28. September 2020

Projekt „Formflexible Schalungswerkzeuge“: Optische Akzente durch geschwungene Formen

Zweifach gekrümmte Sichtbetonbauteile in der Ausstellung im Foyer der Fakultät für Bauingenieurwesen der Hochschule München (Foto: Andreas Fraundorfer)

München (pm) – Organisch gestaltete Formen aus Beton werden in der Architektur oft geplant, wegen hoher Herstellungskosten aber nur selten umgesetzt. Mit formflexiblen Schalungen können dreidimensional gekrümmte Bauteile einfacher, schneller und kostengünstiger produziert werden. Im Foyer der Hochschule München sind Musterbauteile aus einem Prototypen dieser Schalungen zu sehen.

Bei repräsentativen Gebäuden haben Architekten und Bauherren oft den Wunsch, durch den Einsatz dreidimensionaler Freiformflächen besondere Akzente zu setzen. Diese sollen zugleich auch effiziente Tragsysteme der Bauten sein. Solche Strukturen lassen sich im klassischen Schalungsbau für Beton nur mit großem Arbeits- und Ressourcenaufwand bewerkstelligen. Bereits nach einmaliger Benutzung sind die Schalungen nicht mehr zu gebrauchen und müssen entsorgt oder kostenintensiv modifiziert werden. Hohe Kosten und Nachhaltigkeitsaspekte verhindern so oft die Umsetzung solcher Entwürfe. Nur vereinzelte Projekte namhafter Architekten, wie der Zollhof in Düsseldorf von Frank O. Gehry oder Betonbauwerke von Zaha Hadid, sind Beispiele dafür, wie geschwungene Fassaden in ihren Tragwerksformen zugleich dem Kraftfluss angepasst sind.

Das Projekt „Flex4Beton“ wurde geleitet von Prof. Christoph Maurer, Fakultät für Bauingenieurwesen der Fachhochschule München. Das Ziel war die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem dreidimensional gekrümmte Geometrien im Betonfertigteilbau einfacher, schneller und kostengünstiger realisierbar sind als im konventionellen Schalungsbau.

Im Rahmen der Abschlusspräsentation des Projektes haben Besucher die Möglichkeit, eine mit neuen adaptiven Fertigungstechniken hergestellte Auswahl an zweifach gekrümmten Sichtbetonteilen zu besichtigen.

Flexibler Werkstoff Beton

Beton ist durch seine Formbarkeit als flüssiger Frischbeton, seine Oberflächenqualität und Festigkeit ein hervorragender Werkstoff zur Herstellung gekrümmter Strukturen. Die Verarbeitung des flüssigen Baustoffs erfordert eine geeignete Schalung, um den Beton in Form zu bringen. Vor allem bei komplexen Krümmungen ist das Einwegmaterial des konventionellen Schalungsbaus zu teuer. In der konventionellen Bauweise werden die Sonderschalungen dabei in der Regel durch Holzschalungen aufgebaut. Diese Schalungstechnik zeichnet sich allerdings durch einen hohen manuellen Aufwand in der Herstellung aus. Auch müssen die Schalungen nach der Nutzung oft entsorgt oder aufwändig umgebaut werden.

Innovation durch Multipoint Tooling Technologie

Bisherige adaptive Schalungswerkzeuge konzentrierten sich hauptsächlich auf die Herstellung dünner Betonquerschnitte. Im Forschungsprojekt Flex4Beton entwickelten die Hochschule München und die Technische Hochschule Nürnberg gemeinsam mit Industriepartnern einen Prozess für flexibel konfigurierbare Schalungen für dickwandige Betonbauteile. Die Technologie des so genannten Multipoint Tooling wird bereits in anderen Ingenieurbereichen verwendet, um z.B. individuelle Formen aus faserverstärkten Kunststoffen oder Metallblechen zu fertigen. Mit der Multipoint Tooling Technologie wird eine beliebig gekrümmte Form durch eine Vielzahl von individuell stufenlos einstellbaren Stiften aus CAD-Daten heraus abgebildet. Die Abbildung der gewünschten Freiform wird dabei durch eine auf den Stiften aufliegende, elastische Kunststoffschicht geglättet. Diese sogenannte Interpolationsschicht muss eine ausreichend hohe Querkrafttragfähigkeit sowie Biegesteifigkeit gegenüber dem Frischbetondruck aufweisen, sodass die Durchbiegung zwischen den Stützstellen gering ist und sich die Stifte nicht im fertigen Produkt abzeichnen. Andererseits muss eine ausreichende Elastizität bzw. hohe Verformungsfähigkeit in der Ebene („zugweiches“ Materialverhalten) gegenüber den Spannungen vorhanden sein, die bei der Einstellung von zweifach gekrümmten Formen in der Fläche entstehen.

Ergebnis des Projekts „Flex4Beton“ ist eine Schalungswerkzeug für Betonbauteile, das immer wieder verwendet werden kann und die Produktion von dickwandigen Bauteilen ermöglicht, die als tragende Elemente in der Konstruktion eingesetzt werden können. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein Prototypenstadium des Schalungswerkzeugs erreicht, das für den Einsatz im Fertigteilwerk optimiert ist. Für eine Serienreife im Baustelleneinsatz sind noch weitere Entwicklungsschritte zur Modulkopplung, Fugenausbildung und Beulung der Stützstellen bei großen Krümmungen erforderlich.

Das Projekt ist eine Kooperation mit der Technischen Hochschule Nürnberg und wurde im Rahmen des Programms „Forschung an Fachhochschulen“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und unter dem Akronym „Flex4Beton“ geführt (FKZ 03FH054PA5). Unterstützt wurde das Projekt durch die Industriepartner Klebl GmbH, Herz GbR, PERI GmbH, Reckli GmbH sowie becker Architekten.

Pressemitteilung: Hochschule München