatz einer drucksteifen Dämmschicht können die beiden Deckschichten schubfest miteinander verbunden werden. Daraus ergeben sich eine hohe Biegesteifigkeit des Bauteils und entsprechend dünne Deckschichten.

Gegenüber Sandwichfassaden aus Stahlbeton, die nur eine einzige tragende Deckschicht aufweisen, sind Temperaturlastfälle bei der vorliegenden Typologie von übergeordneter Relevanz: Durch Temperaturunterschiede zwischen den beiden schubfest verbundenen Deckschichten ergeben sich Krümmungen im Element. Um daraus resultierende Zwangsspannungen zu vermeiden, müssen die Elemente gelenkig gelagert werden. Es ergeben sich zwei relevante Beanspruchungen für den Entwurf des Implantats: die vertikalen Kräfte aus Eigengewicht sowie die horizontalen Kräfte infolge Wind.

Ein besonderer Fokus wurde auf die konstruktive Durchbildung der Fügestellen zur Verankerung von Zugkräften gelegt. Hierzu wurden zwei Typen untersucht (Abbildung): Bei Typ 1 wurde die Mattenbewehrung der Deckschicht so weit über das Auflager geführt, dass die Zugkräfte aus der Bewehrung per Verbund in den Beton und dann in das Auflager eingeleitet werden konnten. Bei Typ 2 wurde die Bewehrung mittels Faserablage um eine Kreisscheibe aus hochfestem Beton herumgeführt. Somit wurden die Zugkräfte per Umlenkung in das Auflager eingeleitet. Eine Mattenbewehrung in der Deckschicht eines Fassadenelements wäre hier immer noch notwendig, müsste aber nicht wie bei Typ 1 über das Auflager geführt werden. In den experimentellen Untersuchungen konnte für beide Typen eine Tragfähigkeit nachgewiesen werden, die die zu erwartenden Beanspruchungen übersteigen.

Mit den Erkenntnissen aus dem vorliegenden Projekt konnte nachgewiesen werden, dass die Technologie der Implantate in dünnwandigen Sandwich-Elementen aus Carbonbeton angewendet werden kann. Mit den Implantaten ergibt sich für Fassaden somit ein signifikantes Potential zur Masseeinsparung und damit zur Reduktion grauer Energie.

Verbundkoordinator
Universität Stuttgart, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Vorhabenleiter
Prof. Dr. Werner Sobek

Ansprechpartner
Dr. Walter Haase
+49 711 688 68 310
email hidden; JavaScript is required

Dipl.-Ing. Oliver Gericke
+49 711 685 63795
email hidden; JavaScript is required

Laufzeit: 01.04.2017 –  30.06.2018