Betonbau

Geglücktes Forschungsprojekt: Futuristisches Dach aus gewelltem Beton

Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine neuartige Konstruktionsmethode für ultra-leichte Dächer entwickelt. Der Weg von der Idee zur Umsetzung der extrem geschwungenen Konstruktion war nicht einfach – doch da Forscher und Industriepartner nicht lockerließen, wurde der Prototyp ein Erfolg. Das lag nicht zuletzt auch an der guten Teamarbeit zwischen der ETH und seinen Industriepartnern – darunter die Doka.

Geglücktes Forschungsprojekt: Nach vierjähriger Forschungsarbeit entstand dank Schalungsplanung in 3D der Prototyp für ein gewelltes Leichtbetondach für das Forschungsgebäude der ETH Zürich. Den Prototyp des Betondachs gibt es inzwischen nicht mehr. Geblieben ist aber das Drahtseilnetz, mit dessen Hilfe das Dach auf dem Nest-Gebäude 2019 neu errichtet werden soll. © Doug & Wolf

Filigran wirkt es. Leicht, und dank seiner gewellten Form zugleich dynamisch: Das selbsttragende, ultra-dünne, komplex geschwungene Dach aus Beton. Wenn das Dach des Forschungsgebäudes NEST fertig ist, ist das zugleich das Ende einer vierjährigen Forschungsarbeit. Wissenschaftler im Team von Prof. Philippe Block und Dr. Tom Van Mele an der ETH Zürich wollten damit eine neuartige Leichtbaumethode testen und mit adaptiven Gebäudesystemen kombinieren. So soll die Wohneinheit HiLo dank intelligenten Heiz- und Kühlsystemen sowie Dünnschicht-Solarzellen auf dem Dach am Ende mehr Energie produzieren als verbrauchen. NEST steht für Next Evolution in Sustainable Building Technologies und HiLo für High performance, Low energy.

20 Tonnen nasser Beton auf 0,8 Tonnen Material
Der Prototyp maß am Ende 7,5 m Höhe und eine Fläche von 162 m2. Normalerweise wäre für so ein Dach eine massive Holzkonstruktion erforderlich, doch genau das wollten die Forscher vermeiden. Stattdessen sollte ein flexibel zusammensetzbares Stahlseilnetz dem Dach seine Form geben. Die Stahlseile sollen an einer Gerüstkonstruktion aufgespannt werden. Über dieses Netz wurde eine konfektionierte Polymerfolie gelegt, die dem Spezial-Beton als Schalung diente. Der wird übrigens nicht auf die Folie gegossen, sondern darauf gesprüht. Das hieß möglichst viel Freiraum rund um die Konstruktion, so dass die Beton-Sprayer möglichst nah an die Schalungsfläche kamen (bis zu 50 cm). Um die Betonschale möglichst dünn auszuführen und so Gewicht zu reduzieren, wurde anstelle von Stahl mit Karbon bewehrt. Die Schalungskonstruktion wog am Ende nur 800 kg, die wiederum 20 t nassen Beton tragen sollte – eine extreme Planungs- und Forschungsleistung. Dass der Prototyp glückte, lag aber nicht zuletzt auch an der guten Teamarbeit zwischen der ETH und seinen Industriepartnern – darunter die Doka.

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Tragfähig und doch materialsparend: Die Konstruktion aus Stützen, Holzrahmen und Stahlnetz. © Naida-Iljazovic

Schalungssystem in 3D geplant
Wenig Schalungsmaterial, extreme Lasten und Kräfte, variable Dicke des Betons zwischen 3 cm (Dachränder) und 12 cm (Auflageflächen) und eine Form, die auch unter normalen Umständen Querdenken verlangt hätte. Doch wie genau sich ein derartiges Schalungssystem realisieren lässt – dazu wandte man sich an die erfahrenen Schalungsprofis von Doka. Mehrere Ideen wurden durchgespielt und wieder verworfen, doch weder die Forscher noch die Doka-Techniker wollten die Flinte ins Korn werfen. Nach vier Monaten erstellte man schließlich – via 3D-Planung – eine Konstruktion aus Holzrahmen (zum Einspannen der Stahlkabel), vertikalen und schrägen Stützen sowie Sonderanfertigungen der Forschungsgruppe. Um sicher zu gehen, dass die Konstruktion auch wirklich trägt – selbst wenn einzelne Stützen verschoben werden – stimmte das Team der ETH die Software von Doka (AutoCAD) auf eigens programmierte Anwendungen ab, so dass bei jeder Änderung automatisch eine Kollisionsprüfung durchgeführt werden konnte. Damit die Beton-Sprayer die notwendige Zugänglichkeit zur Konstruktion erhielten, stellte man an den Seiten Treppentürme auf, während man für die Arbeiten von oben einen Hubwagen benutzte.

Ein aufregendes Gebäude, das ressourcenschonend ist
Das gewellte Leichtbetondach ist das Ergebnis von vier Jahren Forschungsarbeit und Projektvorbereitung inklusive sechs Monate zum Bauen des Prototyps. „Nachdem die Ressourcen immer knapper werden und wir nur diesen einen Planeten haben, müssen wir im Design, in der Entwicklung besser werden. Genau darum geht es für mich als Ingenieur und Architekt: Zu zeigen, dass wir etwas bewegen können, dass wir aufregende Gebäude gestalten können, die eben nicht verschwenderisch sind, sondern ganz im Gegenteil: ressourcenschonender, integrierter, effizienter“, so Philippe Block, Professor für Architektur und Tragwerk, der zusammen mit Prof. Arno Schlüter das Projekt an der ETH leitet.

Auf der Website der ETH Zürich kann man die Entstehungsgeschichte des Prototyps in Bildern nachverfolgen.

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