Flächentragwerke aus gekrümmten Sandwichelementen

Die Planung von Freiformen ist durch den Einsatz von CAD relativ einfach berechenbar, die Realisierung der statisch hocheffizienten Tragwerke ist jedoch durch hohe Herstellungs- und Materialkosten meist nur elitären Bauprojekten vorbehalten. »Die Verfügbarkeit flexibel gekrümmter Sandwichelemente wäre eine Möglichkeit, solche freie Formen baulich zu realisieren«, heißt es in der Beschreibung des Forschungsvorhabens »Flächentragwerke aus gekrümmten Sandwichelementen«, an dem Architekten, Bauingenieure und Maschinenbauer der Technischen Universität Darmstadt beteiligt sind. Durch das Projekt sollen die sowohl notwendigen Kenntnisse über das mechanische Verhalten der gekrümmten Elemente erarbeitet als auch die Fertigungsgrundlagen zur wirtschaftlichen Herstellung von flexibel gekrümmten Deckblechen entwickelt werden. Ziel ist es, die Sandwichtafeln direkt als tragendes Element von freien Formen einzusetzen und damit die Trennung von Konstruktion und Hülle aufzuheben: »Um die architektonische Formenvielfalt möglichst stark zu erweitern, müssen die Deckbleche in mindestens einer Raumrichtung gekrümmt sein und gleichzeitig eine flexible Breite besitzen. Das in Darmstadt zum Einsatz kommende flexible Walzprofilieren bietet die Möglichkeit, ein größeres Spektrum an Bauteilgeometrien zu erzeugen. Durch einen nachgelagerten flexiblen Biegeprozess können die Deckbleche bereits vor dem Schäumvorgang ihre Endgeometrie erhalten. Die so entstehenden Sandwichelemente besitzen aufgrund der einstellbaren Biegung eine höhere Steifigkeit und sollen als tragende Elemente genutzt werden«, wird der Ansatz beschrieben. »In Sandwichelementen wird durch die Addition des Dämmstoffs die bauphysikalische Leistungsfähigkeit der Stahlbleche signifikant erweitert und darüber hinaus die Steifigkeit und Tragfähigkeit durch das Zusammenwirken von zwei Blechen mit dazwischenliegender Dämmung deutlich erhöht«, beschreiben die Wissenschaftler die Entwicklung der Leichtbauelemente weiter. Stefan Schäfer vom Institut für Konstruktives Gestalten und Baukonstruktion ergänzt: »Die statische Überlegenheit von Bogen- und Schalentragwerken gegenüber Biegetragwerken wird auf das Sandwichprinzip übertragen. Bei einer Bauteilgeometrie mit doppelter Krümmung verlagert sich das Prinzip der Lastabtragung von der Biegespannung zur Normalspannung, die im Falle von Sandwichstrukturen als Zugkraft in der Fläche wirkt, einer wesentlich effizienteren und materialschonenderen Tragwirkung. Damit kann der Abstand von aussteifenden Riegeln einer Fassadenunterkonstruktion deutlich vergrößert werden, womit Architekten und Bauherrn größere Flexibilität gewinnen und die Bauweise letzten Endes auch preiswerter wird.« Da durch das Forschungsprojekt bis 2019 umfassende Fragestellungen aus den Bereichen des Maschinenbaus, des Bauingenieurwesens als auch der Architektur beantwortet werden sollen, erfolgt eine interdisziplinäre Untersuchung. Zunächst werden die Möglichkeiten definiert, die Elemente zu krümmen und diese aus architektonischer Sicht bewertet. Vor allem soll festgestellt werden, mit welchem Krümmungskatalog eine größtmögliche Formenfreiheit erzielt werden kann. Im zweiten Schritt wird eine Prozesskette zur industriellen Herstellung der Elemente entwickelt. Parallel erfolgen experimentelle und numerische Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften gekrümmter Elemente. Ein weiteres Ziel ist es, ein Designtool zu entwickeln, das es ermöglicht, in einer frühen Planungsphase kostengünstig Paneele für freie Gebäudegeometrien zu entwerfen. »Gelingt es, Flächentragwerke aus gekrümmten Stahlsandwichelementen zu entwickeln und wirtschaftlich herzustellen, können komplett neue Absatzmärkte erschlossen werden. Dies kann die Sandwichbauweise am Markt langfristig attraktiv gestalten und so die Marktanteile des Stahlleichtbaus weiter steigern«, erläutern die Wissenschaftler.