Der weitgehende Einsatz von Leichtbauelementen aus Carbon- und Textilbeton setzt neuartige Verbindungselemente voraus, da diese Bauteile wesentlich schlanker als vergleichbare Stahlbetonelemente ausgeführt werden können. Die Carbonbetonbauweise rückt dabei immer mehr in den Fokus von Planern, Architekten und Bauherren, was sich auf die vielen Vorteile des Baustoffs zurückführen lässt. Dass sich durch den Ersatz der Stahlbewehrung beim konventionellen Stahlbeton durch hochleistungsfähige Carbonfasern enorme Beton- und Ressourcenersparnisse ergeben, wurde in den letzten Jahren mehrfach sowohl bei der Verstärkung als auch beim Neubau unter Beweis gestellt.
Durch die neuen Möglichkeiten zu einem schlankeren und filigraneren Bauen mit Carbonbeton ergeben sich jedoch zusätzliche Fragestellungen. Im Bereich des Neubaus von Carbonbeton stellt die Verbindung von extrem schlanken Elementen große Herausforderungen an alle Beteiligten dar, da konventionelle Verbindungs- und Einbauteile aus Stahlbeton für Bauteildicken zwischen 20 bis 70 mm nicht konzipiert wurden. Jedoch muss dieser Aspekt gelöst werden, um dünne Carbonbetonelemente entweder miteinander verbinden zu können oder diese in bestehende Tragkonstruktionen zu integrieren, wodurch das gesamte Potenzial der Strukturen ausgeschöpft werden kann.

 

Verbindungselemente im Bauwesen verbinden dabei einzelne Bauteile, meist Fertigteile. Deshalb müssen die Verbindungsmittel eine zuverlässige und effiziente Kraftübertragung zwischen den Bauteilen sicherstellen. Alle Befestigungstechniken haben gemein, dass neben der Lastübertragung eine ausreichende Flexibilität für die Montage der Bauteile auf der Baustelle gewährleistet sein muss, um auf Maßabweichungen reagieren und eine Justierung durchführen zu können.
Für diese Problemstellung wurde innerhalb des smart3 Forschungsvorhabens »TAVIMBA – Thermisch aktivierte Verbindungselemente im modularen Bauen«, bestehend aus den Projektpartnern JORDAHL GmbH, dem Institut für Massivbau – Technische Universität Dresden, dem Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik sowie der CARBOCON GmbH, ein neuartiger Ansatz entwickelt.
Für diesen neuen Ansatz wird das im Bauwesen noch recht unbekannte Potenzial der Formgedächtnislegierung verwendet. Ihr Vorteil ist, dass diese durch Aktivierung, z. B. durch Erwärmung, ihre Form ändern können. Mithilfe von Formgedächtnislegierungen (FGL) wurden verschiedene Verbindungskonzepte und Prototypen für das im Projekt festgelegte primäre Anwendungsfeld des Fassadenbaus erarbeitet.

Als Randbedingung für das Verbindungskonzept wird von einer vorgehängten Carbonbetonfassadenplatte mit einer Dicke von 30 bis 50 mm ausgegangen. Die dünnwandige Platte soll mithilfe der FGL-Verbindung mit der tragenden Außenwand kraftschlüssig verbunden werden. Die Kraftübertragung zwischen der Fassadenplatte und dem Verbindungsstift soll über modifizierte JORDAHL Montageschienen erfolgen. Die JORDAHL Schienen sind kraftschlüssig mit dem Beton mithilfe eines für dünne Bauteile entwickelten Verankerungssystems verbunden. Die Kraftübertragung erfolgt zwischen dem Stift und der Schiene durch die FGL-Adapter. Im nicht aktivierten Zustand wird der Stift in die Schiene eingeführt. Anschließend erfolgt die Aktivierung des FGL-Verbinders durch eine externe Stromzufuhr. Die Temperaturerhöhung des Verbinders infolge der Bestromung führt zur Aktivierung der FGL und zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Verbindungsstift und Schiene durch eine Längsausdehnung der FGL-Stifte.

Das erarbeitete Verbindungskonzept unter Verwendung der FGL kann im Betonbau in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Mit diesem Ansatz können nicht nur schlanke Carbonbetonbauteile tragsicher verankert werden. Es wird ebenfalls ein leichterer und sicherer Arbeitsablauf auf der Baustelle gewährleistet. Darüber hinaus ist mit einer Verbindung mithilfe FGL ein Austausch von Fassadenplatten möglich ohne, dass umliegende Platten abgehängt werden müssen.
Zum Abschluss des Vorhabens soll ein Demonstrator unter Berücksichtigung eines realen Arbeitsablaufes auf der Baustelle umgesetzt werden, um das große Potenzial des FGL-Verbindungskonzeptes zu zeigen. Die hier gezeigte Verbindung wird ein erster Schritt in eine vollständig neue Welt der Verbindungen im Bauwesen sein und eine neue Generation von Bauteilen zur ressourcenschonenden Lösung alter und neuer Bauaufgaben ermöglichen.
Das Forschungsvorhaben »TAVIMBA« entstand in einem gemeinsamen Workshop, der vom Ministerium für Bildung und Forschung geförderten Zwanzig20-Konsortien C3 und smart3. Das C3-Netzwerk, das vom Institut für Massivbau der TU Dresden koordiniert wird, hat es sich zur Aufgabe gemacht, Stahlbeton durch nicht korrodierenden Carbonbeton zu ersetzen. Auch das Projekt zeigt: „Netzwerken lohnt sich auf allen Ebenen.“

 

Text: Stefanie Kallnick, Alexander Schumann (CARBOCON GmbH); Mazen Ayoubi, Sacha Sobotta (JORDAHL GmbH); Kai Thüsing, Thomas Kropp (Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik); Harald Michler, Dominik Schlüter (Institut für Massivbau – Technische Universität Dresden)
Foto: JORDAHL GmbH, Heiko Küverling

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