42 Stufen bis zum Bachelor-Diplom

42 Stufen bis zum Bachelor-Diplom

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An der Hochschule Luzern haben zwei Bauingenieur-Studenten ihre Abschlussarbeit in Polymerbeton gegossen. Entstanden ist ein begehbarer Treppenturm.
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Die beiden Diplomanden Thomas Willi (links) und Arnaud Deillon bei der Montage ihrer Bachelor-Arbeit.


Gut zehn Tonnen schwer und knapp zehn Meter hoch ist die Diplomarbeit von Thomas Willi und Arnaud Deillon. Die beiden mit Bestnoten ausgezeichneten Bauingenieur-Diplomanden der Hochschule Luzern haben im Rahmen einer Forschungsarbeit einen Treppenturm aus Polymerbeton entworfen, bemessen und bei der Herstellung begleitet.

Der Vorfabrikation von 42 identischen Treppen-Elementen ging eine Reihe von Materialtests und Auswertungen voraus. Die Entwicklung und Konstruktion der einzelnen Elemente war ein weiterer arbeitsintensiver Schritt, bei dem auch der Umgang mit sogenannter Finite-Elemente-Software gefordert war.

Während der Turmbauer Thomas Willi mit seinem Bachelor-Diplom nun eine Anstellung als Bauingenieur angenommen hat, führt sein Mitstudent Arnaud Deillon die Forschungsarbeit im Rahmen eines Masterstudiums weiter. Betreut wird er von Daniel Meyer, dem Dozenten und Leiter des Kompetenzzentrums Fassaden- und Metallbau an der Hochschule Luzern.

Polymerbeton wurde schon vor Jahrzehnten für Abwasserkanäle und -schächte für die chemische Industrie entwickelt. Unterdessen findet er eine allgemeinere Verwendung im Tiefbau, insbesondere in der Form von Kanalelementen beim Tunnelbau. Das Material besteht aus einer verhältnismässig feinen Gesteinskörnung, die anstatt durch Zementleim durch Kunstharz verbunden wird. Das ermöglicht schnellere Erhärtungszeiten und Ausschalfristen als beim konventionellen Beton. Allerdings kann der Werkstoff kaum als Ortsbeton verbaut werden: Die Herstellung bedarf einer hochentwickelten stationären Mischanlage, sodass das Material auch künftig vor allem zur Herstellung vorgefertigter Elemente interessant bleiben dürfte. (Valentin Rabitsch)

Nachgefragt

Wie ist es zum Bau des knapp zehn Meter hohen Treppenturms aus Polymerbeton gekommen?
Vor einem Jahr ist die Müller Steinag Bauteile AG mit der Frage nach erweiterten Einsatzmöglichkeiten von Polymerbeton auf uns zugekommen. Bis jetzt produziert die Firma damit vorwiegend Rinnen-Elemente und Schächte für den Tiefbau. Die Frage war, ob das Material auch im Hochbau verwendet werden könnte, beispielsweise im Fassadenbau.
 
Vom wem wurde der Rahmen zur Diplomarbeit abgesteckt?
Wir haben den Vorschlag geprüft und uns dann spontan entschlossen, eine Diplomarbeit zu lancieren. Mit ihr sollte einerseits das Material näher erforscht werden, andererseits sollte eine konkrete bauliche Umsetzung die Stärken des Materials auch haptisch hervortreten lassen. So ergab sich die Idee des Treppenturms.
 
Mit welcher Software wurde der Turm konstruiert und bemessen?
Es kam das Finite-Elemente-Programm «Ansys» zur Anwendung, das hauptsächlich in der Wissenschaft verwendet wird. Die beiden Studenten waren auch deshalb für die Diplomarbeit prädestiniert, weil sie sich schon in früheren Semestern mit dieser anspruchsvollen Software auseinandergesetzt hatten.
 
Wie wurde das Projekt finanziert?
Bei der Bachelorarbeit ist das Ganze über Sponsoring mit der Industrie gelaufen: Die Studenten bekamen eigentlich alles Material, das sie brauchten, zur Verfügung gestellt. Jetzt, da die Forschung im Rahmen einer Masterarbeit intensiviert wird, ist die Finanzierung auf die Müller Steinag AG und die Hochschule Luzern Technik & Architektur aufgeteilt.
 
Gab es beim Forschungsteil Fragen, die besonders im Vordergrund standen?
Im Vergleich zur Verarbeitbarkeit, die durch die bestehende Produktion schon gut bekannt ist, existieren über Festigkeitswerte und Elastizität nur wenige Angaben. In diesem Bereich haben wir Untersuchungen gemacht. Zudem wurden auch diverse Verbindungssysteme geprüft.
 
Und was sind die Erkenntnisse? Hat das Material nebst seiner hohen chemischen Beständigkeit noch andere praxisrelevante Vorteile?
Der Vorteil besteht in der Möglichkeit, schlanke Elemente herzustellen. Das könnte ein Lösungsansatz sein für das Problem der vorgehängten Betonfassaden, die bei den Architekten nach wie vor sehr beliebt sind: Wenn man mittlerweile bis zu 24 Zentimeter Isolation aufbauen muss, gelangt man bei der Befestigung der schweren, zehn bis zwölf Zentimeter starken Betonelemente an statische Grenzen. Hier wären dünne, leichte Elemente aus Polymerbeton mit ihrem ästhetischen Erscheinungsbild als Alternative denkbar.
 
Sind nebst Fassadenelementen auch andere Elemente denkbar?
Ja, ein weiterer Vorteil ist die freie Formbarkeit, welche die Möglichkeiten des normalen Betons weit übertrifft. Darin steckt ein grosses Potenzial, gerade auch, weil diese freie Formbarkeit heute in der Architektur ein Thema ist. Zudem sind auch die Festigkeitswerte gut: Das Material hat eine hohe Druckfestigkeit und eine sehr hohe Biegezugfestigkeit, die diejenige von normalem Stahlbeton um einiges übertrifft.
 
Und wo liegt der Haken?
Die Schwachstelle ist das spröde Bruchverhalten des Materials. Es verhält sich ähnlich wie Glas. Da stellt sich natürlich die Frage, wie weit man damit überhaupt zuverlässig bauen kann. Ein unangekündigtes Materialversagen entspricht nicht dem gängigen Sicherheitsanspruch.
 
Welche Konsequenzen ziehen Sie daraus?
Arnaud Deillon setzt in seiner weiterführenden Masterarbeit genau hier an, nämlich mit der Frage, wie sich bewehrter Polymerbeton bezüglich des Bruchverhaltens verhält. Dabei dürften Faserbewehrungen aus herstellungstechnischen Überlegungen eine zentrale Rolle spielen. Es bestehen aber auch Ideen, Stabbewehrungen anzuwenden. Primäres Ziel der Arbeit ist es, herauszufinden, ob mit den verschiedenen Bewehrungsarten ein duktiles, vorangekündigtes Bruchverhalten möglich ist.
 
Wie praxistauglich sind der Preis und die Umweltverträglichkeit des Materials?
Der Preis ist natürlich stark abhängig von der Produktionsmenge. Und was die Umweltverträglichkeit betrifft, so beträgt der Kunststoffanteil (Polyesterharz, Anm. d. Red.) ungefähr zwölf Gewichtsprozent.
 
Gibt es keine Ökobilanzen dazu?
Meines Wissens nicht. Es ist auch nicht unser Auftrag, eine solche zu machen. Es ist jedoch etwas, das vor einem Einstieg in die grosse industrielle Produktion sicher noch zu machen wäre.
 
Wann werden denn die ersten Fassadenelemente hängen?
Im Rahmen der laufenden Masterarbeit werden wir im kommenden Semester intensive Tests mit Faserbewehrungen durchführen, und wir erwarten dabei sehr positive Resultate. Wenn sich diese bestätigen, könnte ich mir vorstellen, dass schon sehr bald erste Elemente in Produktion gehen. (Interview: Valentin Rabitsch)