Neue Hochhäuser –leicht, biegsam und gut zu recyceln

Das Haus in dieser Bauweise kommt zudem mit weniger Material und Energie aus als herkömmliche Gebäude, und die Baustoffe sind gut zu recyceln. Gegenüber der konventionellen Bauweise lassen sich 50 Prozent Masse und 46 Prozent Treibhausgase einsparen. Bei dem Forschungshochhaus trifft das nicht in diesem Umfang zu. Wegen vieler Belastungsversuche und der damit verbundenen Materialermüdung wurde es „überdimensioniert“. Es wird in den nächsten Jahren mehrfach umgebaut. Denn für tragende Elemente, Fassade und Innenausbau wollen die Forscher etliche neue Konzepte testen: etwa Beton, der sich einer Verformung widersetzt, und Fassaden nach dem Vorbild japanischer Papierfaltkunst.

Bauwerke in Deutschland werden statisch so bemessen, dass sie auch bei großen Windstärken sicher stehen, Erdbeben trotzen und eine sehr hohe Schneelast tragen können. Doch solche extremen Belastungen sind selten. An vielen Orten treten sie während der Nutzungsdauer eines Gebäudes gar nicht ein. Der Materialverschwendung durch überdimensionierte Wände und Decken wollen die Stuttgarter Forscher nun mit ihrem adaptiven Hochhaus entgegenwirken. Hier kommen neue Konstruktionsprinzipien zum Einsatz, bei denen im tragenden Stahlgerippe und in den Fassadenelementen Sensoren und Aktoren integriert sind. Sie ermöglichen es beispielsweise, auf dicke und materialzehrende Stahlträger zu verzichten.

Schlank und stabil

Das Forschungshochhaus mit zwölf Etagen hat eine quadratische Grundfläche von gut fünf mal fünf Metern und wird nach Fertigstellung samt Dachaufbauten 37 Meter hoch sein. Seine Bauart bietet einen weiteren Vorteil: „Das schlanke Gebäude entsteht in Differentialbauweise, bei der die Bauteile nur punktuell miteinander verbunden sind und deshalb nach dem Ende ihrer Lebensdauer sortenrein getrennt und recycelt werden können“, erläutert Walter Haase, Geschäftsführer des Sonderforschungsbereichs.

Die Tragstruktur des Forschungsturms besteht aus vertikalen Stahlstützen in den Ecken, die durch horizontale Rechteckhohlprofile miteinander verbunden sind. Das gesamte Tragwerk ist in jeweils neun Meter hohe und gut fünf Meter breite Elemente unterteilt. Vier dieser Module werden aufeinandergestellt und verschraubt – daraus ergibt sich die Gesamthöhe von rund 37 Metern. Die beiden Diagonalen eines jeden Rahmensegments bestehen aus Flachstahl. Diese sogenannten Auskreuzungen sorgen für Stabilität.

Gezieltes Versteifen

Weltweit einzigartig ist bei dieser Leichtbaukonstruktion, dass in die senkrechten Stahlstützen und in die Auskreuzungen sensorgesteuerte Hydraulikzylinder eingebaut sind. Mit diesen Aktoren lässt sich die Geometrie der Tragwerkseinheit ein wenig ändern. Damit kann das Tragwerk gezielt versteift werden, und Gegenkräfte lassen sich gezielt induzieren, was zu einem verbesserten Lastabtrag führt. Durch den Einsatz der Hydraulikzylinder verlängert sich der adaptive Turm um maximal 2,25 Millimeter. Die horizontale Verschiebung an der Spitze beträgt bis zu sechs Zentimeter. Das sorgt für ein viel besseres Ableiten der im Stahlgerippe auftretenden Kräfte.

Gerät das Hochhaus beispielsweise durch starken Wind ins Wanken, können die Hydraulikzylinder diese Schwingungen durch die aufgezwungenen Gegen-verformungen dämpfen oder gar neutralisieren. So bleibt der schlanke Turm stabil. Eine herkömmliche Konstruktion würde für dieselbe Steifigkeit dickere Stahlträger und damit einen höheren Materialeinsatz erfordern.

Um die zwölf Geschosse des Bauwerks optimal zu nutzen, wird das Forschungshochhaus durch einen externen Treppenturm erschlossen, der auch die Versorgungsleitungen aufnimmt. Der Abstand zwischen beiden Türmen beträgt 2,70 Meter, Verbindungsbrücken dazwischen machen die einzelnen Stockwerke zugänglich.

Dass ein adaptives Tragwerk funktioniert, hat ein Team am ILEK um Werner Sobek und dessen Kollegen Oliver Sawodny vom Institut für Systemdynamik (ISYS) bereits 2012 gezeigt. Damals präsentierten die Forscher zusammen mit dem Industriepartner Bosch Rexroth die „Stuttgart Smart Shell“. Sie war ein entscheidender Schritt zum Ultraleichtbau. Die Wissenschaftler konstruierten eine zehn mal zehn Meter große hölzerne Schale, die lediglich vier Zentimeter dick ist. Die Schale aus verleimtem Fichtenholz, die an ihren vier Eckpunkten aufgelagert ist, erwies sich trotz ihrer geringen Wandstärke als äußerst stabil.

Einer ihrer Auflagepunkte war fest am Boden fixiert, die drei anderen ließen sich durch Hydraulikzylinder individuell bewegen und in jede Raumrichtung um rund 15 Zentimeter verschieben. Viele auf der Holzoberfläche verteilte elektrische Dehnungsmessstreifen hatten den jeweiligen Belastungszustand der Smart Shell gemessen. Die Messwerte dieser Sensoren flossen an ein Regelungssystem, entwickelt von Forschern am ISYS, das die Hydraulikzylinder steuerte.

Eigentlich war die freitragende Schale, die eine Fläche von mehr als 100 Quadratmetern überspannte, viel zu dünn, um hohe Belastungen durch Schnee oder Wind aufzunehmen. Doch die Hydraulikzylinder verformten sie je nach Beanspruchung innerhalb von nur fünf Millisekunden so, dass Materialspannungen sofort reduziert und Schwingungen gedämpft wurden.

Extrem standfest

„Die Smart Shell ließ sich biegen und belasten – und gebrochen ist sie trotz ihrer geringen Dicke nicht. Sie hat sich gerade durch diese Verformungen als extrem standfest erwiesen“, bilanziert Werner Sobek. „Zudem hat die adaptive Regelung im Vergleich zur konventionellen Bauweise den Materialbedarf erheblich reduziert.“

Getestet werden am Forschungshochhaus neben dem adaptiven Tragwerk auch sogenannter Gradientenbeton und adaptive Betonbalken – zwei Entwicklungen für materialsparende Geschossdecken. Denn biegebeanspruchte Decken und Balken sind häufig stärker ausgelegt, als es für ihre Tragfähigkeit eigentlich notwendig ist.

Maßgebend für die Dimensionierung sind oft nicht die im Bauteil wirkenden Spannungen und Kräfte, sondern die unter Belastung auftretenden Verformungen. Die führen unter Umständen zu Schäden an angrenzenden Strukturen, etwa an leichten Trennwänden. Deshalb wird in der Regel der Querschnitt der tragenden Betonelemente so lange vergrößert, bis praktisch keine Verformung mehr auftritt. Aus dieser Überdimensionierung folgt zwangsläufig ein erhöhter Rohstoffverbrauch mit entsprechenden Emissionen.

Die beiden Stuttgarter Forscher Christian Kelleter vom ILEK und Timon Burkhard vom Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design (IKTD) konnten zeigen, wie sich Stahlbetonträger „verschlanken“ lassen, indem sie sich einer Verformung aktiv entgegenstemmen. Die Idee dabei ist: Wenn sich ein Betonbalken durch starke Belastung nach unten durchbiegt, kann dies durch einen inneren Gegendruck kompensiert werden.

Gegendruck aus dem Stahlblech

Aufgebaut wird der Gegendruck durch hydraulische Aktoren, die in den Betonträger eingegossen sind. Dabei handelt es sich um verschweißte Stahlbleche, die schmale senkrechte Hohlräume bilden. Bei Aktivierung durch eine externe Hydraulikpumpe dehnen sie sich geringfügig aus und drücken gegen den umgebenden Beton. In diesem Zustand hat der Träger das Bestreben, sich gegen das „Durchhängen“ nach oben zu wölben. „Dabei wird die Verformung trotz äußerer Belastungen vollständig kompensiert und ein adaptiver Zustand erreicht“, erläutert Christian Kelleter. „Dadurch wiederum können die Querschnitte deutlich reduziert werden, was Material spart.“

Gesteuert werden die Aktoren mit einem Regelkreis. Dehnungsmessstreifen erfassen auf der Unterseite des Betonträgers, wie stark sich dieser verformt. Beim Überschreiten eines Grenzwerts löst eine elektronische Regelungseinheit die Aktoren aus. Deren Anordnung und der benötigte hydraulische Druck wurden in numerischen Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode berechnet. „Durch das Verteilen mehrerer Aktoren entlang des Trägers und durch die Möglichkeit, den Druck in jedem Aktor einzeln anzusteuern, ist es möglich, auf unterschiedliche Belastungen optimal zu reagieren“, resümiert Kelleter.

Luftiger Beton

Der poröse Gradientenbeton ist eine Entwicklung des ILK. „Diese Form des Betons ermöglicht sowohl bei Decken als auch bei Trägern eine Reduktion des Materials und somit des Gewichts von bis zu 50 Prozent“, erläutert der Geschäftsführer des Sonderforschungsbereichs Walter Haase. „Dementsprechend sinken die Material- und Herstellungskosten. Zudem lassen sich die Bauteile später sortenrein recyceln.“

Bei mehrstöckigen Gebäuden machen die Zwischendecken bis zu 70 Prozent der Gesamtmasse aus. „Durch die Gewichtsreduktion der Decken können auch Stützen, Wände und Fundamente schlanker ausgeführt werden, sodass Masseneinsparungen in der gesamten Tragkonstruktion von 30 Prozent und mehr erreichbar sind“, sagt Daniel Schmeer, der dieses Themenfeld am ILEK erforscht.

Das Leichtbau-Vorbild für Gradientenbeton findet sich in der Natur: Knochen sind nicht homogen aufgebaut. An stark belasteten Stellen sind sie sehr kompakt und haben viel Substanz, um Druck- oder Zugkräfte aufzunehmen. In den weniger belasteten Bereichen spart die Natur Material ein und bildet poröse Strukturen aus.

Knochen als Vorbild

Die Idee, das Bauprinzip von Knochen für Betonteile zu nutzen, geht auf Werner Sobek zurück. Herkömmlicher Beton – ein gleichmäßiges Materialgemisch aus Wasser, Sand, Zement und verschiedenen Zuschlagstoffen – wird in der Regel in eine Schalung gegossen und weist überall die gleiche Dichte auf. Gradientenbeton dagegen zeichnet sich – wie Knochen – durch eine Struktur aus, die der jeweiligen Beanspruchung entspricht.

„Vereinfacht gesagt“, so Walter Haase, „handelt es sich dabei weniger um einen neuen Werkstoff als um eine neue Fertigungstechnologie für Betonbauteile.“ Das entstehende Bauteil kann wie ein Knochen gezielt mit Poren versehen werden. Als Gradientenwerkstoff werden generell Materialien bezeichnet, bei denen sich in einem bestimmten Bereich eine oder mehrere Eigenschaften – etwa die Dichte oder die Festigkeit – in mindestens einer Raumrichtung kontinuierlich ändern.

Bei biegebeanspruchten Betondecken und -balken ändert sich die innere Belastung ständig. Am oberen und unteren Bauteilrand ist sie in der Regel am höchsten, zur Bauteilmitte nimmt sie ab – hier kann das Material also leichter und poröser ausfallen. Um beim Herstellen von Bauteilen aus Gradientenbeton den jeweiligen Materialmix und die Poren entsprechend der Belastung exakt zu verteilen, setzen die Stuttgarter Forscher auf zwei unterschiedliche Fertigungsverfahren: die Mikro- und die Mesogradierung.

Baustoff aus der Sprühdüse

Entwickelt wurden beide Verfahren an ILEK, ISYS und am Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB). An der Umsetzung der Fertigungsfahren waren auch die Institute für Systemdynamik (ISYS) und für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) beteiligt. In einer großen Versuchsanlage auf dem Campus können die Forscher Betonbalken und Decken mit Spannweiten bis zu drei Metern herstellen. Für die Mikrogradierung versprühen zwei Düsen Mischungen mit unterschiedlichen Anteilen an Wasser, Sand, Zement, Flugasche, Silica (amorphes Siliziumdioxid) und und Blähglaskügelchen. Der Beton der gewünschten Dichte wird schichtweise und positionsgenau so aufgebracht, dass sich im entstehenden Bauteil die jeweils gewünschte Gradierung ausbildet.

Bei der Mesogradierung werden zunächst mineralische Hohlkörper in die Schalungsform eingebracht, dann wird Beton eingegossen. Die Poren haben eine Größe zwischen einem Millimeter (Mikrogradierung) und bis zu 25 Zentimeter (Mesogradierung). Die beiden Verfahren lassen sich auch kombinieren.

Durch das gezielte Platzieren von Poren können Betonbauteile extrem leicht werden, ohne dabei an Stabilität einzubüßen. Die Forscher am ILEK haben das 2017 mit einem geradezu filigranen Forschungspavillon aus Beton demonstriert. Dessen vier Eckpfeiler waren nahe am Boden massiv, doch mit zunehmender Höhe nahm die Zahl der Poren zu. Die Oberfläche der aus den Pfeilern erwachsenden Betonschale sah mit ihren vielen großen Poren sogar wie ein Netz aus. Der wie ein Kunstobjekt wirkende Pavillon zeigte die präzise Anpassung von Beton an die tatsächlich im Tragwerk auftretende Belastung.

Das adaptive Hochhaus wird auch ein Testfeld sein für neuartige adaptive Fassadensysteme, die im Verlauf des Projekts entwickelt werden sollen. Damit wollen die Wissenschaftler testen, wie sich in dem Gebäude Wärme, Feuchtigkeit, Licht und Blendung regulieren lassen. Dabei geht es etwa um textile Gebäudehüllen, die ihre funktionale Qualität mit einer ästhetischen Wirkung verbinden und dadurch neue Gestaltungselemente in der Architektur erlauben.

Faltkunst am Bau

So entwickeln die Stuttgarter Forscher am ILEK und am Institut für Flugzeugbau (IFB) einen adaptiven Sonnen- und Blendschutz auf Basis der japanischen Origami-Faltkunst, bei der ein Blatt Papier zu einer dreidimensionalen Figur gefaltet wird. Bei dem neuartigen Fassadensystem handelt es sich im Grunde um zahlreiche nebeneinanderliegende Textilstücke, deren jeweilige Grundfläche durch Zusammenfalten auf eine kompakte Form mit minimaler Fläche reduziert wird. Je nach Faltzustand kann mehr oder weniger Sonnenlicht passieren.

Das System zeichnet sich durch einen markanten Unterschied zwischen geschlossenem und geöffnetem Zustand aus. Zum Entfalten wird es mit Druckluft aktiviert. Das funktioniert ähnlich wie das Hineinpusten in die Luftrüssel, die bei Karnevalsfeiern und Kindergeburtstagen beliebt sind. „Unsere Entwicklung basiert auf der blütenartigen Faltstruktur Starshade, die als Blendschutz für astrophysikalische Messgeräte eines Raumfahrzeugs der NASA entwickelt wurde“, sagt ILEK-Forscherin Christina Eisenbarth, die mit Yves Klett vom IFB an dem neuartigen System arbeitet.

Schutz vor Hitze und Kälte

Am adaptiven Forschungshochhaus wollen die Forscherteams nun die neue Fassade testen und weiterentwickeln. An sonnigen Tagen soll sie die eingestrahlte Solarenergie reflektieren und so eine Überhitzung der Innenräume verhindern. Durch das individuelle Ansteuern einzelner Elemente will man zudem einen selektiven Blendschutz erreichen. In kalten Nächten werden die auseinandergefalteten Textilelemente dafür sorgen, dass das Gebäude nicht so stark auskühlt.

Solche von Origami inspirierten technischen Faltsysteme haben noch einen weiteren Vorteil: „In vielen Fällen kann auf komplizierte Gelenke und Mechanismen verzichtet werden, die die Konstruktion verteuern und das Gewicht einer Struktur unnötig wachsen lassen“, sagt Yves Klett. Moderne Materialien erlauben Faltungen auch für technisch anspruchsvolle Anwendungen. Besonders die Resistenz gegen Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung oder Feuchtigkeit stellt hohe Anforderungen. Zum Einsatz kommen hier Spezialpapiere, die auf Polymeren basieren oder mit Kunstfasern verstärkt sind. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung, berichtet Klett, „liegt im Design dauerhafter Gelenklösungen, die nicht nur einige Hundert, sondern mehrere Hunderttausend Bewegungsvorgänge zuverlässig und schadenfrei überstehen“.

Ein wichtiger Aspekt für das Wohlbefinden in einem Haus ist das Raumklima, das neben der Temperatur stark von der Luftfeuchte abhängt. Die Forscher untersuchen deshalb auch, wie sich die Leichtbauwerke der Zukunft durch adaptive Gebäudehüllen be- und entlüften lasse^n. So arbeitet am Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) Raphael Neuhaus an neuartigen Membranen, die als atmende Wände und Fassaden dienen und eines Tages stromfressende Belüftungssysteme und Klimaanlagen überflüssig machen könnten.

Lüftungsklappen ohne Scharnier

„Für die Zukunft wollen wir eine atmungsaktive Gebäudehaut schaffen, die sich schalten lässt“, sagt Neuhaus. Dazu entwickelte er Aktoren aus elektroaktiven Polymeren (EAP). Vereinfacht gesagt handelt es sich hierbei um kleine Kunststoffklappen, die sich elektrisch öffnen und schließen lassen. Doch diese EAP-Aktoren haben keine Scharniere. Sie sind in sich beweglich und öffnen sich sozusagen durch Krümmen.

Die EAPs bestehen aus zwei Lagen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die als Plus- und Minus-Elektrode dienen und durch eine Isolierschicht getrennt sind. Legt man eine Spannung an, bewegen sich die Teilchen im Inneren. Eine Elektrode zieht sich zusammen, die andere dehnt sich aus – der EAP-Aktor biegt sich durch und klappt auf und zu.

Die Arbeitsgruppe am IFF hat den bisher nur im Labor möglichen Herstellungsprozess kostengünstig und industrietauglich gestaltet. Für einen fenstergroßen und funktionsfähigen „Fassadendemonstrator“ haben die Forscher 17 kleine EAP-Aktoren auf eine stabile Textilmembran aufgeklebt. In die Membran eingestickte elektrisch leitfähige Fäden versorgen sie mit Strom. Den EAP-Antrieben genügen drei Volt Spannung, um sich zu krümmen und dabei einen Schlitz in der Membran zu öffnen oder zu schließen.

Das System funktioniert zuverlässig – die winzigen Aktoren lassen sich genau steuern. Berechnungen zufolge reichen 20 bis 30 Stück pro Quadratmeter, um eine Gebäudehülle oder eine Wand atmungsaktiv zu machen. Neuhaus: „Diese Technik ist energiesparsam, zuverlässig und in der Breite anwendbar.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…