C³Basisvorhaben 4

Multifunktionale Bauteile aus Carbonbeton

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Vision einer Brücke aus Carbonbeton mit integrierten Funktionen
CGI: A. Heller / S. Huth, ai:L der HTWK Leipzig

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Im C³Basisvorhaben 4 „Multifunktionale Bauteile aus Carbonbeton“ wurden am Beispiel der Gebäudehülle die Potentiale des neuen Verbundmaterials Carbonbeton aufgezeigt. Ziel des Vorhabens war die Aktivierung der im Beton bereits vorhandenen textilen Carbonbewehrung, um die derzeit noch in separaten technischen Systemen abgebildeten Funktionen eines Bauwerks multifunktional in Carbonbeton-Bauteile zu integrieren. Das B4 gliederte sich in insgesamt 8 parallele Teilprojekte, die sich in die Themenbereiche „Gebäudehülle“, „Funktionsintegration“ und „Synergetische Vernetzung“ einordneten:

  • C³INFRALIGHT: Funktional geschichtete Gebäudehüllen aus Infraleichtbeton
  • C³SANDWICH: Gedämmte dreidimensional geformte Sandwichelemente aus Carbonbeton
  • C³PV: Integration von Photovoltaik in Carbonbeton-Bauteile
  • C³SUPERCON: Direktelektrische Energiespeicher als Teil der Carbonbeton-Gebäudehülle
  • C³DAYLIGHT: Transluzente gedämmte Carbonbeton-Gebäudehüllen
  • C³LED: Integration von Leuchtdioden in Carbonbeton-Bauteile
  • C³SENSE: Integration von Sensoren in Carbonbeton-Bauteile
  • C³LINK: Synergetische Vernetzung

Am Basisvorhaben 4 waren insgesamt 17 Projektpartner und 4 assoziierte Partner beteiligt, zudem wurde das Projekt von 10 weiteren Unternehmen in Form von Sponsoring- und Beratungsleistungen unterstützt. Nachfolgend werden die vom ai:L durchgeführten Forschungsarbeiten kurz vorgestellt:

C³INFRALIGHT

Im C³INFRALIGHT wurden verschiedene Lösungsansätze zur Umsetzung geschichteter ILC-Bauteile erarbeitet: Zum einen in Form von Halbfertigteilen, deren werksgefertigte Feinbetonschalen erst auf der Baustelle mit ILC verfüllt werden, zum anderen mit einem schichtentrennenden, dreidimensionalen Bewehrungskorb, der es ermöglichen soll, neben planaren auch einfache frei geformte Bauteile in geschichtetem ILC umzusetzen. Darüber hinaus wurden in bauphysikalischen Prüfungen die materialspezifischem Kennwerte bestimmt, um den Baustoff charakterisieren zu können und insgesamt drei frei geformte Demonstratoren geplant und hergestellt, die die Vorteile des ILC sowie verschiedene Bewehrungskonzepte in Carbon und Basalt verdeutlichen.

C³SANDWICH

Für die Entwicklung dreidimensional geformter Sandwich-Elemente wurden in diesem Teilprojekt verschiedene natürliche Krümmungs- und Faltungsprinzipien herangezogen und in Fassadenentwürfen umgesetzt. Zusammen mit den Partnern konnten darüber hinaus verschiedene Bewehrungskonzepte zur schubsteifen Verbindung der Deckschichten erarbeitet und für eine dieser Varianten Belastungsversuche durchgeführt werden, für die das ai:L geeignete Prüfkörper konzipierte und herstellte. Einen weiteren Schwerpunkt bildete die Untersuchung von Einsatzmöglichkeiten von Basalt im Sandwichaufbau, der eine Alternative zu Carbon und AR-Glas darstellen kann.

C³PV

Im C³PV konnten verschiedene Lösungsvarianten für eine ästhetisch hochwertige Kombination von Solarkomponente und Beton sowie ein beispielhafter Gesamtsystemaufbau entwickelt werden. Mithilfe parametrisch-generativer Entwurfstools wurden darüber hinaus unterschiedliche Fassadendesigns entwickelt, die die in der Fassade integrierten Photovoltaikkomponenten optimal zur Sonne ausrichten und dadurch den Ertrag pro Quadratmeter eingesetztem PV-Modul signifikant erhöhen. Insgesamt wurden vier verschiedenartige Demonstratoren geplant und zusammen mit den Partnern umgesetzt, die die erarbeitete Bandbreite an Lösungen verdeutlichen.

C³SUPERCON

Im C³SUPERCON definierte das ai:L Anwendungsbereiche und Anforderungen für gebäudehüllenintegrierte Speicher und quantifizierte den Speicherbedarf anhand eines Referenzgebäudes. Es konnten verschiedene Integrationsprinzipien der direktelektrischen Speicher in die Gebäudehülle erarbeitet werden. Da Speicherfolie und -textil technologisch noch nicht ausgereift sind, wurden Gebäudehüllenaufbau und Speicherkonzepte zunächst überblicksmäßig erarbeitet. Im Teilprojekt konnten zwei Demonstratoren geplant und zusammen mit den Partnern umgesetzt werden, die die beiden verfolgten Speichertechnologien vorstellen.

C³DAYLIGHT

Hier wurde zusammen mit den Partnern ein schlankes, wärmegedämmtes und durch integrierte Lichtwellenleiter transluzentes Sichtbetonsandwich konzipiert, wobei die zwei Lösungsansätze „gewebtes 3D-Textil mit integrierten Lichtwellenleitern“ (Vorzugsvariante) und „Hartdämmkern mit gesteckten Lichtwellenleitern“ entwickelt wurden. Zur Lichtleiterverteilung auf der Betonoberfläche wurde zudem ein digitales Skript erstellt, welches es durch Veränderung von Variablen wie Achsabständen oder Lichtleiterradien ermöglicht, die Gestaltung der Elemente beliebig zu variieren. Abschließend konnten mehrere Demonstratoren mit eingewebten Lichtwellenleitern und gedämmten Kern umgesetzt werden.

C³LED

Im C³LED wurde die architektonisch hochwertige Integration von LEDs in Carbonbetonbauteile verfolgt, um statische und dynamische Informationen in Echtzeit wiedergeben zu können und damit Gebäudehüllen für Zusatzfunktionen z. B. im Signaletikbereich zu aktivieren. Für diesen Forschungsansatz wurden verschiedene revisionierbare und nicht revisionierbare Kombinationsprinzipien für LEDs und Beton formuliert und ein beispielhafter Systemaufbau sowie Nutzungskonzepte entwickelt. Zudem wurden fünf Demonstratoren geplant und mit den Partnern zusammen umgesetzt, die die gemeinsam erarbeiteten Lösungsvarianten eindrucksvoll verdeutlichen.

C³LINK

Das C³LINK übernahm neben der inhaltlichen und organisatorischen Gesamtleitung des B4 die Vernetzung der B4-Teilprojekte untereinander. Dafür wurde eine übergreifende E-Technik und Ansteuerung für alle Bauteile mit elektrischer Zusatzfunktion sowie ein gemeinsamer Demonstrator von C³LED, C³SuperCon und C³PV konzipiert und umgesetzt. Der Schutz des geistigen Eigentums war ein weiterer wichtiger Themenbereich, wofür das Institut mit Patentanwälten zusammenarbeitete. Um die neuartigen Funktionsintegrationen auch ökologisch einordnen zu können, wurde schließlich anhand der Ergebnisse des Teilprojekts C³PV eine ökologische Bewertung durch den Unterauftragnehmer „Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre” der TU Dresden vorgenommen.