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Neue Perspektiven für eine
ressourceneffiziente und recyclinggerechte Bauweise
Das Bauwesen verantwortet zwischen 40 und 50 % des weltweiten
Ressourcenverbrauchs, 35 % der CO2-Emissionen und 50 % des Massenmüllaufkommens.
Die größte Verantwortung, aber auch die größte Hebelwirkung bei der Entwicklung
nachhaltiger Lebensformen liegt daher beim Bauwesen. Durch die Entwicklung von
Bauteilen aus funktional gradierten Werkstoffen kann das Bauwesen zu einer
signifikanten Reduktion des Ressourcenverbrauchs, des Müllaufkommens, der
Emissionen und des Energieverbrauchs beitragen.
Bei Bauteilen aus funktional gradierten Werkstoffen werden die
Materialeigenschaften im Bauteilinneren stufenlos in allen drei Raumrichtungen
kontinuierlich geändert (gradiert) und dadurch optimal an die Erfüllung der
lokalen Anforderungen angepasst. Die Gradierung der Materialeigenschaft wird
entweder durch die Variation der Porosität eines Werkstoffes oder durch die
Änderung des Mischungsverhältnisses verschiedener Werkstoffe erreicht. Das
Grundkonzept der funktionalen Gradierung von Werkstoffen ist eine Entwicklung
der Luft- und Raumfahrttechnik. Während die Forschung dort auf dünne
Oberflächenschichten beschränkt blieb, erweiterte das Institut für Leichtbau
Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart das Prinzip der
funktionalen Gradierung bereits 2006 auf größere Dimensionen und auf Anwendungen
im Bauwesen.
50 % Materialersparnis
Durch die Gradierung der Porosität im Inneren tragender Bauteile wird eine
präzise Anpassung der Materialeigenschaft an die tatsächlich auftretende
Beanspruchung erreicht. Unbeanspruchtes und damit überflüssiges Material kann dadurch vermieden werden. Die Natur bietet vielfältige Beispiele für dieses
Optimierungsprinzip wie etwa die gradierten Verzweigungen (Spongiosa) im Inneren von Knochen. Bauteilversuche haben gezeigt, dass durch Anwendung dieses Ansatzes bei Geschossdecken aus Beton Materialeinsparungen von über 50 % möglich sind. Da der Zementverbrauch dabei in gleicher Größenordnung sinkt, sind - neben der
deutlichen Einsparung an Material und Gewicht - ebenso große Einsparungen an im Bauteil gebundener Energie und der CO2-Emissionen möglich, die bei der
Zement-Herstellung entstehen. Sortenreine multifunktionale Bauteile
Zahlreiche Materialeigenschaften wie beispielsweise die Festigkeit, die
Wärmeleitfähigkeit und die Dichtigkeit können durch die Änderung der Porosität eines Materials (Beton, Metalle, Glas oder Kunststoffe) in einem weiten Spektrum variiert werden. Somit ist es möglich, z.B. Betonwände zu entwickeln, die nur
aus einem einzigen Material bestehen, aber dennoch allen Anforderungen an eine Gebäudehülle gerecht werden. Dadurch kann wertvolle Nutzfläche gewonnen und die Rezyklierbarkeit des Bauteils deutlich verbessert werden, denn: marktübliche
Wärmedämmverbundsysteme bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher
Materialien, deren dauerhafter Verbund die sortenreine Trennung und damit ein späteres Rezyklieren deutlich erschwert. Durch den gradierten Übergang von dichten und tragenden Deckschichten zu einem hochporösen Dämmkern (z.B. Aerogelbeton) können rein mineralische Außenwandbauteile realisiert werden, deren Wandstärke nur noch ein Viertel der Dicke vergleichbar leistungsfähiger
Dämmbetone beträgt.
Automatisierte Herstellung
Die größte Herausforderung bestand in der Entwicklung eines wirtschaftlichen
Verfahrens zur Herstellung gezielter Eigenschaftgradienten. Die Porosierung von
Beton erfolgt dabei durch die Verwendung poröser Leichtzuschläge und das
Einbringen zusätzlicher Luftporen in die Zementmatrix. Die dreidimensionale
Gradierung kann durch das am ILEK entwickelte und patentierte
Simultan-Sprühverfahren Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK)
Universität Stuttgart erzielt werden, wobei sich die Zusammensetzung des
Sprühnebels kontinuierlich ändert und positionsabhängig die jeweils
erforderliche Betonmischung aufgetragen wird. Die Automatisierung des Verfahrens
erlaubt die schnelle und wirtschaftliche Herstellung von Betonbauteilen mit
kontrolliert variierender Porosität. Die Weiterentwicklung dieser Technologie
bildet einen Schwerpunkt der weiteren Forschung am ILEK.
Fließende Materialübergänge
Neben der Gradierung der Porosität können auch Gradierungen der Materialität
realisiert werden. Der fließende Übergang von einem Material zum anderen ist
eine leistungsfähige und aus gestalterischer Sicht faszinierende Alternative zu
herkömmlichen Verbindungstechniken wie Verschraubungen oder Verklebungen. Diese
stellen in der Baupraxis häufig Schwachstellen auf Grund punktueller
Lasteinleitung oder thermischer Ausdehnung dar, die durch einen gradierten
Materialübergang vermieden werden können. Verfahren zur Herstellung von
fließenden Übergängen für die Werkstoffe Holz, Aluminium, Kunststoffe und
Faserverbundwerkstoffe sind in der Erprobungsphase.
Formgerechte Materialgebung
Die Entwicklung einer funktional gradierten Bauweise leistet in erster Linie
einen Beitrag zur Verwirklichung einer ressourceneffizienten Architektur.
Darüber hinaus ergeben sich aber auch neue gestalterische Perspektiven: so
können die Bauteileigenschaften unabhängig von der äußeren Form des Bauteils
definiert werden - sei es durch Variation der Porosität, der Steifigkeit oder
durch fließende Materialübergänge. Wurde in der Vergangenheit vorzugsweise das
Optimierungskonzept der "materialgerechten Formgebung" verfolgt, so erlauben Bauteile aus funktional gradierten Werkstoffen einen neuen Gestaltungsansatz, der als "formgerechte Materialgebung" bezeichnet werden könnte.
Forschungsstelle Die Erforschung und Weiterentwicklung funktional gradierter Werkstoffe
und Bauteile erfolgt am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren der
Universität Stuttgart (ILEK) unter der Leitung von Prof. Dr. Dr. E.h. Werner
Sobek. Die Konzepte für Anwendung und Herstellung von Bauteilen aus funktional
gradierten Werkstoffen im Bauwesen wurden seit 2006 im Rahmen der Promotion von
Pascal Heinz am ILEK entwickelt. Wesentliche Erkenntnisse wurden seit 2009 im
Rahmen des Forschungsprojektes "Herstellungsverfahren und Anwendungsbereiche für
funktional gradierte Bauteile im Bauwesen", das die Durchführung eines
umfangreichen Versuchsprogramms ermöglichte, gewonnen. (Förderstelle:
Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung,
Bearbeiter: Pascal Heinz und Michael Herrmann). Die Weiterentwicklung der
Gradientenbetontechnologie und deren Anwendung auf gewichtsreduzierte Bauteile
erfolgt im Rahmen der Promotion von Michael Herrmann.
Aus dem ersten, die Grundidee der Forschergruppe auslotenden
Forschungsprojekt sind inzwischen mehrere Folgeprojekte mit den Schwerpunkten
Tragwerk, Gebäudehülle, Verbindungstechnik und Herstellungstechnik
hervorgegangen. Zahlreiche führende Unternehmen der deutschen und
internationalen Betonindustrie sind an diesen Projekten beteiligt.
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