Weniger ist mehr

Wie man mit einem Minimum an Materialeinsatz ein Maximum an Tragfähigkeit erreicht? Die Natur macht es vor: Betrachtet man den Längsschnitt eines Oberschenkelknochens, sieht man das Geheimnis des knöchernen Leichtbaudesigns – „gradierte“ Verzweigungen (Spongiosa). Dort, wo große Beanspruchungen auf den Knochen wirken, ist eine hohe Materialdichte vorhanden, dort, wo nur geringe Beanspruchungen wirken, ist ein Hohlraum. „Phänomenal!“, findet das Dr. Walter Haase, Leiter der Arbeitsgruppe „Leichtbau und Adaptive Systeme“ am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart. „Dieses Prinzip kann man ganz wunderbar auf das Bauwesen übertragen. Nehmen wir als Beispiel eine rund 30 Zentimeter starke Betondecke. Dieses Bauteil trägt die Last primär über Biegung ab. Die Folge ist eine druckbeanspruchte Zone im oberen Bereich des Querschnitts und eine zugbeanspruchte Zone am unteren Querschnittsrand. Der ganze Bereich dazwischen ist eigentlich nur tote Masse und letztlich unnötig verbrauchtes Material“, so Haase. „Durch die Entwicklung von gradierten und damit leichteren Bauteilen auf mineralischer Basis ergeben sich deutliche Vorteile bezüglich des Recyclings. Das Bauwesen könnte durch die Anwendung der Gradientenbetonbauweise zu einer signifikanten Reduktion des weltweiten Ressourcenverbrauchs, des Müllaufkommens, der Emissionen und des Energieverbrauchs beitragen.“ Gute Aussichten, wenn man bedenkt, dass unsere gebaute Umwelt nicht nur für circa 35 Prozent des Energieverbrauchs und 35 Prozent der Emissionen verantwortlich ist, sondern auch für 60 Prozent des Ressourcenverbrauchs und – zumindest in Zentraleuropa – für mehr als 50 Prozent des Massenmüllaufkommens.

Die Technologie von funktional gradierten Bauteilen wird seit dem Jahr 2000 am ILEK in mehreren Forschungsvorhaben auf breiter Ebene vorangetrieben. Das Grundkonzept ist ursprünglich eine Entwicklung der Luft-und Raumfahrttechnik. Zahlreiche Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Festigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte, können durch die stufenlose Änderung der Porosität in einem weiten Spektrum variiert (gradiert) werden. „Üblicherweise bestehen Betonwände oder -decken aus einer homogenen Betonrezeptur gleicher Festigkeit und Dichte. Eine Gradierung der Eigenschaften ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen abzustimmen“, erklärt Walter Haase. Hoch beanspruchte Zonen werden dabei mit höherfesten Betonen belegt. In niedrig beanspruchten Zonen werden porige Betone angeordnet, mit einer der Beanspruchungshöhe kontinuierlich oder in Stufen angepassten Porosität – bis hin zum Einsatz von mineralischen Hohlkugeln unterschiedlicher Größe. „Wichtig: Der Übergang zwischen den verschiedenen Bereichen ist fließend. In wenig beanspruchten Bereichen können leichte Betonmischungen eingesetzt werden, um damit Masse einzusparen“, so Haase.

Geschossdecken und Außenwände haben sich als besonders relevant für die Anwendung der Gradientenbetontechnologie erwiesen. Haase: „Mögliche weitere Anwendungsbereiche sind, neben vorwiegend biegebeanspruchten Bauteilen wie Balken und Platten, auch Stützen sowie Schalentragwerke und Bauteile mit freier Geometrie.“

Bei der Herstellung von Gradientenbeton wird der Beton nicht wie üblich in eine Schalung gegossen und gleichmäßig verteilt, sondern je nach gewünschter Dichteverteilung mit einem Sprühkopf im Bauteil eingebracht. „Die Entwicklung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung gezielter Eigenschaftsgradienten stellt dabei eine große Herausforderung dar“, erklärt Haase. „Schließlich fanden wir heraus: Die Sprühtechnik weist gegenüber schichtweisen Gießtechniken eine Reihe von Vorteilen auf. Während bei gegossenen Betongradienten das Verdichten zu einer Aufhebung des vormals kontrolliert eingestellten Gradienten führen kann, kann bei Anwendung der Gradientensprühtechnik eine weitere Verdichtung entfallen, da der Beton bereits durch den Aufprall verdichtet wird“, erklärt der studierte Raumfahrtingenieur Haase.

Eine Gradierung ermöglicht es, die innere Struktur eines Bauteils optimal auf die Erfüllung der Anforderungen abzustimmen.

Für die dreidimensionale Gradierung von Bauteilen werden am ILEK und den in den unterschiedlichen Forschungsprojekten kooperierenden Instituten (Systemdynamik (ISYS) sowie Werkstoffe im Bauwesen (IWB)) eigens entwickelte Zweidüsen-Trockenspritzverfahren sowie ein Eindüsen-Nassspritzverfahren angewendet. Zudem lassen sich die Verfahren automatisieren und sowohl im Fertigteilwerk wie auch auf der Baustelle – dort mithilfe der Großraumrobotik – umsetzen.

Durch die Arbeiten des ILEK wird es wahrscheinlich schon in naher Zukunft möglich sein, funktional gradierte Betonbauteile wirtschaftlich im Bauwesen einzusetzen. Gradientenbetonbauteile können somit einen signifikanten Beitrag zur Entwicklung eines nachhaltigen Bauens schaffen. In Hochrechnungen zu funktional gradierten Geschossdecken aus Beton konnte eine Massenersparnis von mehr als 50 Prozent und eine deutliche Kohlenstoffdioxid–Reduktion im Vergleich zur Produktion herkömmlicher Flachdecken nachgewiesen werden.

Conny Eck