Fassade aus Textilbeton – Betoninnovation für dünne Fassadenplatten

In unmittelbarer Nähe zur Hamburger Binnen­alster liegt die Einkaufsstraße Große Bleichen. Hier reihen sich exklusive Geschäfte des Einzelhandels und Dienstleister aneinander. In der Nähe zum bekannten Jungfernstieg liegt das Objekt mit der Hausnummer 3, das 2018 einer umfangreichen Revitalisierung unterzogen wurde. Das Bauwerk, das von einer Bank und Einzelhandelsgeschäften genutzt wird, erhielt in diesem Zuge eine komplett neue Fassade.

Architektur

Feinste Betonelemente aus weißem Architekturbeton prägen die neue Fassade des Bürogebäudes. Der geschossweise variierende Fassadenrhythmus bricht die statische Tragstruktur auf und erzeugt eine spielerische Leichtigkeit. Dies wird erst durch die geschosshohen Fertigteile aus 30 mm dickem Hochleistungsbeton möglich, die sich an das modifizierte Stahlbetontragwerk klammern und der Fassade somit Tiefe und Profil verleihen. Die großformatigen Schaufenster der Einzelhandelsfläche werden zweigeschossig von Betonelementen gerahmt und zeigen sich im typisch hamburgischen Arkadenmotiv. Die Rahmung der Arkaden und die Leichtigkeit der Obergeschosse werden durch die pointiert eingesetzte Fassadenbeleuchtung in Szene gesetzt. Die besondere Geometrie des bestehenden Gebäudes lässt dabei eine Außenwand entstehen, die durch viele Schrägen und tiefe Laibungen geprägt ist. Sie passt sich sehr harmonisch in die Architektur der umgebenden Bebauung ein.

Großformatige Fassadenplatten aus Textilbeton

Dünne großformatige Betonfassaden mit Textilbewehrung stehen als innovatives Bauprodukt zunehmend im Fokus der Architekten. Mit geringen Plattendicken bieten diese Fassadenplatten neue Einsatzmöglichkeiten für architektonisch hochwertige und zugleich wirtschaftliche Fassadensysteme. Infolge des geringen Gewichts können nun auch großformatige Fassadenplatten bei Sanierungen bestehender Gebäude zur Anwendung kommen. Im Vergleich zu Fassadenplatten mit Stahlbewehrung lässt sich das Gewicht um bis zu 70 % reduzieren. Das spart zum einen große Mengen Beton ein und bewirkt zugleich eine ­geringere Belastung der Tragkonstruktion. Im Neubaubereich lassen sich durch die geringere Plattendicke höhere Dämmschichten realisieren, ohne die Nutzfläche des Gebäudes zu verringern. Außerdem werden durch die Dickenreduzierung Materialien eingespart und somit natürliche Ressourcen geschont. Damit leisten dünne Betonfassaden einen Beitrag zum Umweltschutz.

Ausführung der Oberfläche

Die hier betrachtete 330 m² große Fassadenfläche setzt sich aus insgesamt 98 Fertigteilelementen zusammen, deren Oberfläche durch eine spezielle Bearbeitung veredelt wurde. Die Oberfläche wurde in Form eines Reliefs mit 30 mm tiefen Vor- und Rücksprüngen ausgeführt. Gemäß den Vorgaben der Architektur wurden die Fassadenelemente zusätzlich einer Oberflächenbehandlung unterzogen, bestehend aus zwei verschiedenen Bearbeitungsmethoden. So wurden die Vertiefungen der Reliefstruktur feingewaschen und die erhabenen Flächen sandgestrahlt. Durch beide Bearbeitungsvarianten wird die Gesteinskörnung freigelegt, so dass das edle weiße Marmorgestein in der Oberfläche sichtbar wird.

Verwendeter Beton

Für dünne textilbewehrte Fassaden werden Hochleistungsbetone mit hohen Druckfestigkeiten, gutem Fließverhalten und geringem Verdichtungsaufwand verwendet. Diese Betone werden auch als „Leichtverarbeitbare Betone“ (LVB) bezeichnet. Das Ausbreitmaß liegt hier bei etwa 700 mm, womit sie den Konsistenzklassen F 5 und F 6 zugeordnet werden können. Die Druckfestigkeiten dieser Betone liegen in der Regel über 60 MPa. Relevant ist aber weniger die Druckfestigkeit, sondern viel mehr die Biegezugfestigkeit. So weist der für das Projekt verwendete Beton eine mittlere Biegezugfestigkeit von 9,1 MPa auf. Dieser Wert wurde an nass gelagerten Prüfkörpern ­ermittelt. Für die statischen Nachweise ist dieser Wert allerdings abzumindern.

Die neue DIN 18516-5 fordert für die Ermittlung der effektiven Biegezugfestigkeit eine Berücksichtigung von Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Temperatureinwirkungen. Hierfür werden Reduktionsfaktoren α_exp festgelegt, die über Versuche bestimmt werden. Dazu werden jeweils drei Prüfkörperserien einen, drei und sieben Tage lang in einem Ofen bei 70 °C getrocknet und anschließend einer Biegezugprüfung unterzogen. Die Festigkeiten fallen dann gegenüber den nass gelagerten Prüfkörpern deutlich ab. Durch den Vergleich mit den Werten der nass gelagerten Proben werden dann die Reduktionsfaktoren ermittelt. Alternativ können die reduzierten Biegezugfestigkeiten auch den Tabellen der DIN 18516-5 entnommen werden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass diese Tabellenwerte eher konservativ sind. Im vorliegenden Fall ergab sich aus den Versuchen eine charakteris­tische Biegezugfestigkeit von 6,4 MPa – der vergleichbare Wert aus den Tabellen der DIN 18516-5 liegt bei 4,1 MPa, also deutlich niedriger. Natürlich hat der Beton nicht nur mechanische Eigenschaften zu erfüllen, sondern insbesondere auch optische und ästhetische. Seitens der Architektur wurde ein sehr heller, fast weißer Beton gefordert. Aus diesem Grund wurde als Bindemittel ein Weißzement verwendet, als Gesteinskörnung ein weißer Marmorsplitt, das sogenannte „Nordisch Weiß“. Hierbei handelt es sich um einen gebrochenen weißen Edelsplitt, der aus Calcit besteht. Durch die Verwendung dieser Gesteinskörnung behält die Betonoberfläche auch nach der Bearbeitung die gewünschte reinweiße Farbe.

Fassadenkonstruktion

Da die Fertigteile am bestehenden Rohbau zu be­festigen waren, war die Vorgabe seitens der Tragwerksplanung, eine möglichst leichte Betonfassade auszuführen. Hierfür eignete sich besonders das Fassadensystem betoShell der Firma Hering Bau. Die Elemente dieses Systems können in verschiedenen Dicken ausgeführt werden. Sie erhalten ihre Trag­fähigkeit durch die hohe Biegezugfestigkeit des Betons und eine Bewehrung aus einem alkaliresistenten Glasfasertextil. Im vorliegenden Fall wurde eine Mindestdicke von 30 mm gewählt, durch die reliefartige Oberfläche ergaben sich Maximaldicken von bis zu 80 mm. Die Fenster- und Türlaibungen wurden monolithisch mit der Mutterplatte verbunden, wodurch der Fassade eine Tiefenwirkung verliehen wird.

Nachweis der Tragsicherheit

Der statische Nachweis für die Fassadenkonstruktion erfolgt auf Grundlage der DIN 18516-5. Vorgehängte Fassaden und deren Befestigungen werden in erster Linie durch das Eigengewicht und durch Wind belastet. Im vorliegenden Fall wurden die Platten für charakteristische Winddrücke von 0,70 kN/m² und -1,10 kN/m² (Sog) bemessen. Das Eigengewicht der Platten wurde mit 24 kN/m³ berücksichtigt. Beanspruchungen infolge von Temperatureinwirkungen können vernachlässigt werden, wenn die Fassadenplatten zwängungsfrei an der Unterkonstruktion befestigt werden. Hierbei ist es wichtig, sowohl Verformungen in der Fläche zuzulassen als auch Verwölbungen der Platte, also Verformungen aus der Ebene heraus. Der Nachweis der Tragfähigkeit der Betonplatten erfolgte durch einen Vergleich der einwirkenden Schnittgrößen mit den Widerstandsgrößen, die sich aus der Biegezugfestigkeit des Betons ergeben. Dabei wurde der Sicherheitsbeiwert auf der Widerstandsseite gemäß DIN 18516-5 zu γ_M = 1,80 berücksichtigt. Als Bewehrung für die Platten wurde ein alkaliresistentes Glasfasertextil verwendet. Für den Anschluss der Fenster- und Türlaibungen wurden zusätzlich Matten aus nichtrostendem Stahl eingelegt. Auf der sicheren Seite liegend wurde die Bewehrung beim Nachweis der Tragfähigkeit nicht in Ansatz gebracht. Somit kann von einer dauerhaften Rissfreiheit der Platten ausgegangen werden.

Befestigungstechnik

Für die Befestigung der Fassadenplatten am Rohbau kamen unterschiedliche Systeme zum Einsatz. Kleinere Platten, mit Größen bis zu 3,0 m², wurden mittels einer üblichen Unterkonstruktion aufgehängt, die aus vertikal und horizontal angeordneten Aluminiumprofilen besteht. Die Verankerung der Fassaden an der Unterkonstruktion erfolgte über rückseitig angeschlossene Agraffen, die wiederum mit Hinterschnittankern am Fertigteil befestigt wurden. Die Agraffen selbst sind justierbar, so dass jedes einzelne Fassadenelement exakt ausgerichtet werden konnte.

Die sehr schmalen Fassadenelemente, die zwischen den Fenstern angeordnet wurden, konnten nicht mit Standardbefestigungen aufgehängt werden. Hierfür musste eine Sonderlösung entwickelt werden. Diese Konstruktion bestand aus speziell hergestellten Stahlblechen und Winkeln, die an das bestehende Gebäude angepasst und dort befestigt wurden. Die entsprechenden Gegenstücke wurden an der Rückseite des Fertigteils montiert und über einen Schraubanschluss miteinander verbunden.

Für die Aufhängung der größeren Elemente mit Flächen von etwa 5,5 m² kam das Ankersystem FPA-SL30 der Firma Halfen zum Einsatz. Dieses System wurde speziell für die Befestigung von Fassadenplatten aus Textilbeton entwickelt. Hiermit können Elemente mit Stärken von 30 – 50 mm und Plattengrößen von bis zu 12 m² aufgehängt werden. Das System basiert auf dem Fassadenplattenanker FPA, bei dem die Betonelemente mit zwei Hängezugankern, Druckschrauben und Verstiftungen am Rohbau befestigt werden. Eine Unterkonstruktion wird daher bei diesem System nicht benötigt. Durch seine hohe Flexibilität ist es für Dämmschichtdicken von 80 bis über 350 mm geeignet. Die Justierbarkeit in alle Richtungen ermöglicht eine einfache und exakte Befestigung der Fassadenplatten.

Montage

Eine besondere Herausforderung des Projekts war der Gebäudebestand, der eine Vielzahl von Vor- und Rücksprüngen sowie unterschiedliche Wanddicken aufwies. Diese wurden im Zuge der Fertigteilplanung vor Ort genau vermessen und in die Zeichnungen übernommen. Nur so konnte eine exakte und reibungslose Montage sichergestellt werden. Aufgrund der beengten Verhältnisse an der Baustelle und der tagsüber sehr belebten Straße musste die Montage der Fassade in Nachtarbeit durchgeführt werden. So wurden die Arbeiten weitestgehend zwischen 20.00 Uhr abends und 8.00 Uhr morgens ausgeführt. Pünktlich zur Öffnungszeit der Geschäfte und zum Beginn des Publikumsverkehrs war die Baustelle dann wieder geräumt und die umliegenden Geschäfte wieder zugänglich.