Geschossdecken aus Lehm
Projektdurchführung
wh-p GmbH Beratende Ingenieure
Düsseldorfer Str. 38
10707 Berlin
Zielsetzung
Mit vorliegendem Forschungsantrag wird gezeigt, dass Bögen aus gestampftem Lehm seriell wirtschaftlich hergestellt werden können. Zudem wurden Belastungsversuche bis zum Bruch durchgeführt und wissenschaftlich begleitet. Die Lehmbögen werden als primär tragendes Bauteil als Geschossdecken eingebaut. Geschossdecken beanspruchen im Hochbau ca. 40-60% des Materials, dass für die tragende Struktur eingesetzt wird. Die Lehmbögen als reines Naturprodukt können also eine Erhebliche Verbesserung der CO2 Bilanz erreichen. Die grundsätzliche Machbarkeit der Bögen wurde im vorangegangenen Projekt KalZ (gefördert durch die DBU) bereits erfolgreich gezeigt. Um sie nun wirtschaftlich und wissenschaftlich ,,bewiesen'' umsetzen zu können, muss die Produktion von Hand durch eine robotische Serienfertigung ersetzt werden und es müssen Bauteilversuche durchgeführt werden. Die handwerkliche Herstellung der Bögen führt zu Baukosten, die nicht wirtschaftlich darstellbar sind. Eine serielle, robotische Fertigung ist zwingend erforderlich, um die Bögen wirtschaftlich attraktiv zu machen. Die Erarbeitung der Grundlagen für die Serienfertigung ist Teil dieses Vorhabens, ebenso wie die Durchführung der Bauteilversuche. In Bezug auf die CO2 Bilanz ist die Decke aus Lehm offensichtlich deutlich überlegen, da sie aus einem reinen Naturprodukt basiert, welches auch naturbelassen bleibt und im Falle eines Rückbaus lediglich als ,,Erde‘‘ zu bezeichnen ist.
Arbeitsschritte
1) (semi)-robotische Fertigung von Stamplehmbögen
Um eine wirtschaftliche und serielle Fertigung von Stampflehmbögen für den Einsatz als primär tragendes Bauteil für Geschossdecken zu ermöglichen, wurde zunächst eine Systemschalung entwickelt. Die Bögen werden auf der ,,Kante stehend" in der Schalung lagenweise mit einem pneumtatischen Stampfer verdichtet und so hergestellt. Die Bögen werden unmittelbar nach dem Stampfen im feuchten Zustand und ohne Zugstangen oder seitliche Halterungen mit einer speziell entwickelten Greif- und Dreh-Vorrichtung gedreht und auf einer Lager- und Transportplattform abgesetzt. Später könnten sie auf der Baustelle also unmittelbar nach dem Stampfen gedreht und eingebaut werden und in der Endlage im Bauwerk trocknen. Dies spart immens Zeit, da keine Logistikfläche zum Trocknen vorgehalten werden muss.
2) Bauteilversuche
Für den statischen Nachweis der Bögen sind symmetrische und antimetrische Lastfälle zu untersuchen. Die FE-Analyse wird durch Bauteilversuche verifiziert bzw. die Erkenntnisse aus den Bauteilversuchen werden in das FE-Modell übernommen, so dass dieses noch realitätsnaher wird.
Im Rahmen des Vorhabens wird ein Versuchsstand konzipiert, der in der Lage ist, die Bögen antimetrisch und symmetrisch bis zu 20t zu belasten. Der Versuchsstand wird hergestellt und die Versuche werden durchgeführt.
Ergebnisse
1) Fertigung
Es hat sich gezeigt, dass eine serielle Fertigung der Bögen möglich ist und das insbesondere das Verdichten nicht von Hand durchgeführt werden muss, sondern durch pneumatische Stampfer, die in einem Schienensystem geführt werden, übernommen werden kann. Ebenso hat sich gezeigt, dass die Zugstanden (diese wurden im vorherigen KalZ Forschungsvorhaben noch eingesetzt) nicht notwendig sind und vor allem: ein Drehen der Bögen ist noch im feuchten Zustand unmittelbar nach dem Stampfen möglich (dies ist ein erheblicher Zeitvorteil, da die Bögen nicht irgendwo trocknen müssen, sondern direkt gedreht, versetzt und eingebaut werden können).
2) Bauteilversuch
Die Bauteilversuche haben gezeigt, dass die Bögen ca. 15t Belastung aufnehmen können, bevor sie versagen. Es konnten mehrere Erkenntnisse aus den Versuchen gewonnen werden, z.B.: Bei antimetrischer Belastung hat sich der Bogen am lastentfernten Lager aus dem Lager vertikal ,,herausgeschoben''. Durch eine Anpassung des Auflagerdetails konnte diese Verschiebung verhindert werden und damit die aufnehmbare Last nochmals gesteigert werden. Aktuell werden die Versuchsergebnisse vom Ingenieurbüro wh-p im FE-Modell nachgebildet und damit ein FE-Bemessungsmodell erstellt für zukünftige andere Bogengeometrien. Die Belastung der Bögen im Versuch ist trotz intensiver Überlegungen und Optimierungen des Versuchsaufbaus immer noch ,,recht punktuell'' und damit für Bögen ungünstiger als später in der Realität. Durch das exakte Nachbilden der Versuchsergbnisse im FE-Modell kann dann die Traglast der Bögen unter ,,realistischen'' Lastszenarien abgebildet werden. Diese liegt nochmals höher als die 15t, die sich in den Versuchen ergeben haben.
Öffentlichkeitsarbeit
Das Interesse an den Bögen bei Architekten und privaten Bauherren ist gross.
In der Werkshalle vom Kooperationspartner Lehm Ton Erde werden diese Bögen seit Februar ,,ausgestellt'' und quasi wöchentlich Besuchern der Werkshalle gezeigt.
Zudem finden Präsentationen durch Lehm Ton Erde und wh-p Ingenieure statt, insbesondere bei Architekturbüros, zum Thema Tragwerke aus Lehm. Eine Veröffentlichung in der nbau wird angestrebt, sowie eine Verbreitung der Ergebnisse beim Dachverband Lehm.
Fazit
Das Forschungsvorhaben hat alle vorhergegangenen Überlegungen zum Tragverhalten und zur Herstellung von gestampften Lehmbögen bestätigt.
Insbesondere die Fertigung mit Einsatz von maschinellen Stampfern und das Drehen der noch feuchten Bögen ohne ,,Schablone'' oder Zugstangen konnte gezeigt werden. Es wurden insgesamt ca. 20 Bögen hergestellt. Die Erkenntnis, dass die Bögen im noch feuchten Zustand gedreht, versetzt und eingebaut werden können ist eine großartige Erkenntnis. Logistikflächen zum Trocken und Trockenzeit können entfallen.
Die Belastungsversuche konnten die hohe erwartete Traglast der Bögen bestätigen.
Fazit ist allerdings auch, dass die Kosten für den Versuchsaufbau und die Begleitung durch ein Prüfbüro deutlich über dem erwarteten Rahmen lagen. Die Gesamtkosten des Projekts haben sich um ca. 30% erhöht.