Leichtbaulösungen mit Carbon

Die Peter-Behrens-Halle der technischen Universität Berlin ist einer der Orte, an dem intensiv zur Zukunft des Bauens geforscht und entwickelt wird. Unter der Leitung von Mike Schlaich, Professor des Fachgebiets Entwerfen und Konstruieren – Massivbau am Institut für Bauingenieurwesen an der TU Berlin, wird dort Grundlagenforschung im Zusammenhang mit unterschiedlichsten Materialien und Bautechniken erbracht.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe

Eines der Forschungsfelder an der TU Berlin ist der Einsatz von Carbonfaserverstärktem Kunststoff, kurz CFK, für das Bauwesen. CFK ist ein Werkstoff, der heutzutage aus vielen anderen Branchen nicht mehr wegzudenken ist. Immer wenn hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gefordert sind, kommt CFK in die engere Auswahl. CFK ist ein Verbundwerkstoff, bei dem hochfeste Kohlenstofffasern in einer Kunstharzmatrix eingebettet sind. Dabei liefert hauptsächlich die Faser die Festigkeit und die Matrix sichert die Lage der Faser im System. Das Resultat sind im Prinzip beliebig formbare Elemente mit höchster Zugfestigkeit und Steifigkeit, ohne Korrosion und Ermüdung.

Die Festigkeit und Steifigkeit von CFK in Faserrichtung ist wesentlich höher als quer dazu. Daher ist die Anordnung und Richtung der Fasern grundlegend wichtig und wird während der Bauteilplanung eindeutig festgelegt. Kohlenstofffasern haben im Vergleich zu Stahl eine um den Faktor 4 geringere Dichte, wobei ihre gewichtsspezifische Steifigkeit in Faserrichtung bis zu doppelt so hoch ist.

Die aktuellste Anwendung, bei der dieser hochfeste Verbundwerkstoff, unter Berücksichtigung der Forschungen, als strukturelles Element eingesetzt wird, ist die Carbon-Seilnetzfassade. Sie steht für eine Weiterentwicklung der klassischen Seilnetzfassade. Diese fand zu Beginn der 1990er-Jahre für das Kempinski Hotel in München ihren Anfang im Büro schlaich bergermann partner. ^[1] Damals ein für seine Zeit neuartiges Projekt, bei dem Stahlseile als vorgespanntes rechtwinkliges Netz, verbunden durch Klemmteller aus Edelstahlguss, die Struktur für die ca. 1 000 m² große Glasfassade bildeten. Variationen davon sind seither unzählige entstanden, wie z. B. auch am One World Trade Center.

Carbon-Seilnetzfassade

In gewisser Weise als Hommage entsteht nun, 26 Jahre später, für den monolithischen Infraleichtbeton-Pavillon der Architekten Enguita & Lasso de la Vega für den Künstler Albert Oehlen in Weidingen die erste von Carbonseilen getragene Glasfassade. ^[2] Die von schlaich bergermann partner geplante Carbon-Seilnetzfassade liegt an der Südwestecke des Gebäudes mit einer Höhe von ca. 11 m und einer max. Breite von 6,5 m. Durch den von Albert Oehlen intendierten Schnitt einer geneigten Ebene mit dem Hauskörper entsteht eine trapezförmige Öffnung über zwei Stockwerke, die mit eben dieser Glasfassade abschließt. Die segmentierte Fassade setzt sich aus trapezförmigen Isolierglasscheiben zusammen, die rahmenlos auf zwei Scharen von vorgespannten Zuggliedern befestigt werden. Die üblicherweise als Stahlseile ausgebildeten Zugelemente werden bei dieser Fassade aus CFK hergestellt.

Das allein wäre schon eine innovative Neuerung. Zusätzlich ist hier noch eine weitere Besonderheit geplant. Bedingt durch die hohe Vorspannbarkeit des Materials kann der erforderliche Querschnitt so stark minimiert werden, dass die Primärstruktur der Zugelemente innerhalb der Silikonfugen eingebettet werden kann. Dadurch verschmelzen Tragwerks- und Fassadenebene und ermöglichen besondere, gestalterische Freiheiten. Die extrem schlanken Zugglieder werden weder von innen noch von außen sichtbar sein. Das Resultat ist eine durchgehende, ebene Glasfläche mit tatsächlich unsichtbarem Tragwerk.

Durch die hohe Vorspannung erhält die Struktur die erforderliche Steifigkeit. Den Spannweiten sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt, daher bieten sich zahlreiche neue Möglichkeiten der Verwendung des Materials für die Zukunft. Gemeinsam mit den Glasexperten der Firma Seele und dem Carbonseilhersteller Carbolink sowie AXT Architekten als ausführenden Planern werden an der TU Berlin aktuell aufwendige Versuche für die Zustimmung im Einzelfall durchgeführt, die für noch nicht genormte Baumethoden erforderlich ist. Denn auch die Entwicklung der komplexen konstruktiven Verbindungsdetails von Glas, Silikon und Carbon ist Neuland. Die 3D-Drucktechnik ist mittlerweile so weit, dass die Knoten für die Seilkreuzungen der Fassade aus Titan gedruckt werden können.

Carbonbänder als Zugelemente

Basis für diese jüngste Entwicklung und auch für die Weiterentwicklung im Bereich Brücken waren die Erkenntnisse der 2006 an der TU geplanten und realisierten 13 m langen Spannbandbrücke. Schon damals leisteten die Carbonbänder mit nur 1 mm statischer Höhe Erstaunliches.^[3] Zugelemente aus CFK bieten sich für alle seilgestützten Brücken an. So auch für Netzwerkbogenbrücken. Sie sind nicht nur attraktiv, sondern für bestimmte Spannweiten auch besonders wirtschaftlich. Bislang wurden allerdings, wegen Ermüdungsproblemen bei konventionellen Seilen, besonders bei Bahnbrücken, schwere eingeschweißte Flachstahlprofile als Netzwerkhänger verwendet.

Netzwerklayouts mit eingeschweißten Stahlquerschnitten, die auf Schwingbreiten und die Vermeidung von Hängerausfall optimiert sind, führt z. B. durch eingeprägte Zusatzspannungen aus Herstellung und Montage zu technischen Herausforderungen, die nicht immer zufriedenstellend gelöst werden konnten. Dabei treten insbesondere bei den langen und flach geneigten seitlichen Hängern Schwierigkeiten auf. Diese stehen in Zusammenhang mit der Durchbiegung infolge des Eigengewichts sowie der Veränderung der Durchbiegung infolge Normalkraftamplituden. Auch Zusatzbeanspruchungen aus winderregten Schwingungen sind problematisch. Die Idee, konventionelle Profile durch ermüdungsfeste CFK-Hänger zu ersetzen, lag daher nahe. Berechnungen und Tests bestätigen dies, der Bau der ersten Netzwerkbogenbrücke mit Hängern aus Carbon für die Stadtbahn in Stuttgart kann nun bald beginnen.^[4]

Wegen des verbesserten Ermüdungsverhaltens der CFK-Hänger kann das Layout auf optimierte Zugbeanspruchung angepasst werden. Daraus resultiert eine deutliche Querschnittsreduktion von bis zu 75 %. Zusätzlich führt der geringere ­E-Modul der CFK-Elemente zu größeren Dehn­wegen, was wiederum dem Hängerausfall ent­gegenwirkt. Gleichzeitig verlagern sich die Eigenfrequenzen der Carbonhänger aufgrund der geringen Masse und der höheren, möglichen Vorspannung. Daraus resultiert eine Verbesserung des Schwingungsverhaltens. Negative Auswirkungen auf die Lebensdauer infolge winderregter Schwingungen wie bei anderen Zugelementen können dadurch eliminiert werden. So werden ästhetische Netzwerkbogenbrücken mit Spannweiten von deutlich über 300 m wirtschaftlich.

Carbon im Spannbetonbau

Auch im Spannbetonbau, zum Beispiel für Autobahnüberführungen, kann Carbon eingesetzt werden. Der Versuchsaufbau der weltweit ersten integralen, vorgespannten Carbonbetonbrücke steht ebenfalls in der Peter-Behrens-Halle. Als Spannglieder dienen ca. 20 m lange Litzenbündel aus CFK, die zusammen mit DSI entwickelt wurden. Die schlanken vorgespannten Fertigteilträger können auf der Baustelle schnell auf die Widerlager gesetzt werden und mit diesen zu einer integralen Brücke vergossen werden. Die finalen Träger werden am Ende eine Länge von bis zu 40 m aufweisen.^[5]

Ein weiteres Forschungsthema sind Bewehrungen aus Carbon. Weil Carbon nicht rostet kann die Betondeckung minimiert werden. Ohne Vorspannung, aber mit Carbonnetz bewehrt, wird an weitspannenden, schlanken Betonteilen und Schalen geforscht – diese Technologie könnte deshalb übliche Baubauweisen im Hochbau bald schon ersetzen. Erste Tests sind vielversprechend – bei minimaler Materialstärke.

Natürlich lassen sich nicht alle Probleme und technischen Herausforderungen im Bauwesen mit Carbon lösen, aber es sind doch einige, und dies auf erstaunlich wirtschaftliche und elegante Weise.

Literatur

[1] Schober, H., Gespannte Seilnetzfassaden, in Stahlbau, Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin.

[2] Schlaich, M., Burkhartz A.: Carbon-Seilnetzfassaden, voraussichtliches Erscheinen in Bautechnik Mai 2020.

[3] Schlaich, M.; Bleicher, A.: Spannbandbrücke mit Kohlenstofffaser-Lamellen, in Bautechnik, 84. Jahrgang, Heft 5, S. 311-319, Ernst & Sohn 2007, ISSN 0932-8351.

[4] Haspel, L.; Netzwerkbogenbrücken mit Hängern aus Carbon, in Stahlbau 88 (2019), Heft 2 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin.

[5] Schlaich, M.; Apitz, A.; Jesse, F.: Brücken aus vorgespanntem Carbonbeton, ­voraussichtliches Erscheinen in Beton- und Stahlbetonbau, Ernst & Sohn, Ende 2019