Weniger Beton, gleiche Tragkraft

Stahlbetondecken zählen zu den materialintensivsten Bauteilen eines Gebäudes und machen bis zu 60 Prozent des gesamten Betonvolumens aus. Da die Zementproduktion weltweit rund acht Prozent der CO₂-Emissionen verursacht, ist gerade hier das Einsparpotenzial besonders groß. Forschende der TU Wien zeigen nun, wie sich mit einer neuen Generation von Stahlbetondecken der Materialeinsatz um bis zur Hälfte reduzieren lässt – ohne Einbußen bei der Tragfähigkeit. Möglich wird das durch eine Kombination aus mathematischer Topologieoptimierung und digitaler, weitgehend automatisierter Fertigung.

Material nur dort einsetzen, wo es gebraucht wird
Konventionelle Betondecken werden meist als massive Flachdecken ausgeführt. Für ihre Tragfähigkeit wäre allerdings nur ein Teil des Betons tatsächlich notwendig. Große Materialmengen werden vor allem deshalb verbaut, weil sich einfache, massive Formen bislang besonders wirtschaftlich herstellen lassen.

„Beton ist ein hervorragender Baustoff, wir müssen ihn aber viel gezielter einsetzen. Unser Ziel ist es, Material nur dort zu verwenden, wo es aus statischer Sicht tatsächlich gebraucht wird“, sagt Tobias Huber vom Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau der TU Wien.

Genau hier setzt das Forschungsprojekt "Topologieoptimierte Stahlbetondecken mit digitaler Schalung und Bewehrung" (TOPS) an. Mithilfe von Optimierungsalgorithmen wird berechnet, an welchen Stellen Material tatsächlich benötigt wird und wo darauf verzichtet werden kann. Das Ergebnis sind organisch geformte Tragstrukturen mit Rippen, die den Kräften im Bauteil folgen.

Materialsparende Deckensysteme wie Rippendecken im Waffelmuster sind zwar seit Langem bekannt, die Herstellung ist jedoch aufwendig und deshalb teuer. Die im Projekt entwickelten, topologieoptimierten Strukturen gehen noch einen Schritt weiter: Sie sparen zusätzlich Material, wären mit herkömmlichen Bauverfahren jedoch kaum wirtschaftlich realisierbar.

„Solche Formen lassen sich zwar am Computer berechnen, in der Praxis sind sie bisher aber meist an der Herstellung gescheitert. Genau diese Lücke schließen wir mit unserem Ansatz“, erklärt Huber.

Vom Computer direkt in die Produktion
Der entscheidende Innovationsschritt liegt deshalb nicht allein in der Geometrie der Decken, sondern in ihrer Herstellung. Im Projekt wurde ein durchgängiger "File-to-Factory"-Prozess, basierend auf der Expertise der involvierten Unternehmen, entwickelt. Dabei werden digitale Planungsdaten direkt für die Fertigung genutzt. Änderungen an der berechneten Geometrie können unmittelbar in Produktionsdaten für Schalung und Bewehrung übernommen werden.

Die Schalung bildet jene Form, in die später der Beton gegossen wird. Die Bewehrung, ein Stahlskelett aus Stäben oder Matten, verleiht dem Beton seine Zugfestigkeit. Beide Arbeitsschritte erfolgen heute häufig in aufwendiger Handarbeit und sind entsprechend zeit- und ressourcenintensiv. Im TOPS-Projekt werden sie stattdessen digital geplant und weitgehend automatisiert gefertigt.

„Entscheidend ist die durchgängige digitale Datenkette – vom Entwurf bis zur Fertigung. Änderungen am Modell können direkt in die Produktion übernommen werden. Das spart Zeit, reduziert Fehler und macht komplexe Geometrien überhaupt erst wirtschaftlich realisierbar“, so Huber.

Demonstratoren erfolgreich getestet
Um den Ansatz unter realistischen Bedingungen zu überprüfen, fertigte das Forschungsteam zwei großformatige Demonstratoren an. Die Schalungen wurden dabei CNC-gestützt von der DataB GmbH produziert, die Bewehrungen robotisch von der Mesh AG geschweißt. Sie wurden Belastungstests unterzogen und mit konventionellen Deckensystemen verglichen. Untersucht wurden unter anderem Tragfähigkeit und Durchbiegung. Die Ergebnisse bestätigen, dass sich die Materialeinsparungen erzielen lassen, ohne die konstruktiven Anforderungen zu beeinträchtigen.

„Mit den Demonstratoren konnten wir zeigen, dass unser Konzept nicht nur in Simulationen funktioniert, sondern sich auch in realen Bauteilen bewährt“, sagt Huber.

Potenzial für den nachhaltigen Hochbau
Besonders interessant ist die Technologie für Gebäude mit größeren Spannweiten, etwa Bürogebäude, Einkaufszentren oder mehrgeschossige Bauten. Dort können sich die aufwendigeren Formen besonders gut amortisieren, weil identische Deckenelemente mehrfach produziert werden.

Mit TOPS leisten die Forschenden der TU Wien gemeinsam mit den Projektpartnern DataB GmbH und Mesh AG einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Bauwesens. Die Forschung zeigt, dass digitale Technologien nicht nur Planungsprozesse beschleunigen, sondern auch völlig neue, ressourcenschonende Tragwerksformen ermöglichen und damit helfen können, den Betonverbrauch in Zukunft deutlich zu reduzieren.