So ultradünn und trotzdem stabil können Betondächer sein
Eine revolutionäre Konstruktionsmethode der ETH Zürich macht es möglich, ultradünne und stabile Dächer aus Beton zu bauen. In den verrücktesten Formen. Herzstück ist eine Simulationssoftware und ein formbares Drahtseilnetz.
Wie baut man kostengünstig ein dünnes und selbsttragendes Betondach in Wellenform? Gussformen sind vielen Bauherren zu teuer. Eine Alternative haben Forscher der ETH Zürich entwickelt. Sie erzeugen die geschwungene Dachform mit einem Netz aus Stahlseilen, das sie zwischen einer Gerüstkonstruktion aufspannen. Über dieses Netz legen die Ingenieure ein Textil aus Polymer.
In das Polymer spritzen sie einen flüssigen Spezialbeton, der zäh genug ist, um an den vertikalen Dachstellen zu haften. Ist der Beton ausgehärtet, lässt sich das Netz für den nächsten Einsatz demontieren – anders als klassische Verschalungen, die im Müll landen. Übrig bleibt die fertige Decke.
Software berechnet Kräfteverteilung im Stahlnetz
So simpel, wie die Konstruktionsmethode klingt, ist sie allerdings nicht. Eine der größten Herausforderungen ist die Frage, wie sich das Netz verformt, wenn es mit Beton gefüllt ist. Antworten liefert eine von den ETH-Forschern programmierte Software. Sie zeigt, wie sich Kräfte in jedem einzelnen Stahlseil verteilen. Erst mit diesem Wissen können die Ingenieure das Netz so aufspannen, dass es unter dem Gewicht des nassen Betons die gewünschte Form annimmt.
Die Feuertaufe hat die Konstruktionsmethode bereits bestanden. Die Ingenieure haben ein sieben Meter hohes Dach gebaut, das in einer Werkshalle auf mehreren Stützpfeilern ruht. Über 10.000 Geometrien haben sie am Computer durchgespielt, um eine geschwungene Form zu finden, die selbsttragend ist und bei minimalem Materialeinsatz die höchste Stabilität garantiert.
Das erste Dach war maximal nur 12 cm dick
„Wenn wir die Geometrie richtig berechnen, dann gewinnen wir die Stabilität primär aus der Geometrie und nicht aus dem Baumaterial“, erklärt Philippe Block, Professor für Architektur und Tragwerk. Die Dicke des Betons variiert zwischen drei Zentimetern an den Rändern und zwölf Zentimetern an den Auflageflächen. Das 162 m2 große Dach wiegt dadurch nur 20 t. „Wir haben bewiesen, dass es möglich ist, ein leichtes und flexibles Schalungssystem für Beton zu bauen und dass komplexe Betonstrukturen ohne großen Materialaufwand möglich sind.“
Zukunftsdach entsteht in der Nähe von Zürich
Mittlerweile ist das Dach zertrümmert. Doch es entsteht 2018 erneut. Und zwar auf dem Gelände der schweizerischen Materialforschungsanstalt Empa in Dübendorf bei Zürich, wo ein Forschungsgebäude entsteht, dessen Fassade größtenteils aus Glas besteht. Die Konstruktion wird das Dach einer Wohneinheit namens Hilo werden.
In diesem Praxiseinsatz wird es allerdings nicht bei einer Dicke von wenigen Zentimetern bleiben. Auf der inneren Betonlage werden Heiz- und Kühlschlangen sowie eine Isolationsschicht aus Kunststoffen liegen. Dann folgt eine weitere Betonschicht, auf der Dünnschicht-Solarzellen montiert sind. Dank der geschwungenen Dachform können die Solarmodule Sonnenstrahlung im Tagesverlauf optimal einfangen. In Kombination mit einer Solarfassade wird das Forschungsgebäude dadurch mehr Energie generieren, als es verbraucht.
Neu sind die Versuche, besonders leichte Betondachkonstruktionen zu entwickeln, natürlich nicht. Legendär ist die Knochendecke des Architekten Hans-Dieter Hecker aus dem Jahr 1968, die dem inneren Aufbau von Knochen gleicht. Noch heute überspannt sie den runden Zoologie-Hörsaal der Uni Freiburg.
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