Ultradünnes und ultraleichtes Betondach

Ingenieure der ETH Zürich haben ein neuartiges Dach entwickelt, das die Baubranche revolutionieren könnte: Das ultradünne und ultraleichte Betondach benötigt weniger Energie, Material und Zeitaufwand als der konventionelle Dachbau. Die Debrunner Acifer Bewehrungen AG pflegt eine enge Zusammenarbeit mit Hochschulen und Forschung und hat rund 3 t PREZINC 500® verzinkter Bewehrungsstahl B500 für dieses zukunftsgerichtete Projekt gesponsert.

Das revolutionäre Dach ist Teil der neuen Forschungs- und Innovations-Unit «HiLo», die am 6. Oktober 2021 eröffnet worden ist. Die Unit gehört zum Forschungsgebäude NEST von Empa und Eawag in Dübendorf. HiLo ist ein zweigeschossiges Gebäude auf der obersten Plattform von NEST und komplett in Leichtbauweise errichtet. Erforscht werden nebst dem Leichtbau intelligente adaptive Gebäudesysteme wie beispielsweise eine Solarfassade. Sowohl die Klimatisierung als auch die Energieversorgung soll selbstständig lernen und sich wechselnden Komfortbedürfnissen und Energieverhältnissen anpassen. Die neue Unit soll als Plus-Energie-Bau insgesamt mehr Energie erzeugen, als die Bewohner verbrauchen. HiLo steht für «high performance – low emissions».

Flexible Schalung

Mit dem «Dach der Zukunft» möchte die Block Research Group der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Philippe Block und Dr. Tom Van Mele eine neue Konstruktionsform testen. Das HiLo-Dach muss Anforderungen wie Statik oder Wärmedämmung durch mehrschaligen Aufbau erfüllen. Zudem soll es den Raum nach innen optisch vergrössern. Tom Van Mele: «Wir wollten ein trotz komplexer Konstruktion praxistaugliches stabiles Dach bauen mit einer Schalung, die weniger Material verbraucht als eine herkömmliche Schalung.»

Netz aus Stahlseilen als Trägerstruktur

Die Geometrie spielt eine entscheidende Rolle für die Stabilität eines Gebäudes, wenn grosse Materialmengen vermieden werden sollen. Für die Berechnung der Dachschalung haben die ETH-Forscher deshalb extra einen Algorithmus für eine verstellbare Seilnetztechnik geschrieben: Ein Netz aus Stahlseilen dient als Trägerstruktur für das geschwungene, an ein Kirchendach erinnernde, ultradünne und ultraleichte Betondach. Das Stahlseilnetz ist zwischen Randbalken gespannt, die auf Stützen festgemacht sind. Es ist leicht, einfach zu transportieren und kann nach Abschluss der Bauarbeiten erneut verwendet werden. Auf das Netz ist eine textile Polymer-Plane gespannt, und auf diese Pl im Spritzverfahren aufgebracht. Dieser Vorgang spart einerseits Zeit, denn dank dieser Bauweise können im Gebäudeinneren Arbeiten vorgenommen werden, während das Dach noch betoniert wird. Andererseits entfallen dank der Seilnetztechnik die im Betonbau sonst üblichen Holzverschalungen und der Materialverbrauch reduziert sich deutlich.

1:1-Prototyp liefert Erkenntnisse

«Wir wollen aufzeigen, dass Betonschalungen nicht nur in ihrer Anwendung effizient sind, sondern es auch in ihrer Konstruktions- und in ihrer Bauweise sein können», sagt Tom Van Mele. Nur ein 1:1-Prototyp des am Computer entwickelten Dachs würde Stärken und Schwächen offenbaren. Für die bauliche Umsetzung des Prototyps holte man sich Unterstützung bei Theo Bürgin von der Bürgin Creations. So entstanden in den Hallen der ETH und am Sitz von Bürgin Creations von 2012 bis 2016 verschiedene kleine Prototypen, dann begann die Planung des 1:1-Prototyps, der 2017 fertiggestellt war und eine Höhe von 7,5 m, eine Fläche von 162 m² und eine Überdeckung von 120 m² aufwies.

Ein nur 19 cm dickes Dachtragwerk

Im Frühling 2019 begannen die Arbeiten auf der Baustelle mit dem Dachgerüst bestehend aus fünf senkrechten Stangen für die Auflagepunkte des Dachs. Es folgten die Randbalken als Spezialkonstruktion. Von August bis November 2019 spannte die Block Research Group die Stahlseilnetze und legte die textile Polymer-Plane darüber. Darauf spritzte das Team von Theo Bürgin zwischen Mai und August 2020 den Leichtbeton. Die Dachkonstruktion besteht aus einer inneren 5 cm dicken und einer äusseren 3 cm starken Schale. Die beiden Schalen sind über nur 3,5 cm breite Betonrippen miteinander verbunden und wirken dadurch im Verbund. Die Hohlräume zwischen den Rippen sind mit Dämmblöcken gefüllt, die einerseits als Wärmedämmung und andererseits als verlorene Schalung für die Rippen dienen. Die Gesamtdicke des Dachtragwerks beträgt 19 cm. Die gesamte Dachkonstruktion wiegt weniger als 20 t, was leicht und filigran ist verglichen mit konventionellen Bauweisen.

Selbsttragendes Dach und faserarmierter Leichtbeton

«Nebst zeitlichem, terminlichem und finanziellem Druck bedeutete der Übergang von der HiLo-Glasfassade zum Dach eine Herausforderung für uns», berichtet Tom Van Mele. «Das Dach ist selbsttragend, das heisst, es liegt nicht auf der Glasfassade auf, denn diese würde zerbrechen.» Als Übergang hat das ETH-Team deshalb ein Stahlprofil an die Dachränder montiert, das die Glasfassade umarmt, jedoch nicht mit dem Glas in Berührung kommt. Baumeister Theo Bürgin: «Viele weitere Schwierigkeiten mussten gelöst werden. So mussten wir beispielsweise den Spritzbeton am Standort der Unit HiLo im obersten Stock des Forschungsgebäudes NEST auftragen.» Der von Theo Bürgin entwickelte faserarmierte Leichtbeton zieht schnell ein, weshalb er nur in kleinen Mengen angemischt werden kann. Der Bau einer speziellen Maschine war nötig, um per Knopfdruck den Beton vom Boden auf die oberste NEST-Plattform zu pumpen und einen konstanten Betonfluss zu gewähren. Wegen der Leichtbauweise des Dachs musste das Betonspritzen teilweise von einer Hubarbeitsbühne aus liegend erledigt werden. Die Hubarbeitsbühne verunmöglichte den Einsatz von den normalerweise 8 bis 10 Meter langen Stahlstangen als Bewehrung, weshalb das Projektteam auf 5 bis 6 Meter lange Stangen zurückgreifen musste.

Debrunner Acifer Bewehrungen sponsert Spezialbewehrung

Für dieses innovative Projekt hat die Debrunner Acifer Bewehrungen AG, die eine enge Zusammenarbeit mit Hochschulen und Forschung pflegt, rund 3 t Bewehrungsstahl gesponsert. Es handelt sich dabei um ein spezielles Produkt: PREZINC 500® ist der einzige am Schweizer Markt ab Werk verfügbare verzinkte Betonstahl B500. Er ist mit einem Durchmesser von 6 mm erhältlich und ermöglicht dadurch das korrosionsfreie Bewehren schlanker Konstruktionen mit kleinen Abbiegeradien und geringen Überdeckungen. Eine normgemässe Betonüberdeckung hätte bei HiLo wegen der dünnen inneren und äusseren Schale des Dachtragwerks nicht funktioniert. Selbst im Bauzustand besteht bei PREZINC 500® dank der Verzinkung keine Gefahr von Rost-Abwaschungen, die besonders bei Sichtbeton zu ästhetischen Mängeln führen können.

Bewehrungsstahl wird direkt auf Baustelle gebogen

«Die Zugkräfte, die von der Bewehrung aufgenommen werden müssen, sind klein», erläutert Theo Bürgin. «Wegen der unregelmässigen Form des Dachs haben wir darauf verzichtet, die Bewehrungseisen bereits im Werk biegen zu lassen. Damit wir die geraden Eisen auf der Baustelle einfach in die geschwungene Form des Dachs biegen können, sollte der Durchmesser der Bewehrungsstäbe möglichst klein sein.» Normalerweise liegt die Toleranz bei eine Stahlbewehrung bei 1 cm. Beim HiLo-Dach musste die Bewehrung jedoch im Millimetertoleranzbereich gelegt werden. PREZINC 500® verzinkter Betonstahl B500 mit einem Durchmesser von 6 mm war die optimale Lösung für dieses Bauprojekt.

Zukunftsweisende Erkenntnisse für die Bauwirtschaft

Für die Bauwirtschaft ist das HiLo-Dach als Prototyp interessant, denn es demonstriert sowohl die Praxistauglichkeit als auch die Effizienz des flexiblen Schalungssystems. Der Materialverbrauch reduziert sich deutlich verglichen mit bisherigen Methoden zur Erstellung doppelt gekrümmter Betonschalungen, ebenso der Abfall, da die starre von unten abgestützte Schalung entfällt. Die Bauzeit des Dachs vor Ort verkürzt sich enorm, da diese Art der Schalung weniger Arbeit verursacht als die konventionelle Dachbauweise: Das Seilnetz wird am Rand von Balken gehalten, daher sind keine inneren Stützen und Fundamente dafür notwendig. Der Zugang unter die Schalung und somit genügend Bewegungsspielraum sind jederzeit gewährleistet, was das System interessant macht für den Brückenbau – der Verkehr wird während der Bauzeit nicht gestört.

Balance zwischen Konstruktion und praktischer Umsetzung finden

«Unsere Forschungsresultate bei HiLo sind in echt zu erleben, in einem realen Gebäude, das den Bauvorschriften entspricht und in Zusammenarbeit mit der Industrie entstanden ist», erklärt Tom Van Mele. Das Dach funktioniere in der Praxis und sei ein Blickfang auf dem NEST-Gebäude. «Vom Prototyp bis zum fertigen Dach haben wir im Konstruktionsbereich grosse Fortschritte erzielt und ‹praktische› Erkenntnisse gewonnen, so zum Beispiel bei der Zusammenarbeit mit der Industrie: Wir müssen eine Balance finden zwischen effizienter Konstruktion und Umsetzbarkeit auf der Baustelle.»

Lieferauszug Debrunner Acifer

• 3 t PREZINC 500® verzinkter Betonstahl B500

Verzinkter 6-mm-Bewehrungsstahl

Michael Knauß, Projektleiter in der Ausführungsphase, ROK Architekten

Weshalb haben Sie sich bei HiLo für verzinkten Bewehrungsstahl entschieden?

Das Dach besteht aus zwei Betonschalen, die über Rippen aus Beton verbunden sind. Die einzelnen Schalen sind mit 5 cm und 3 cm Stärke sehr dünn. Wegen der dadurch resultierenden geringen Betonüberdeckung und des Tragverhaltens der Stahlbewehrung fiel die Wahl des verantwortlichen Ingenieurs Dr. Marco Bahr auf verzinkten Bewehrungsstahl im Innenbereich und eine Chromstahlbewehrung im Aussenbereich.

Und warum war es schliesslich PREZINC 500® verzinkter Bewehrungsstahl B500? Was für Vorteile hat er?

Wie erwähnt sind die Betonschichten sehr dünn, die Bewehrung lässt sich daher zum Schutz vor Korrosion nicht in der üblichen Tiefe im Beton einbauen. Die Verzinkung gewährt einen besseren Korrosionsschutz. Die gewählte Bewehrung ist nur 6 mm dick und lässt sich bei Bedarf von Hand biegen, dadurch sind auch komplexe 3D-Formen mit vertretbarem Aufwand möglich. PREZINC 500® verzinkter Bewehrungsstahl B500 erfüllte daher für unser Projekt alle baulichen Anforderungen. Für die Planung des Layouts der Bewehrung in der doppelt gekrümmten Schale haben wir einen Algorithmus entwickelt, der die präzise Anordnung der Stäbe in den einzelnen Lagen nach den Vorgaben des Ingenieurs garantierte. Die Bewehrung wurde wie alle Bestandteile der Dachkonstruktion und des Gebäudes komplett 3D geplant. Aus dem 3D-Modell konnten im Anschluss die Montagepläne für die Baustelle abgeleitet werden.

Wie zufrieden sind Sie mit dem Produkt?

Die Stahlstangen liessen sich auf der Baustelle nach Planvorgaben gut in die doppelt gekrümmte Form der Dachschale einlegen. Das Vorbiegen und das Sortieren der Stäbe im Werk waren deshalb nicht nötig, was Zeit und Arbeit gespart hat. Wegen ihres geringen Gewichts konnte die Bewehrung gut von der Hubarbeitsbühne aus montiert werden. Wir sind alles in allem sehr zufrieden mit dem Produkt.

Weshalb haben Sie mit Debrunner Acifer Bewehrungen zusammengearbeitet?

Debrunner Acifer Bewehrungen ist eines der wenigen Unternehmen, die PREZINC 500® verzinkter Bewehrungsstahl B500 liefern können.

Was schätzen Sie an der Zusammenarbeit?

Es war meine erste Zusammenarbeit mit Debrunner Acifer Bewehrungen. Wir wurden sehr gut beraten und die Lieferung des Bewehrungsstahls erfolgte zügig zur Zufriedenheit aller Beteiligten. Ich kann mir eine weitere Zusammenarbeit in Zukunft sehr gut vorstellen.

Erstes gemeinsames Projekt von der Block Research Group und der Industrie

Dr. Tom Van Mele, Senior Scientist and Co-Director der Block Research Group der ETH Zürich

Welche Bedeutung hat HiLo für die Block Research Group?

Für uns bedeutet das HiLo-Dach einen Meilenstein, da es das erste Projekt ist, das wir zusammen mit der Industrie umgesetzt haben. Das heisst, wir haben uns nicht auf die Planung am Computer beschränkt, sondern das Dach zusammen mit verschiedenen Industriepartnern tatsächlich gebaut. HiLo ist ein erfolgreiches Projekt für uns und damit für die ETH, da der Transfer von der Theorie in die Praxis vollzogen worden ist. Darauf werden wir zukünftig fokussieren. Forschungsresultate nützen nichts, wenn sie im Labor bleiben.

Was sind die Vor- und die Nachteile des Leichtbaus im Allgemeinen und in Bezug auf das HiLo-Dach?

Der erste Gedanke ist immer: Die Leichtbauweise erfordert weniger Material. Das stimmt zwar, aber es ist nur einer der Vorteile. Es geht auch darum zu zeigen, dass die Materialreduktion beim Leichtbau nicht enormen Materialeinsatz für die Konstruktion bedingt. Das hat Konsequenzen für die Geometrie, die komplexer wird und trotzdem praxistauglich sein muss.

Was können Sie uns zur Planung von HiLo berichten?

So eine Konstruktion hat es noch nie gegeben, was bedeutet: Es sind keine Erfahrungswerte vorhanden und keine Vergleiche möglich. Wir mussten alles selber entwickeln und ständig Konsequenzen voraussehen, die unsere Entwicklungen haben könnten. Das hat Zeit gekostet. Die Folge war hoher Zeitdruck: Im Rücken warteten unsere Industriepartner, die loslegen wollten. Wir wiederum wollten ihnen ein möglichst perfekt geplantes Objekt präsentieren. Irgendwann kam der spannende Zeitpunkt, an dem wir von der Theorie in die Praxis umsteigen mussten.

Worauf mussten Sie bei der Planung besonders achten?

Die Schalung des HiLo-Dachs ist ein flexibles System. Jede Phase – jede Schicht – hat ihre Aufgabe und ist auf die anderen Phasen abgestimmt in Grösse, Bauweise, Design usw. Ist der Beton einmal hart, ist das Dach fertig und es sind keine Änderungen mehr möglich.

Weshalb hat das Dach diese geschwungene Form?

Wir wollten damit zeigen, dass unsere Bauweise nicht an Standardformen gebunden ist, sondern auch mit kreativen, aussergewöhnlichen Formen funktioniert.

Welche Bedeutung hat das Projekt für Sie persönlich?

Für mich ist das Projekt mit Nostalgie verbunden, denn das HiLo-Dach ist eine Anwendung einer der ersten wissenschaftlichen Publikationen von Philippe Block und mir im Jahr 2010. Es freut mich, elf Jahre später das gelungene Resultat zu sehen. Überdies ist dieses Dach das grösste Projekt, das die Block Research Group bisher ausgeführt hat.

Die Praxistauglichkeit von Forschung erleben

Reto Largo, Geschäftsführer NEST

NEST mit seinen Forschungs-Units – HiLo ist eine davon – ist ein belebtes Labor und ein Ort, wo sich Forschende und Wirtschaftspartner begegnen. Gemeinsam entwickeln sie neue Technologien, bauen diese in reale Projekte ein und demonstrieren damit deren Praxistauglichkeit. Interessierte Personen aus der Baubranche können im NEST neuartige Bauweisen und innovative Konzepte hautnah erleben und sich inspirieren lassen. Die neuste Unit HiLo zuoberst auf dem NEST ist ein architektonisches und gebäudetechnisches Highlight in Leichtbauweise. Ausserdem ist das Projekt ein gutes Beispiel dafür, wie Forschung und Industrie voneinander lernen können. Ich bin sehr zufrieden mit dem Resultat und stolz auf das Erreichte.»