LEHM
KUPPELGEWÖLBE
Entwicklung und Test einer Rotationslehre zur Herstellung von Kuppelgewölben.
Fachgebiet:
Forschungslabor für Experimentelles Bauen
Universität Gesamthochschule Kassel
Förderung:
Eigenmittel
Projektlaufzeit: 1992
Projektmitarbeiter:
Frank Millies, Friedemann Mahlke
Entwicklung und Test einer Rotationslehre zur Herstellung von Kuppelgewölben um Rotationskuppeln beliebiger Proportion und insbesondere Kuppeln mit statisch optimiertem Querschnitt ohne Schalung herstellen zu können, wurde 1987 vom FEB eine Rotationslehre entwickelt, mit der ohne spezielle handwerkliche Kenntnisse Kuppeln aus Lehmsteinen oder gebrannten Ziegeln gemauert werden können.
Diese Lehre besteht aus einem Winkel, der auf einer Kurve gleitet, die dem optimalen Kuppelquerschnitt entspricht („Stützlinienkuppel“).
Diese ist an einer senkrechten Achse drehbar gelagert. Die Lehmsteine werden an den Winkel angelegt und somit ringförmig Schicht für Schicht gemauert.
Die Abbildungen zeigen die Anwendung dieser Technik bei einem 1992 in Kassel errichteten Versuchsbau der Universität Kassel. Die errichtete Kuppel hat einen lichten Durchmesser von 7 m, eine Höhe von 6 m und ist mit einem pyramidenförmigen Oberlicht versehen. Ihre Wandstärke beträgt lediglich 20 cm. Die Querschnitts- form wurde mit Hilfe eines Computerprogramms ermittelt und stellt die statisch optimale Form der Stützlinie für die Eigengewichtsbelastung dar. Das heißt, die Schubkräfte aus dem Eigengewicht der Kuppel verlaufen in Gewölbemitte, es entstehen weder Biegekräfte noch Ringzugkräfte.
Um ein Abrutschen der Lehmsteine im oberen Bereich zu verhindern, verläuft die Neigung der Steine nicht rechtwinklig zur Krümmung des Kuppelquerschnitts, sondern vom untersten bis zum obersten Ring kontinuierlich zunehmend verringert, so dass die oberste Steinlage um etwa 20° weniger geneigt ist als bei einer üblichen Gewölbekonstruktion. Das hat zur Folge, dass die Steine jeweils mit ihrer unteren Kante gegenüber der darunterliegenden Schicht etwas auskragen.
Diese „Lagekorrektur“, die durch die veränderte Winkeleinstellung erreicht wurde, hat den Vorteil, dass der reflektierte Schall gestreut wird, außerdem entsteht eine reizvolle ästhetische Wirkung.
LWT LEHM-WANDTAFEL
Entwicklung einer brandsicheren Lehm-Wandtafel (LWT) mit aussteifender Wirkung für den Einsatz im Holztafelbau
Fachgebiete:
Prof. Dipl.-Ing. Brigitte Häntsch (federführendes Fachgebiet)
Bearbeitung:
Dipl.-Ing. Lukas Kasten
Fachgebiet Bauwerkserhaltung und Holzbau am Institut für konstruktiven Ingenieurbau, FB 14, Prof. Dr.-Ing. Werner Seim
Bearbeitung:
Ruben Schwarze, Johannes Küllmer
Förderung:
Das Projekt wurde durch das ‚Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) als FuE-Kooperationsprojekt durch den Projektträger AiF Projekt GmbH im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.
Projektlaufzeit: 2018-2022
Projektpartner I Firmen:
DISPOplus GmbH, Hauptstraße 65-67, 37176 Nörten-Hardenberg, vertreten durch den GF Andreas Paul Amft, Thomas Kippels-Ohlhoff
Pilosith Lehmbaustoffe, 37249 Neu-Eichenberg, vertreten durch GF Dieter Brauch
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer neuen aussteifend wirksamen und brandsicheren Lehm-Wandtafel (LWT), die die bauphysikalische, baubiologischen und raumklimatischen Vorteile des Lehms nachhaltig wirksam in eine Wand in Holztafelbauweise integriert und zudem hohe Brandschutzanforderungen erfüllt.
Auf diese Weise wird der Lehmbau sinnvoll mit der Holzbauweise kombiniert, um die Vorteile beider Materialien in einer systematisierten Bauart zu vereinen und einen hohen Vorfertigungsgrad zu ermöglichen.
Die entworfene LWT ist aus einzelnen Konstruktionselementen aufgebaut:
• Holzrahmen: Der Holzrahmen bildet die grundlegende Tragstruktur der Wandtafel und besteht aus Schwelle, Rähm und Rippen.
• Gitterstruktur: Das darauf aufgesetzte Holzgitter besteht aus vertikalen und horizontalen Latten und übernimmt eine aussteifende Funktion, da die Knotenpunkte der Latten eine Steifigkeit gegen eine Knotenverdrehung aufweisen. Daneben beteiligen sich die vertikalen Latten am vertikalen Lastabtrag.
• Hartholzprofilstücke: Um die trapezförmigen Horizontallatten der Gitterstruktur hohlraumfrei mit dem Rahmen zu verbinden, wird ein spezielles Profilstück aus Baubuche verwendet.
• Lehm-Inlets: Die Lehm-Inlets werden als Ausfachung in die Hohlräume des Holzgitters eingelegt.
Die Herstellung der Lehm-Inlets erfolgt im Stangenpressverfahren in eine speziell dafür entwickelte konische Form am Presskopf, was eine Passgenauigkeit der Inlets garantiert.
• Lehm-Zwischenplatten: Über die Lehm-Inlets werden streifenförmig Lehmzwischenplatten als Höhenausgleich und zur Erhöhung der Lehm-Materialstärke eingefügt. Um die gewünschte bauphysikalische Wirkung von Lehm zu erzielen, muss die Lehmschichtdicke mindestens 40 mm stark sein. Bei passgenauem Einsatz der Lehm-Inlets können die Elemente durch ihre Schubsteifigkeit anteilig am horizontalen Lastabtrag mitwirken.
• Lehm-Deckplatten: Die LWT wird an der Seite zum Innenraum mit handelsüblichen Lehmbauplatten beplankt, welche die Lehm-Inlets und –Zwischenplatten in der Holzkonstruktion fixieren.
• Wärmedämmung und nichttragende Beplankung: Um die energetischen Anforderungen zu erfüllen, werden jene LWT, die als Außenwand eingesetzt werden, mit einer entsprechenden Wärmedämmung versehen.
Als äußerer Abschluss der Wand sind eine vorgehängte hinterlüftete Fassade oder Außenputz möglich.
Alle Verbindungen der LWT sind im Sinne einer kreislaufgerechten Bauweise wieder lösbar konstruiert.
FERRUMLUTUM
Entwicklung eines hybriden Deckensystems aus Lehm und Stahl
Fachgebiete:
Tragwerksentwurf
Prof. Dr.-Ing. Julian Lienhard | M. Sc. Hilke Manot
Experimentelles und Digitales Entwerfen und Konstruieren
Prof. Philipp Eversmann | M. Sc. Eda Özdemir
Fachgebiet Entwerfen und Nachhaltiges Bauen Prof. Dr.-Ing. Frank Kasprusch
Fachgebiet Technische Gebäudeausrüstung Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel | M. Sc. Tobias Liersch
Fachgebiet Bauphysik
Prof. Dr.-Ing. Anton Maas | Dr.-Ing. Swen Klauß
Förderung:
Zentraler Forscungsfond der Universität Kassel [ZFF] Förderlinie PILOT
Projektlaufzeit: 12 Monate
Herstellung Kappendecke: Paul Fleckenstein & Moritz Reh
Der mehrgeschossige Wohnungsbau wird durch die wachsende Weltbevölkerung und der damit einhergehenden Notwendigkeit einer verdichteten Bauweise an zunehmender Bedeutung gewinnen. Dabei haben vor allem Decken einen hohen masserelevanten Anteil am Primärtragsystem entsprechender Bauten, sodass in diesem Bereich auch ein hohes Einspar- und Forschungspotenzial besteht.
Grundsätzlich werden Geschossdecken als ebene Platten ausgebildet, was zu einem tragwerkstechnisch ungünstigen Lastabtrag über Biegebeanspruchung führt.
Da der Einsatz vieler Baustoffe für diesen Lastfall nicht anwendbar ist, werden heutige Deckensysteme daher üblicherweise in Stahlbeton ausgeführt, welcher jedoch eine verhältnismäßig schlechte Ökobilanz gegenüber anderen Materialien aufweist.
Im Vergleich ermöglicht die Ausführung von flach gewölbten Decken, bei denen der Lastabtrag über reine Druckbeanspruchung erfolgt, die Umsetzung deutlich materialeffizienterer Systeme.
Ein Blick in die Vergangenheit zeigt, dass entsprechende Konstruktionen, wie beispielsweise die Preußische Kappendecke in der deutschen Baugeschichte weit verbreitet waren, und erst durch die Industrialisierung und Etablierung von Stahlbeton abgelöst wurden.
Unter Berücksichtigung neuer Fertigungsverfahren und Optimierungsmethoden besteht die Möglichkeit entsprechende Deckensysteme bezogen auf heutige Anforderungen neu zu interpretieren und ein gegenüber dem historischen Beispiel adaptiertes Konzept mit erhöhter Effizienz und unter Einsatz ökologisch kreislauffähiger Baustoffe zu entwickeln, um dieses im Geschossbau der Zukunft einsetzen zu können.
Als hybride Konstruktion aus Lehm mit rezyklierten Stahlträgern, die beispielsweise beim Rückbau mehrgeschossiger Park- oder eingeschossiger Hallenbauten anfallen, können hohe Einsparungen hinsichtlich Energie- und Rohstoffeinsatz, CO2-Ausstoß und Ab- fallaufkommen im Vergleich zu konventionellen Stahlbetondecken- platten erzielt werden. Die Kreislauffähigkeit beider Baustoffe er- füllt dabei ein wesentliches Kriterium für das nachhaltige Bauen der Zukunft. Gleichzeitig stellt das Zusammenwirken der material- spezifischen Eigenschaften eine optimale Ergänzung sowohl bezüglich des Lastabtrags als auch hinsichtlich bauphysikalischer Aspekte dar.