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Geschwungenes Leichtgewicht

Eine Forschungsgruppe der ETH Zürich um Assistenzprofessor Benjamin Dillenburger hat eine Betondecke entwickelt und bauen lassen, die mit einer 3D-gedruckten Schalung aus künstlichem Sandstein erstellt wird. Das 80 Quadratmeter grosse Leichtbauobjekt wurde ins Forschungs- und Innovationszentrum DFAB House in Dübendorf eingebaut.



Text: Julian Bruns – 7.10.2018



Das DFAB House
Im Nationalen Forschungsschwerpunkt für digitale Fabrikation sind acht Professuren der ETH Zürich vereint. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie bauen diese am DFAB House, ein dreigeschossiges Gebäude auf dem Gelände der Forschungs- und Innovationsplattform NEST der Empa (Materialprüfungs- und Versuchsanstalt für Industrie, Bauwesen und Gewerbe) und der Eawag (Wasserforschungsinstitut der ETH) in Dübendorf. 
Die sogenannte «Mesh Mould»-Wand war im Mai 2017 das erste Projekt darin. Ein Roboter setzte und schweisste vor Ort die Bewehrung einer mehrfach gekrümmten Wand. Dies ermöglicht mit vergleichsweise geringem Aufwand eine statisch effizientere Konstruktion, als im Fall eines herkömmlichen rechtwinkligen oder ebenen Tragwerks. Jetzt liess eine Gruppe von Forschern der ETH-Assistenzprofessur Digitale Bautechnologien geleitet von Benjamin Dillenburger eine Geschossdecke darauf bauen. 


Gedruckte Schalungen
Der wohl aufwändigste Arbeitsschritt beim Betonieren ist der Schalungsbau. Dies gilt noch in erhöhtem Masse, wenn die Bauteile gekrümmten sein sollen. Auch wenn unregelmässige Geometrien häufig sehr gute statische Eigenschaften aufweisen, wird daher zumeist auf standardisierte Elemente und orthogonale Formen zurückgegriffen. Dies führt zu überdimensionierten Konstruktionen und damit zu einem hohen Materialverbrauch, unnötig hohen Auflasten und einer schlechten CO2-Bilanz. 
Vor diesem Hintergrund hat sich die Forschungsgruppe der ETH Zürich mit dem 3D-Druck von Betonteilen auseinandergesetzt. Denn auch komplexe Formen lassen sich mühelos drucken. Doch im Unterschied zum bereits gut erforschten 3D-Betondruck sollte nicht das Bauteil selbst gedruckt werden, sondern die Schalung. Als Material kam dabei ein künstlicher Sandstein zum Einsatz.

 

Kräfteverlauf als Ornament
Für die Decke im DFAB House wurden elf transportable Schalungselemente erstellt. Auf diese wurde ein leistungsfähiger faserverstärkter Spritzbeton aufgetragen. Durch diese Form der Bewehrung war es möglich, die Materialstärke auf ein Minimum zu reduzieren. Ein Übriges tat die Vorspannung der Decke mit Stahlkabeln, die durch eingelegte Rohe gezogen wurden. Wo kaum Kräfte abgetragen werden mussten, wurde der Beton zur rein raumabschliessenden Schicht. An der dünnsten Stelle ist die Decke lediglich 20 Millimeter stark. Für die Berechnung der Statik wurde ein neues Computerprogramm entwickelt. Das Ergebnis ist eine organisch geschwungene Struktur mit Hauptrippen zum Abtragen der Lasten und filigranen Nebenrippen.
Nach dem Abbinden können die Elemente – ebenso wie konventionell erstellte Fertigbauteile – innert kurzer Zeit auf der Baustelle installiert werden. Die geringen Toleranzen der gedruckten Schalung vereinfachte und beschleunigte diesen Prozess zusätzlich. 

 

Potenziale und Einsatzmöglichkeiten
Wie alle vorfabrizierten Elemente bietet die Decke Vorteile in der Rationalisierung des Bauprozesses. Ausserdem schont ihre hohe statische Wirksamkeit Ressourcen. Insbesondere bei Hochhäusern könnten sich die Gewichts- und Aufbaueinsparungen bei jeder Geschossdecke lohnen. Ihre Vorteile ausspielen könnten gedruckte Schalungen ausserdem dort, wo der Platz eng und die Traglast limitiert ist: beim Bauen im Bestand. Millimetergenauen Scans der oftmals unregelmässigen Bestandsstrukturen könnten präzise und minimal dimensionierte Eingriffe ermöglichen.

> Lesen Sie mehr zur Forschung im DFAB House.

> Über die Möglichkeiten der digitalen Fabrikation für eine reichhaltige und vielfältige Architektur sprach Fabio Gramazio mit Jørg Himmelreich in archithese 5.2014 Fundamental Palace.

> Klassisches Handwerk und digital manufacturing – In archithese 3.2013 Weak materiality – Eine Schwäche für Materialität geht es weniger um eine Gegenüberstellung, als um die gegenseitige Befruchtung.

 

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