Räumlich geformte, hitzebeständige sowie schalldämmende Leichtbauelemente aus textilbewehrten mineralischen Baustoffen
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Kurzbeschreibung
Der textilbewehrte Beton hat sich schon in vielen Bereichen als innovativer Baustoff bewährt. In diesem Projekt sollen seine Formbarkeit und Leichtigkeit genutzt werden, um organisch gekrümmte Fertigteilelemente zu entwickeln, die, als Wand- bzw. Deckenbekleidung montiert, nicht nur zur Raumgestaltung beitragen. Im Verbund mit einer zweiten Funktionsschicht aus haufwerksporigem Leichtbeton sollen die Fertigteilelemente auch die Raumakustik (Schalldämpfung) sowie den bautechnischen Brandschutz tragender Konstruktionsteile verbessern.Die gute Schallabsorption sowie die wärmedämmende Wirkung des haufwerksporigen Leichtbetons können auf das offene Gefüge der Zuschläge zurückgeführt werden. Im Unterschied zu Beton mit geschlossenem Gefüge fehlen in der Sieblinie des haufwerksporigen Betons die Feinkornanteile. Die Zuschlagkörner sind nur punktuell mit Zementleim verklebt, so dass kleine Hohlräume verbleiben.Die Trockenrohdichte des haufwerksporigen Betons kann durch die Verwendung verschiedener Leichtzuschläge variiert werden. Das Gewicht ist aber nicht das einzige Kriterium bei der Auswahl der Betonrezepturen. Anhand von Impedanzmessungen und Kleinbrandversuchen werden verschiedene Rezepturen aus Blähglas, Blähton und Blähschiefer bezüglich ihrer Schall- und Wärmedämmeigenschaften ausgewertet.Für den Entwurf der Fertigteilelemente waren die sinnvolle statische Nutzung des Materialverbundes sowie eine hohe Wärmedämmung bei gleichzeitig minimalem Eigengewicht ausschlaggebend. Durch S-förmig gekrümmte Fertigteile entstehen bei der Montage der Unterdecke abgeschlossene Luftkammern, die als schlechter Wärmeleiter den Dämmwert der Decke erhöhen sollen. Der haufwerksporige Leichtbeton an der Unterseite der Elemente hat neben dem Schallschutz die Funktion, die Tragfähigkeit der Textilbetonschicht im Brandfall zu erhalten. Die Wirksamkeit der Fertigteile und Stoßfugen soll durch Brandversuche geprüft werden.Gegenstand der laufenden Forschung ist die herstellungstechnische Umsetzung der Elemente. Die einzelnen Schichten sollen ohne zusätzliche Verbundmittel frisch-in-frisch betoniert werden. Auftretende Schwindverformungen können den Verbund sowie die Maßhaltigkeit der Elemente beeinträchtigen. Die Reihenfolge der Betonage wird durch den haufwerksporigen Leichtbeton bestimmt. Dieser muss zuletzt in die Schalung eingebracht werden, um Ansammlungen von Zementleim an den Sichtflächen der Fertigteile zu vermeiden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2012
Leichtbauelemente für Brand- und Schallschutz
Betonieren des haufwerksporigen Leichtbetons
Zusätzliche Schallschutzmaßnahmen können die Nutzungsqualität von Gebäuden und Räumen wesentlich verbessern. In einem Forschungsprojekt wurde ein sich selbst tragendes Unterdeckensystem aus einem nicht brennbaren mineralischen Baustoffverbund entwickelt. Die Tragfunktion übernimmt eine dünne Textilbetonschicht. Die bauphysikalischen Funktionen werden von einer raumseitig aufgebrachten Schicht aus hochporösem haufwerksporigem Leichtbeton erfüllt. Indem beide Schichten nass-in-nass aufeinander betoniert werden, ergibt sich ein leichtes Verbundbauteil mit hoher Formstabilität und Schubsteifigkeit. Die gewölbten Unterdeckenelemente können in den verschiedensten Bereichen als
raumabschließende Bauteile eingesetzt werden und kombinieren die gestellten sicherheitstechnischen und komfortorientierten Aspekte mit einer hohen Flexibilität an architektonischen Gestaltungsmöglichkeiten.
Welcher Leichtzuschlag im Brandfall den höchsten Widerstand hat, wurde in Brandversuchen getestet. Die Brandbeanspruchung wurde dabei entsprechend der genormten Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) aufgebracht, die üblicherweise für die Klassifizierung von Bauteilen verwendet wird. Bei den kleinteiligen Tests zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Zuschlagarten. So erweisen sich leichte Zuschläge wie Blähglas als besonders effektiv hinsichtlich der Wärmedämmung und damit hinsichtlich des Schutzes der tragenden Schicht aus Textilbeton vor extremen Temperatureinwirkungen. Die Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit verschiedener textiler Bewehrungsstrukturen hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit zeigten keine wesentlichen Unterschiede. Sehr positiv war, dass alle geprüften Elemente der 90minütigen Temperaturbeaufschlagung widerstanden.
Aufgrund der höheren Temperaturbeständigkeit und der bei gleicher Tragfähigkeit geringeren erforderlichen Anzahl Textillagen gegenüber ARGlas wurden die finalen Demonstratorelemente mit einer Carbonbewehrung hergestellt. Abschließend wurde ein Deckenausschnitt einschließlich brandschutzversiegelter Fugen noch im Brandversuch unter ETK-Belastung geprüft. Der Probekörper hielt der Brandbeanspruchung über 90 min stand.
Durch einen iterativen Optimierungsprozess zur Betonauswahl ist es gelungen, die statischen und bauphysikalischen Anforderungen des Bauelementes optimal aufeinander abzustimmen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2011
Leichtbauelemente für Brand- und Schallschutz
Entwurf der Fertigteile
Textilbewehrter Beton inspiriert durch seine Formbarkeit und Leichtigkeit immer wieder zu neuen Ideen der Anwendung. Ein Beispiel sind organisch gekrümmte Fertigteile, die – als Unterdecke montiert – die Raumakustik sowie den bautechnischen Brandschutz verbessern.
Die im Brandfall beanspruchte Unterseite der Fertigteile besteht aus einer Leichtbetonschicht mit offenporigem Gefüge. Die Zuschlagkörner sind nur punktuell verklebt, so dass kleine Hohlräume verbleiben, die den Wärmedurchgang der Schicht reduzieren während das Absorptionsvermögen für Schallwellen steigt. Eine zweite Schicht aus textilbewehrtem Feinbeton gewährleistet die Zugtragfähigkeit der Fertigteile. Durch die S-förmige Krümmung der Fertigteile entstehen bei der Montage der Unterdecke weitere Luftkammern. Die Nachweisebene für die Brandwiderstandsdauer befindet sich über den Luftkammern auf der Oberseite der Unterdecke.
Entscheidend für die Dicke der Leichtbetonschicht ist der Temperaturanstieg in der textilbewehrten Tragschicht. Dieser ist soweit zu begrenzen, dass die Tragfähigkeit der textilen Bewehrung innerhalb einer Branddauer von 60 bis 90 min erhalten bleibt. Für Glasfaserbewehrungen sind bereits Temperaturen zwischen 300 und 400 °C kritisch, da die Zugfestigkeit der Fasern in diesem Temperaturbereich schnell und deutlich absinkt. Carbonfasern hingegen sind bis zu einer Temperatur von 400 °C unter Normalatmosphäre (oxidierender Brand) beständig.
Die Wärmedämmung der haufwerksporigen Schicht wurde für verschiedene Betonrezepturen im Brandversuch geprüft. Die Aufbringung der Brandbeanspruchung erfolgte nach der genormten Einheitstemperaturzeitkurve (ETK), die üblicherweise für die Klassifizierung von Bauteilen verwendet wird.
Nach den Ergebnissen der Brandprüfung, die im Diagramm für eine haufwerksporige Schichtdicke von 2 cm dargestellt sind, erweisen sich leichte Zuschläge wie Blähglas als besonders effektiv. Der Temperaturanstieg auf der Oberseite der Tragschicht ist nach
90 min mit ca. 260 °C am geringsten. Deutlich höher ist der Temperaturanstieg bei den schwereren Zuschlägen. Sowohl bei den Verbundplatten mit Blähton als auch bei den Verbundplatten mit Blähschiefer steigen die Temperaturen auf der Oberseite der textilbewehrten Tragschicht auf über 300 °C an, so dass für Glasbewehrungen mit einem deutlichen Festigkeitsabfall zu rechnen ist. Ob dieser Festigkeitsabfall für die Tragfähigkeit der Fertigteile kritisch ist, wird derzeit in weiteren Brandversuchen an biegebeanspruchten Textilbetonproben geprüft.
Bericht aus dem Jahrbuch 2010
Leichtbauelemente für Brand- und Schallschutz
Oberflächen haufwerksporiger Leichtbetone
Der textilbewehrte Beton hat sich schon in vielen Bereichen als innovativer Baustoff bewährt. In diesem Projekt sollen seine Formbarkeit und Leichtigkeit genutzt werden, um organisch gekrümmte Fertigteilelemente zu entwickeln, die, als Wand- bzw. Deckenbekleidung montiert, nicht nur zur Raumgestaltung beitragen. Im Verbund mit einer zweiten Funktionsschicht aus haufwerksporigem Leichtbeton sollen die Fertigteilelemente auch die Raumakustik (Schalldämpfung) sowie den bautechnischen Brandschutz tragender Konstruktionsteile verbessern.
Die gute Schallabsorption sowie die wärmedämmende Wirkung des haufwerksporigen Leichtbetons können auf das offene Gefüge der Zuschläge zurückgeführt werden. Im Unterschied zu Beton mit geschlossenem Gefüge fehlen in der Sieblinie des haufwerksporigen Betons die Feinkornanteile. Die Zuschlagkörner sind nur punktuell mit Zementleim verklebt, so dass kleine Hohlräume verbleiben.
Die Trockenrohdichte des haufwerksporigen Betons kann durch die Verwendung verschiedener Leichtzuschläge variiert werden. Das Gewicht ist aber nicht das einzige Kriterium bei der Auswahl der Betonrezepturen. Anhand von Impedanzmessungen und Kleinbrandversuchen werden verschiedene Rezepturen aus Blähglas, Blähton und Blähschiefer bezüglich ihrer Schall- und Wärmedämmeigenschaften ausgewertet.
Für den Entwurf der Fertigteilelemente waren die sinnvolle statische Nutzung des Materialverbundes sowie eine hohe Wärmedämmung bei gleichzeitig minimalem Eigengewicht ausschlaggebend. Durch S-förmig gekrümmte Fertigteile entstehen bei der Montage der Unterdecke abgeschlossene Luftkammern, die als schlechter Wärmeleiter den Dämmwert der Decke erhöhen sollen. Der haufwerksporige Leichtbeton muss die Tragfähigkeit der Textilbetonschicht erhalten, während für die Einstufung der Brandwiderstandsdauer der Temperaturanstieg auf der Oberseite der Unterdecke maßgebend ist. Die Wirksamkeit der Fertigteile und Stoßfugen soll durch Brandversuche geprüft werden.
Gegenstand der laufenden Forschung ist die herstellungstechnische Umsetzung der Elemente. Die einzelnen Schichten sollen ohne zusätzliche Verbundmittel frisch-in-frisch betoniert werden. Auftretende Schwindverformungen können den Verbund sowie die Maßhaltigkeit der Elemente beeinträchtigen. Die Reihenfolge der Betonage wird durch den haufwerksporigen Leichtbeton bestimmt. Dieser muss zuletzt in die Schalung eingebracht werden, um Ansammlungen von Zementleim an den Sichtflächen der Fertigteile zu vermeiden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2009
Leichtbauelemente für Brand- und Schallschutz
Hyparschalenkonstruktion Schweinfurt
In der modernen Architektur werden zunehmend unkonventionelle Entwürfe mit organischen gekrümmten Bauteil- oder Bauwerksformen umgesetzt. Gleichzeitig sind die Anforderungen an die Flexibilität der Grundrissgestaltung gestiegen, um auf mögliche Nutzungsänderungen reagieren zu können. Unter diesen Randbedingungen gestaltet sich die Umsetzung bauphysikalischer Aspekte immer schwieriger, so dass oftmals nur die diesbezüglich vorgeschriebenen Mindestanforderungen Berücksichtigung finden. Dabei können – speziell beim Schallschutz – zusätzliche Maßnahmen zu einer wesentlich verbesserten
Nutzungsqualität von Gebäuden und Räumen führen. Auch eine über das Mindestniveau hinausgehende Entwicklung des baulichen Brandschutzes gewinnt für Investoren und Sachversicherer zunehmend an Bedeutung, da die Schäden infolge unzureichender Brandschutzmaßnahmen meist mit einem wirtschaftlichen Bankrott beteiligter Unternehmen verbunden sind.
Die derzeit auf dem Markt befindlichen Bauteilsysteme sind oft auf nur eine der beiden Schutzfunktionen – Schall- oder Brandschutz – ausgerichtet. So bestehen z. B. die leichten Trennwände in Großraumbüros aus nicht brennbarem Material, welches jedoch in der Regel schlechte Schalldämmungs- und Schalldämpfungseigenschaften aufweist. Bei den Schallschutzsystemen handelt es sich größtenteils um Mehrschichtsysteme mit einem Mineral- oder Schaumstoffkern, der für die Absorption der Schallwellen sorgt. Diese Schallschutzelemente sind zumeist nicht brennbar, eine brandschutztechnische Aufwertung der darunter liegenden Konstruktion lässt sich mit ihnen jedoch nicht erreichen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines mineralischen Baustoffverbundes, der gleichzeitig die Funktionen des Brand- und Schallschutzes übernimmt. Durch die Kombination der sehr guten Tragfähigkeit von textilbewehrtem Beton mit den schalldämpfenden und wärmedämmenden Eigenschaften von haufwerkporigem Leichtbeton sollen leichte, selbsttragende Sandwichelemente hergestellt werden, deren räumliche Form an gestalterische oder bauliche Randbindungen angepasst ist. Schwerpunkte sind dabei die Entwicklung geeigneter mineralischer Matrices, der Verbund der einzelnen Schichten, die Fertigung „maßgeschneiderter“ Bewehrungsstrukturen sowie die räumliche Formgebung der Elemente. Zur Beurteilung der verschiedenen Verbundvarianten sind Traglastversuche, Feuerwiderstandprüfungen und Prüfungen der Schallkennwerte geplant.