Forschung und Entwicklung

Integrales Bauen

Integrales Bauen mit Faserverbundkunststoff

Holz GFK Faltwerk
Faltwerkkonstruktion in Holz mit Verbindungsteilen aus faserverstärktem Kunststoff

Initiiert durch die Fachgruppe Integrales Planen und Bauen des SIA, behandelt das Forschungsprojekt hybride Konstruktionsweisen. Im Fokus der Betrachtungen stehen dabei Mischkonstruktionen aus Holz und faserverstärktem Kunststoff sowie Bauteile aus Beton in Kombination mit FVK.

Die Entwicklungen des Instituts Konstruktives Entwerfen werden im Kontext des Integralen Bauens vertieft und mit Studierenden der Studiengänge Architektur und Bauingenieurwesen im Rahmen der Lehre bearbeitet.

Hybride Konstruktionen aus Holz und GFK

Gemeinsam mit der Zehnder Holz und Bau AG entwickelte unsere Fachgruppe Tragwerkslösungen mit Elementen aus glasfaserverstärktem Kunststoff im konstruktiven Holzbau.

Motivation für den Einsatz von Compositen als Ersatz von Stahlelementen oder in hybriden Konstruktionen mit Holz sind die guten mechanischen Eigenschaften, die sehr gute Beständigkeit und vorteilhafte Bauphysik und insbesondere die gute Bearbeitbarkeit.

Unterstützt wurde das Projekt durch die swissfiber AG, Sika Schweiz AG, Walter Mäder AG und durch die Kommission für Technologie und Innovation KTI.

Stabdübelverbindungen mit Laschen aus glasfaserverstärktem Kunststoff

Im Zentrum stand der Machbarkeitsnachweis für 1- bis 4-reihige Stabdübelverbindungen und geschraubte Plattenverbindungen.

Plattenentwicklung, Festigkeit, Lochleibung

Beispiel eines nicht optimalen Faseraufbaues Die gemessenen Zugfestigkeiten sind abhängig vom Laminataufbau und dem relativen Belastungswinkel. Bidirektionaler Laminataufbau [0/90]s: Je die Hälfte der Glasfasern ist in 0° und 90° orientiert.
Beispiel eines nicht optimalen Faseraufbaues
Die gemessenen Zugfestigkeiten sind abhängig vom Laminataufbau und dem relativen Belastungswinkel.
Bidirektionaler Laminataufbau [0/90]s: Je die Hälfte der Glasfasern ist in 0° und 90° orientiert. Festigkeit und Steifigkeit sind in orthogonaler Richtung maximal und gleich gross, dazwischenliegende Orientierungen sind markant schwächer.
Optimierter Lagenaufbau: Die gemessenen Zugfestigkeiten sind abhängig vom Laminataufbau und dem relativen Belastungswinkel. Quasi-isotroper Laminataufbau [0/90, 45/135]s: Jeweils ein Viertel der Glasfasern ist in 0°, 45°, 90° und 135° orientiert.
Optimierter Lagenaufbau:
Die gemessenen Zugfestigkeiten sind abhängig vom Laminataufbau und dem relativen Belastungswinkel.
Quasi-isotroper Laminataufbau [0/90, 45/135]s: Jeweils ein Viertel der Glasfasern ist in 0°, 45°, 90° und 135° orientiert. Festigkeit und Steifigkeit des Laminats sind fast nicht mehr richtungsabhängig.

Entwickelt wurden GFK-Platten, die die mechanischen Eigenschaften gängiger Stahllaschen erreichen und mit den Werkzeugen jeder Holzbauunternehmung geschnitten und montiert werden können. Aus verschiedenen Laminataufbauten wurden durch Zug- und Lochleibungsversuche optimale Konfigurationen für die gängigen Stärken von 5, 7 und 9mm bestimmt.

Passbolzenverbindung: Versuche im Massstab 1:1

Wie bei dieser dreireihigen Stabdübelverbindung mit einer 7mm dicken Lasche aus Glasfaser-Composite trat das Versagen der Zugverbindungen immer im Holzquerschnitt auf, während die geforderten Sicherheiten immer erreicht wurden.
Wie bei dieser dreireihigen Stabdübelverbindung mit einer 7mm dicken Lasche aus Glasfaser-Composite trat das Versagen der Zugverbindungen immer im Holzquerschnitt auf, während die geforderten Sicherheiten immer erreicht wurden.
Diese zweireihige Stabdübelverbindung wurde bei einer Zugbelastung von 30% der Bruchlast der ISO-Normbrandeinwirkung nach EN 1363-1 ausgesetzt.
Diese zweireihige Stabdübelverbindung wurde bei einer Zugbelastung von 30% der Bruchlast der ISO-Normbrandeinwirkung nach EN 1363-1 ausgesetzt. Der rechnerische Brandwiderstand von 30 Minuten wurde experimentell mit mehr als 55 Minuten deutlich übertroffen.
Um die Robustheit der Composite-Laschen zu prüfen, wurden auch vorgeschädigte Laschen geprüft. Diese Lasche aus GFK Composite wurde quer zur Belastungsrichtung 5mm tief eingeschnitten.
Um die Robustheit der Composite-Laschen zu prüfen, wurden auch vorgeschädigte Laschen geprüft. Diese Lasche aus GFK Composite wurde quer zur Belastungsrichtung 5mm tief eingeschnitten. Der Einfluss auf die Bruchkraft bleibt jedoch gering und sind auch in diesem beschädigten Zustand genügend.

Um die Machbarkeit von Stabdübelverbindungen mit Laschen aus Composite auch experimentell zu bestätigen, wurde eine umfangreiche Serie von Belastungsversuchen bis zum Bruch durchgeführt.

Die prototypischen Verbindungsplatten wurden in ein- bis vierreihige Stabdübelverbindungen eingebaut. Durchgeführt wurden Tragfähigkeitsversuche mit ein- bis vierreihigen Anschlüssen und ein- bzw. zweireihigen Anschlüssen unter Ermüdungsbeanspruchung, Dauerlast, Feuer, Frost, Wärme, Feuchte und mechanischer Vorschädigung.

Alle Versuche wurden mit Probekörpern gemäss SIA 265 im Massstab 1:1 durchgeführt.

Zuschnitt und Montage

Ein aufgelasertes Punkteraster ermöglicht den effizienten Zuschnitt der Platten.
Ein aufgelasertes Punkteraster ermöglicht den effizienten Zuschnitt der Platten.
Die Passbolzenverbindung kann spielfrei und ohne Aufwand montiert werden, da das Lochmuster der Holzkonstruktion einfach abgebohrt wird.
Die Passbolzenverbindung kann spielfrei und ohne Aufwand montiert werden, da das Lochmuster der Holzkonstruktion einfach abgebohrt wird.

Zuschnitt und Montage der Laschen erfolgen mit den üblichen Handmaschinen. Dadurch kann flexibel auf der Baustelle zugeschnitten werden, vorgefundene Lochmuster können mit der Handbohrmaschine direkt abgebohrt werden und anschliessend wird die Verbindung durch Einschlagen der Stabdübel montiert.

Fazit

Mit den vorgeschlagenen Compositelaschen sind leistungsfähige Stabdübelverbindungen herstellbar, die gleichwertig und alternativ zu den gängigen Konstruktionen eingesetzt werden können. Fertige Laschen in einigen Standardgrössen und grossformatigen Platten für den individuellen Zuschnitt bieten auch kleinen Holzbauunternehmern eine einfache, schnelle Verbindungslösung.

Das Platten-Scheiben-Modul PSM

Projektziele

Platten-Scheiben-Modul PSM Die Elemente des PSM-Moduls können je nach Orientierung mit Platten- oder Scheibentragwirkung eingesetzt werden. Sie sind hoch belastbar, leicht und günstig in der Fertigung.
Platten-Scheiben-Modul PSM
Die Elemente des PSM-Moduls können je nach Orientierung mit Platten- oder Scheibentragwirkung eingesetzt werden. Sie sind hoch belastbar, leicht und günstig in der Fertigung.

Das PSM-wurde in einem mehrjährigen Forschungsprojektes entwickelt, mit dem Ziel, ein modulares Tragsystem zu erhalten, welches günstige, sehr leichte und hoch belastbare Bauelemente ermöglicht. Die Elemente sollten industriell fertigbar sein aber trotzdem statische und architektonische Freiheiten lassen.
Umgesetzt wurde das Projekt durch die Fachgruppe FVK in Zusammenarbeit mit dem Hauptfinanzierungspartner swissfiber AG, den Wirtschaftspartnern Sika Schweiz AG und Mäder Kunstharze AG sowie der Förderagentur für Innovation des Bundes KTI.

Tragwerk und Fertigung

Platten-Scheiben-Modul PSM  Bei der Herstellung einer PSM-Platte wie hier im Labor werden GFK-Röhren in der gewünschten Länge zu Modulen kombiniert.
Platten-Scheiben-Modul PSM
Bei der Herstellung einer PSM-Platte wie hier im Labor werden GFK-Röhren in der gewünschten Länge zu Modulen kombiniert.

Das PSM-System basiert auf aneinandergereihten quadratischen, sehr dünnwandigen Röhren aus GFK in die im Spritzgussverfahren hergestellte Kreuze oder Einzeldiagonalen integriert werden. Die Platten können statisch als Platte in beide Richtungen tragend oder als Scheibe eingesetzt werden.
Die Platten sind in beliebiger Grösse in einem industriellen Prozess kostengünstig herstellbar.

Funktionsweise

Platten-Scheiben-Modul PSM  Das Konstruktionsprinzip des PSM-Moduls erlaubt Elemente beliebiger Länge und Breite. Die Diagonalen können entsprechend des Kraftverlaufes in die Platte integriert werden.
Platten-Scheiben-Modul PSM
Das Konstruktionsprinzip des PSM-Moduls erlaubt Elemente beliebiger Länge und Breite. Die Diagonalen können entsprechend des Kraftverlaufes in die Platte integriert werden.
Platten-Scheiben-Modul PSM  Das Konstruktionsprinzip des PSM-Moduls erlaubt Elemente beliebiger Länge und Breite. Die Diagonalen können entsprechend des Kraftverlaufes in die Platte integriert werden.
Platten-Scheiben-Modul PSM
Das Konstruktionsprinzip des PSM-Moduls erlaubt Elemente beliebiger Länge und Breite. Die Diagonalen können entsprechend des Kraftverlaufes in die Platte integriert werden.

Dank des optimalen statischen Aufbaus sind die sehr dünnwandigen Elemente enorm leicht und trotzdem hoch belastbar. Sie können Normalkräfte, Querkräfte und Biegemomente in alle Richtungen aufnehmen. Die bei sehr hoher Belastung entstehenden Beulfelder infolge Querkraft oder Biegung sind dank des speziellen Aufbaus der Platte stabil.

Einsatzmöglichkeiten

Platten-Scheiben-Modul PSM Die Elemente können wahlweise farbig, transluzent oder opaque ausgeführt werden. Die durchscheinenden Diagonalaussteifungen verursachen in transluzenten Elementen schöne Lichteffekte.
Platten-Scheiben-Modul PSM
Die Elemente können wahlweise farbig, transluzent oder opaque ausgeführt werden. Die durchscheinenden Diagonalaussteifungen verursachen in transluzenten Elementen schöne Lichteffekte.
Platten-Scheiben-Modul PSM Bei einem möglichen Einsatz als Hallendach können transluzente und lichtundurchlässige Elemente kombiniert werden.
Platten-Scheiben-Modul PSM
Bei einem möglichen Einsatz als Hallendach können transluzente und lichtundurchlässige Elemente kombiniert werden.

Die ungefüllten Querschnitte bieten die Möglichkeit zur Verlegung von Leitungen oder können mit einer Wärmedämmung gefüllt werden. Bei der Füllung mit transluzenten Wärmedämmungen sind tragende, lichtdurchlässige Dächer oder Wände mit sehr tiefem U-Wert möglich.

Deckenauflager

Platten Scheiben Modul Decke Wandanschluss
Platten-Scheiben-Modul PSM
Der Decke-Wand-Anschluss und der geschossübergreifende Wand-Wand-Übergang werden mit einer Ausnehmung im unteren Wandelement gelöst.
1. Aufgeschnittenes Wandelement
Platten Scheiben Modul Decke Wandanschluss
Platten-Scheiben-Modul PSM
Der Decke-Wand-Anschluss und der geschossübergreifende Wand-Wand-Übergang werden mit einer Ausnehmung im unteren Wandelement gelöst.
2. Eingesetztes Deckenauflager
Platten Scheiben Modul Decke Wandanschluss
Platten-Scheiben-Modul PSM
Der Decke-Wand-Anschluss und der geschossübergreifende Wand-Wand-Übergang werden mit einer Ausnehmung im unteren Wandelement gelöst.
3. Aufgelegte Geschossdecke
Platten Scheiben Modul Wandanschluss
Platten-Scheiben-Modul PSM
Der Decke-Wand-Anschluss und der geschossübergreifende Wand-Wand-Übergang werden mit einer Ausnehmung im unteren Wandelement gelöst.
4. Abdeckschiene
Platten Scheiben Modul Decke Wandanschluss
Platten-Scheiben-Modul PSM
Der Decke-Wand-Anschluss und der geschossübergreifende Wand-Wand-Übergang werden mit einer Ausnehmung im unteren Wandelement gelöst.
5. Aufgesetztes Wandelement

Der Übergang von der Wand- zur Geschossdecke und geschossübergreifende Wand-Wandübergänge können mit wenigen Sonderprofilen einfach und sauber gelöst werden. Unvorhergesehene Änderungen können mit den üblichen Holzbearbeitungsmaschinen direkt auf der Baustelle ausgeführt werden.

Als Platte angewendet wurde das PSM-Modul erstmals bei der Schecobrücke in Winterthur und als Scheibe für die Passerelle in Magglingen.

Carbon Beton

CPC carbonvorgespannte dünne Betonplatten

Carbonbewehrte Betonplatte
Carbonbewehrte Betonplatte
Der Zuschnitt der Platten in beliebige Formen ist problemlos möglich. Die angeschnittene Bewehrung ist quasi unsichtbar, korrodiert und verfärbt sich auch langfristig nicht.

Beispielhaft für den modernen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in hybriden Konstruktionen ist das aktuelle Projekt der Fachgruppe FVK zur Entwicklung sehr dünner Betonplatten für tragende Funktionen im Bauwesen. Gemeinsam mit der Silidur AG und mit finanzieller Unterstützung durch die KTI Förderagentur für Innovation des Bundes entstanden sehr filigrane, leistungsfähige, vorgespannte Platten aus carbonbewehrtem Beton.

In konventionellen Betonbauteilen muss die Stahlbewehrung stets durch eine äussere Betonschicht vor Korrosion durch Wasser, Tausalze oder chemisch aggressive Umgebung geschützt werden. Diese Betonüberdeckung ist üblicherweise 35 bis 55 mm dick und kann zum Lastabtrag bestenfalls teilweise aktiviert werden – sie trägt aber oft massgeblich zum Eigengewicht und der optischen Erscheinung des Bauelementes bei. Hier bietet der Einsatz von Carbon grosse Vorteile, denn Carbon korrodiert nicht, so dass die Betonüberdeckung auf ein absolutes Minimum reduziert werden kann.

Diese neuentwickelten Betonplatten sind konventionellen Konstruktionen in der Tragfähigkeit absolut ebenbürtig, durch den deutlich reduzierten Materialeinsatz aber im Ressourcenverbrauch und der Nachhaltigkeit überlegen.

Als Erstanwendung wurden die Platten als Belag für einen Steg und eine Brücke der neugestalteten Uferpromenade der Gemeinde Unterägeri eingesetzt. Das Projekt führte sogar zur Gründung eines Start-ups.

Seit Oktober 2016 ist die Eulachbrücke in Winterthur eröffnet, die komplett aus cpc-Platten gebaut wurde.