Projekt 37794/01

Kappendecke 2.0 Lehm statt Ziegel

Projektdurchführung

Hochschule für Technik Stuttgart Fakultät Architektur und Gestaltung
Schellingstr. 24
70174 Stuttgart

Zielsetzung

Effizient, aus nachwachsenden Rohstoffen und sortenrein trennbar – sind wichtige Eigenschaften für nachhaltige Tragstrukturen. Die Kappendecke 2.0 erfüllt diese Kriterien. Durch eine kleine Modifikation -den Einsatz von Lehm anstelle von gebrannten Ziegeln- wird das historische und effiziente Konstruktionsprinzip nachhaltig und ökologisch.
Flachdecken aus Beton sind das meistgebaute Deckensystem der letzten Jahrzehnte. Bekanntermaßen ist die Flachdecke gekennzeichnet durch einen hohen C02 Verbrauch und sie ist nicht besonders ressourcenschonend. Aktuell entstehen viele Hochbauten mit Deckensystemen aus Holz-Beton-Verbund- oder reinen Holzkonstruktionen. Durch die Substitution von Beton durch Holz wird die CO2 Bilanz durch diese Systeme besser. Allerdings fehlt besonders den reinen Holzkonstruktionen die thermisch und akustisch aktivierbare Masse.
Die Kappendecke 2.0 verwendet Lehm anstelle von Ziegeln – als tragendes Bauteil. Stampflehm ist in der Lage Druckkräfte zu tragen und hat zudem eine hohe thermisch und akustisch wirksame aktivierbare Masse.
Neben den ökologischen, bauphysikalischen und statischen positiven Eigenschaften, erzeugt die Kappendecke architektonisch ansprechende Räume.
Im Rahmen des Forschungsprojekts soll zunächst die Herstellung, Montage, Detailausbildung und Tragfähigkeit der Lehmschale untersucht werden. Falls diese den erwarteten Erfolg bringen, können die bauphysikalischen Eigenschaften der Schale erforscht werden.
Lehm als primär tragendes Bauteil für Geschossdecken ist nach aktuellem Recherchestand ein Novum. Bislang wird Lehm mit steigender Tendenz für tragende Innen- und Außenwände eingesetzt, nicht aber als Decke. Das liegt daran, dass Deckenplatten i.d.R. als Biegetragwerke ausgebildet werden. Biegung kann ein Stampflehmelement nur in sehr geringem Masse aufnehmen. Die Kappendecke 2.0 ist eine Möglichkeit, Lehm für Geschossdecken einzusetzen – als tragendes Bauteil. Lehm als tragendes Bauteil ist normativ nicht geregelt, daher sind Forschungen und Bauteilversuche notwendig, um die Idee in der Praxis umsetzen zu können.

Arbeitsschritte

Bemessungstool
Der statische Nachweis eines Bogentragwerks ist einfach und Inhalt der Vorlesungen im Grundstudium. Ein sinnvolles Verhältnis von Spannweite zu Stich und Dicke kann in wenigen Zeilen von Hand ermittelt werden – auch für einen Bogen aus gestampftem Lehm.
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein leicht bedienbares Bemessungstool entwickelt mit dem auch Architekturbüros und Bauherren statisch nachweisebare Bögen ermitteln können.
Das Tool ermittelt mittels grafischer Verfahren eine Stützlinie infolge Eigengewichts, welche rein über Normalkraft abträgt. Die „grafische Statik“ wurde erstmals 1866 von Karl Culmann in seinem Werk „Die grafische Statik“ beschrieben. Das Verfahren, welches darauf basiert Kräftegleichgewichte an jedem Knotenpunkt herzustellen, wurde in historischen Bogenbauwerken vielfach als Grundlage für die Beurteilung der Tragfähigkeit eingesetzt.

Am Anfang stand die Überlegung, wie die Bögen sinnvoll und wirtschaftlich hergestellt, also gestampft werden können. Um die maximale Verdichtung und damit Druckfestigkeit am Rand zu erreichen, müssten die Bögen in Richtung der Achse gestampft werden. Diese Herstellung wäre allerdings sehr aufwändig. Die Bögen wurden schließlich als stehende Elemente hergestellt, im Grund wie eine Wand, die im Grundriss gekrümmt ist. So konnten die Erfahrungen von Lehmwänden genutzt werden und auch eine semi-robotische Fertigung war möglich.
Die für den Bogen hergestellte Schalung besteht aus 3-Schichtplatten und wird von sechs Schalungsankern gehalten. Die Anforderungen an die Steifigkeit der Schalung sind hoch, da durch das Stampfen hohe seitliche Abtriebskräfte auf die Schalung wirken und sich diese nicht verformen darf. Eine Vorformung der Schalung insbesondere im oberen Bereich würde bei Aneinanderreihung der Bogensegmente im eingebauten Zustand zu einem Versatz zwischen benachbarten Bögen führen.
Die Herstellung der Bögen erfolgt also analog zur Herstellung eine konventionellen Stampflehmwand. So bleiben die Schichten später an der Unterseite der Bögen vollständig sichtbar. Die Schichten zeichnen sich parallel zur Bogenspannrichtung ab.
Um die Bögen aus Stampflehm erstmals in die Realität umzusetzen, wurde ein Mock-Up mit realen Abmessungen erstellt. Ein wichtiger Aspekt des Mock-Ups ist, die Konstruktion in möglichst realitätsnaher Umgebung als Geschossdecke begreifbar und erlebbar zu machen.

Testen der Robustheit der Lehmbögen im Hinblick auf Wasser © wh-p Ingenieure

Ergebnisse

Geschossdecken aus tragenden Lehm-Bögen zu bauen, ist die Idee der wh-p Ingenieure und Bez+Kock Architekten für das neue Besucherzentrum am Schloss Charlottenburg in Berlin.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts, gefördert durch die DBU, konnte gezeigt werden, dass dies grundsätzlich möglich ist. Das gebaute Mock-Up zeigt den Raumeindruck von gestampften Lehmbögen, die nach dem Prinzip der preußischen Kappendecke als tragendes Element eingesetzt wurden.
Insbesondere zur Robustheit, Herstellung und Machbarkeit konnten einige Fragen geklärt werden, andererseits sind neue Fragen aufgetaucht, die jetzt im Rahmen eines weiteren Forschungsprojekts für dieses Bauvorhaben, aber vor allem auch für eine Serienreife geklärt werden sollen. In einem Brandversuch soll die Feuerwiderstandsdauer geprüft werden und die akustischen Eigenschaften zwischen zwei Geschossen.
Tragende Bögen aus reinem Lehm könnten nach Ansicht der Autoren eine Alternative zur Holzbalkendecke sein. Geschossdecken aus Holz fehlt oft die (thermische) Masse. Bei einer Decke mit Lehmbögen ist die Masse in ausreichendem Masse vorhanden.

Öffentlichkeitsarbeit

#Geschossdecken aus tragenden Lehm-Bögen zu bauen, ist die Idee der wh-p Ingenieure und Bez+Kock Architekten für das neue Besucherzentrum am Schloss Charlottenburg in Berlin.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts, gefördert durch die DBU, konnte gezeigt werden, dass dies grundsätzlich möglich ist. Das gebaute Mock-Up zeigt den Raumeindruck von gestampften Lehmbögen, die nach dem Prinzip der preußischen Kappendecke als tragendes Element eingesetzt wurden.
Insbesondere zur Robustheit, Herstellung und Machbarkeit konnten einige Fragen geklärt werden, andererseits sind neue Fragen aufgetaucht, die jetzt im Rahmen eines weiteren Forschungsprojekts für dieses Bauvorhaben, aber vor allem auch für eine Serienreife geklärt werden sollen. In einem Brandversuch soll die Feuerwiderstandsdauer geprüft werden und die akustischen Eigenschaften zwischen zwei Geschossen.
Tragende Bögen aus reinem Lehm könnten nach Ansicht der Autoren eine Alternative zur Holzbalkendecke sein. Geschossdecken aus Holz fehlt oft die (thermische) Masse. Bei einer Decke mit Lehmbögen ist die Masse in ausreichendem Masse vorhanden.