Fasern im Verbund

Am Beispiel des über 100 m hoch geplanten Dock Tower, einem visionären Schweizer Forschungsprojekt, werden die konstruktiven Anwendungsmöglichkeiten faserverstärkter Kunststoffe entwickelt und getestet. Diese können weit mehr als nur statische Funktionen übernehmen. Ein Blick in die Zukunft.

Text: Thomas Keller, Regula Keller

Faserverstärkte Kunststoffe finden v. a. in den letzten Jahren vermehrt Anwendung in Tragkonstruktionen des Hoch- und Brückenbaus. Dies ist in erster Linie auf ihre vorteilhaften Materialeigenschaften wie hohe Festigkeit, geringes Gewicht, weitgehende Korrosionsbeständigkeit, freie Formbarkeit sowie die mögliche, schnelle Montage zurückzuführen. Insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) weisen im Übrigen einen geringen Bedarf an grauer Energie und eine positive CO2-Bilanz auf. Stand der Technik sind heute Tragwerksverstärkungen mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) wie z. B. Biege- oder Schubverstärkungen von Trägern mittels aufgeklebter CFK-Lamellen oder Stützenverstärkungen mit umwickelten CFK-Geweben. Bei Neubauten finden jedoch aus Kostengründen die günstigeren glasfaserverstärkten Kunststoffe Verwendung, etwa bei Tragwerken für Fußgängerbrücken oder vermehrt auch in leichten Brückenfahrbahnplatten [1]. Dies ist v. a. auf die wesentlich höheren benötigten Fasermengen zur Herstellung von größeren Tragwerkskomponenten zurückzuführen (im Vergleich zur kleineren benötigten Menge für Verstärkungen).
Allerdings sind Anwendungen für Tragwerke im Hochbau noch vergleichsweise selten, obwohl insbesondere GFK nennenswerte Vorteile wie geringe Wärmeleitfähigkeit und, vom Fasergehalt abhängig, mögliche Transluzenz oder Transparenz bietet. Diese Zusatzeigenschaften erlauben eine Integration statischer, bauphysikalischer und architektonischer Funktionen in ein und demselben Tragelement und ermöglichen somit das Verschmelzen von Tragwerk und thermisch isolierender Fassade zur funktionsintegrierten Raumhülle [2]. In architektonischer Sicht kann dadurch das Tragwerk wieder als Gestaltungsmittel eingesetzt und muss nicht mehr von der Fassade umhüllt werden.
Hinderlich
Die Hinderungsgründe für das Ausschöpfen dieses noch ungenutzten und äußerst innovationsträchtigen Potenzials von GFK im Hochbau sind vielschichtig. In erster Linie ist die Temperaturempfindlichkeit und Brennbarkeit der Kunststoffmatrix zu erwähnen, die einen effektiven Brandschutz benötigt. Auch erfordert die Funktionsintegration eine enge Zusammen- arbeit von Architekt, Ingenieur und Bauphysiker bereits in der Entwurfsphase – eine in der Regel immer und überwiegend noch unübliche Arbeitsweise im Hochbau.
Faserverstärkte Kunststoffe im Bauwesen befinden sich heute noch in der Phase der sogenannten Materialsubstitution. Da man die materialgerechten Tragwerks- und Konstruktionsformen noch nicht kennt – oder noch nicht in der Lage ist, diese herzustellen –, werden Tragwerks- und Konstruktionsformen »etablierterer« Materialien wie Beton oder Stahl kopiert. Ein Beispiel ist das mit fünf Geschossen weltweit höchste GFK-Gebäude in Basel (Bild 2) [3]: Die Tragkonstruktion besteht aus Profilen mit aus dem Stahlbau entnommen Querschnittsformen, die Verbindungen sind geschraubt. Diese Substitutionsphase bei der Einführung eines neuen Baumaterials ist jedoch charakteristisch und hat immer schon stattgefunden [4]. Sie ist zwar wichtig, um Vertrauen aufzubauen – schließlich lassen sich bereits bekannte Konstruktionen und Fügetechniken verwenden –, sie sollte aber überwunden werden, um dann zu materialgerechten Formen zu finden. Nur letztere ermöglichen eine volle Nutzung der vorteilhaften Materialeigenschaften und somit eine wirtschaftliche Anwendung.
Vision oder Utopie? – Luftige Höhen für GFK
Das Labor für Verbundbauweise (Composite Construction Laboratory, CCLab) der ETH Lausanne (EPFL) konzentriert seine Forschungsaktivitäten seit einigen Jahren auf die Entwicklung derart materialgerechter und zugleich multifunktionaler GFK/CFK-Tragwerkskomponenten für den Hoch- und Brückenbau. Sie können in einer hybriden Bauweise mit Stahl- oder Betonelementen kombiniert und mittels Klebetechnik, einem zweiten Forschungsschwerpunkt, kraftschlüssig verbunden werden. Als Arbeitsplattform dient dabei der seit 2002 stufenweise entwickelte »Dock Tower« – ein Hochhausprojekt, an dem schrittweise die Problemstellungen der multifunktionalen GFK-Bauweise im Rahmen begleitender Forschungs-projekte analysiert und gelöst werden. Diese Lösungen werden dann wieder zurück in das Architekturprojekt integriert, das auf diese Weise von der Vision stufenweise in ein konstruierbares Bauwerk überführt werden soll.
Der derzeitige Projektstand sieht 36 Stockwerke mit einer Gesamthöhe von 108 m vor. Die Geschosse sollen als Wohn- und Bürogebäude genutzt werden. Die Tragkonstruktion beruht auf dem Konzept der funktionsinte-grierten Raumhülle. Analoge Konzepte liegen auch den Stengelgewächsen der Natur zugrunde, die aus natürlichen Faserverbundmaterialien aufgebaut sind. Deren außenliegende Ringe bestehen aus dickwandigen, so- genannten Sklerenchymfasern mit integrierten Leitgewebebündeln mit Tragwerks-, Schutz- sowie Versorgungsfunktion. Auch der Grundriss des Towers wurde von diesen im Laufe der Evolution optimierten Kreisquerschnitten abgeleitet.
Vertikale Haupttragelemente bilden fünf außenliegende Erschließungs-kerne, bestehend aus zellförmigen opaken und mit hohem Fasergehalt versehenen GFK-Wandelementen, die mit der kreisförmigen Fassade verschmolzen sind. Ein Wandausschnitt wurde bereits bei der Swissbau- Messe 2002 gezeigt. Teile der Wandzellen sind mit einer Zusatzisolation, die restlichen Zellen mit Wasser gefüllt. Letzteres soll mit 1–2 cm/s langsam zirkulieren und mit dem dadurch möglichen Wärmetransport verschiedene Funktionen erfüllen: Das Heizen und Kühlen des Gebäudes übernehmen, als thermischer Solarenergieabsorber wirken, als thermische Masse für Temperaturausgleich sorgen sowie den Brandwiderstand bis zu zwei Stunden sicherstellen.
Die Fassade ist mit transluzenten und transparenten Bereichen – mit entsprechend mittlerem und geringem Fasergehalt – vorgesehen. Die transluzenten Teile bestehen wiederum aus zellförmigen GFK-Elementen, ›
› die mit einer transluzenten Aerogel-Isolation gefüllt sind und, verbunden mit den Kernen, einen statisch wirksamen Gesamtquerschnitt von 27 m Durchmesser ergeben werden. Die Beanspruchung und mögliche Verformung der Kerne und der tragenden Fassade wird sich durch diese große statische Höhe (Hebelarm) deutlich reduzieren lassen. Die transparenten GFK-Elemente hingegen dienen nur dem Lichteinlass und sind ohne primäre Tragfunktion geplant. Die fünf außen- und fünf kleineren innenliegenden Kerne sollen die wiederum zellförmig aufgebauten Decken tragen. Auch Teile dieser Zellen sind mit einem Wasserkreislauf versehen. Zusätzlich werden in die außenliegenden, transluzenten GFK-Fassaden-elemente opake und transparente Solarzellen zur Stromerzeugung integriert. Auf dem Dach sollen Windturbinen Energie erzeugen. Ziel ist es, in energetischer Hinsicht ein autarkes Gebäude zu entwickeln. Die Eigenlast des Towers beträgt nur rund 40 % eines vergleichbaren Hochhauses aus einer Stahltragkonstruktion mit Glasfassade und weist diesbezüglich z. B. erhebliche Vorteile in Erdbebengebieten auf.
Wichtige Begleitforschung
Im Rahmen begleitender Forschungsprojekte wurde für ein zentrales Problem, nämlich den Brandwiderstand, bereits eine Lösung gefunden [5]. Ein integrierter Wasserkreislauf wie oben beschrieben kann GFK-Tragwerks-teile im Brandfall ausreichend kühlen. Weitere Projektaspekte sind im Rahmen von Forschungsprojekten zurzeit in Arbeit. Etwa multifunktionale, weitspannende und komplex geformte Sandwichkonstruktionen aus GFK-Deckschichten mit Schaum- oder Balsakernen, die sowohl statische als auch bauphysikalische Funktionen erfüllen. Beim Eingangsgebäude auf dem Novartis-Campus in Basel wurde ein solches GFK-Sandwichdach (Bild 3) bereits realisiert. Die multifunktionale Dachkonstruktion besteht aus nur vier vorfabrizierten, großen Elementen mit doppelter Krümmung [6]. Ein zweites Projekt betrifft die geplante Integration von Solar- und Erdwärmegewinnung. Es wird untersucht, inwieweit und in welcher Form Wasserkreisläufe in Sandwichkonstruktionen integriert werden können, die dann als Absorber von Sonnenenergie und – über angeschlossene Wärmepumpen – von Erdwärme dienen (Bild 4).
Desweiteren wird hinsichtlich der Transparenz von GFK-Bauteilen der Zusammenhang zwischen Glasfasergehalt sowie Grad von Transluzenz und Tragvermögen untersucht. GFK-Laminate können einen Lichtdurchgang von über 90 % haben und dennoch ein gewisses Tragvermögen aufweisen. Ein letztes Projekt betrifft die Integration von Solarzellen und Leucht- dioden. Aufgrund der möglichen Transparenz von GFK wird untersucht, inwieweit opake oder transparente Solarzellen zur Stromgewinnung und Leuchtdioden zur Lichterzeugung in partiell transparente Deckschichten von GFK-Sandwichen integriert werden können [7]. Ein Hauptproblem stellt dabei die Wärmeerzeugung der integrierten Elemente und die damit verbundene thermische Ermüdung dar. Mit der integrierten Wasser- kühlung kann auch hier dem Problem wirksam begegnet werden.
Zeitfenster
Ein Rückblick in die Baugeschichte zeigt, dass die Überwindung der Materialsubstitutionsphase bei der Einführung neuer Baumaterialien keine kurzfristige Angelegenheit ist: Die Entwicklung von den Gusseisenkopien der Steinquader und Holzbaudetails bis zum geschweißten Stahlrahmen hat rund 70 Jahre gedauert, die Entwicklung der Stahlbeton-Flachdecke rund 40 Jahre beansprucht. Die GFK/CFK-Anwendung befindet sich noch in der Substitutionsphase und deren Überwindung bis zum Ausschöpfen des vollen Potenzials wird deshalb nicht morgen stattfinden. Das Heranwachsen einer neuen Generation von Ingenieuren und Architekten, die die neuen Materialien bereits in der Ausbildung kennen und anwenden lernen, ist dabei unabdingbar und wird den erforderlichen Zeitrahmen wesentlich mitbestimmen.
Literaturhinweise: [1] Keller Thomas, Use of fiber reinforced polymers in bridge construction. Internationale Vereinigung für Brücken und Hochbau, IVBH-IABSE, Structrual Engineering Documents 7, 2003 [2] Keller Thomas, Hochbautragstrukturen mit neuen Materialien. Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr. 26, 2000 [3] Keller Thomas, Künzle Otto, Wyss Urs, Eyecatcher – Fünfgeschossiges Gebäude mit GFK-Tragstruktur. Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr. 17, 1999 [4] Keller Thomas, Struktur und Form – Zur Entstehung materialgerechter Strukturformen. Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr. 12, 1998 [5] Tracy Craig, Fire endurance of multicellular panels in an FRP building system, EPFL-CCLab Doctoral Thesis No. 3235, 2005 [6] Keller Thomas, Haas Christoph, Vallée Till, Structural concept, design and experimental verification of a GFRP sandwich roof structure. ASCE Journal of Composites for Construction, 12/4, 2008, 454-468 [7] Keller Thomas, Vassilopoulos Anastasios, Manshadi Bezhad. Thermomechanical behavior of multifunctional GFRP sandwich structures with encapsulated photovoltaic cells, ASCE Journal of Composites for Construction, in press