Formflexible Schalungswerkzeuge

Bei repräsentativen Gebäuden haben Architekten und Bauherren oft den Wunsch, durch den Einsatz dreidimensio-naler Freiformflächen besondere Akzente zu setzen. Diese sollen zugleich auch effiziente Tragsysteme der Bauten sein. Solche Strukturen lassen sich im klassi-schen Schalungsbau für Beton nur mit grossem Arbeits-und Ressourcenaufwand bewerkstelligen. Bereits nach einmaliger Benutzung sind die Schalungen nicht mehr zu gebrauchen und müssen entsorgt oder kostenintensiv modifiziert werden. Hohe Kosten und Nachhaltigkeitsaspekte verhindern so oft die Umsetzung solcher Entwürfe. Nur vereinzelte Projekte namhafter Architekten, wie der Zollhof in Düsseldorf von Frank O. Gehry oder Betonbauwerke von Zaha Hadid, sind Beispiele dafür, wie geschwungene Fassaden in ihren Tragwerksformen zugleich dem Kraftfluss angepasst sind. Das Projekt Flex4Beton wurde geleitet von Prof. Christoph Maurer, Fakultät für Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik der Fachhochschule München. Das Ziel war die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem dreidimensio-nal gekrümmte Geometrien im Beton-fertigteilbau einfacher, schneller und kostengünstiger realisierbar sind als im konventionellen Schalungsbau. Im Rahmen der Abschlusspräsentation des Projektes haben Besucher die Möglichkeit, eine mit neuen adaptiven Fertigungstechniken hergestellte Auswahl an zweifach gekrümmten Sichtbetonteilen zu besichtigen.

Flexibler Werkstoff Beton

Beton ist durch seine Formbarkeit als flüssiger Frischbeton, seine Oberflächen-qualität und Festigkeit ein hervorragen-der Werkstoff zur Herstellung gekrümm-ter Strukturen. Die Verarbeitung des Zweifach gekrümmte Sichtbetonbauteile in der Ausstellung im Foyer der Fakultät für Bauingenieurwesen der Hochschule München. der bauingenieur 5 2020 30 | Technik Schalung flüssigen Baustoffs erfordert eine geeignete Schalung, um den Beton in Form zu bringen. Vor allem bei komplexen Krümmungen ist das Einwegmaterial des konventionellen Schalungsbaus zu teuer. In der konventionellen Bauweise werden die Sonderschalungen dabei in der Regel durch Holzschalungen aufgebaut. Diese Schalungstechnik zeichnet sich aller-dings durch einen hohen manuellen Aufwand in der Herstellung aus. Auch müssen die Schalungen nach der Nutzung oft entsorgt oder aufwendig umgebaut werden.

Innovation durch MultipointTooling Technologie

Bisherige adaptive Schalungswerkzeuge konzentrierten sich hauptsächlich auf die Herstellung dünner Betonquerschnitte. Im Forschungsprojekt Flex4Beton entwickel-ten die Hochschule München und die Technische Hochschule Nürnberg gemein-sam mit Industriepartnern einen Prozess für flexibel konfigurierbare Schalungen für dickwandige Betonbauteile. Die Technologie des sogenannten Multipoint Tooling wird bereits in anderen Ingenieur-bereichen verwendet, um z.B. individuelle Formen aus faserverstärkten Kunststof-fen oder Metallblechen zu fertigen. Mit der Multipoint-Tooling-Technologie wird eine beliebig gekrümmte Form durch eine Vielzahl von individuell stufenlos einstell-baren Stiften aus CAD-Daten heraus abgebildet. Die Abbildung der gewünschten Freiform wird dabei durch eine auf den Stiften aufliegende, elastische Kunststoff-schicht geglättet. Diese sogenannte Interpolationsschicht muss eine ausrei-chend hohe Querkrafttragfähigkeit sowie Biegesteifigkeit gegenüber dem Frisch-betondruck aufweisen, sodass die Durch-biegung zwischen den Stützstellen gering ist und sich die Stifte nicht im fertigen Produkt abzeichnen. Andererseits muss eine ausreichende Elastizität bzw. hohe Verformungsfähigkeit in der Ebene («zugweiches» Materialverhalten) gegen-über den Spannungen vorhanden sein, die bei der Einstellung von zweifach gekrümm-ten Formen in der Fläche entstehen. Ergebnis des Projekts «Flex4Beton» ist ein Schalungswerkzeug für Betonbau-teile, das immer wieder verwendet werden kann und die Produktion von dickwandigen Bauteilen ermöglicht, die als tragende Elemente in der Konstruk-tion eingesetzt werden können. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein Prototypenstadium des Schalungs-werkzeugs erreicht, das für den Einsatz im Fertigteilwerk optimiert ist. Für eine Serienreife im Baustelleneinsatz sind noch weitere Entwicklungsschritte zur Modulkopplung, Fugenausbildung und Beulung der Stützstellen bei grossen Krümmungen erforderlich.