Einsatz von topologieoptimierten Schaumbeton‑Verdrängungskörpern in materialreduzierten Decken
Das Bauwesen zählt weltweit zu den ressourcenintensivsten Industriezweigen und verursacht über die Hälfte des globalen Rohstoffverbrauchs. Insbesondere Flachdecken, die in vielen Gebäudetypen den größten Anteil am Betonvolumen ausmachen, bieten ein erhebliches Potenzial für die Reduktion von Material- und CO₂-Einsatz durch innovative Leichtbauansätze.
Das vorgestellte Deckenprinzip überführt etablierte Leichtbaustrategien – wie Nervi- und Hohlkörperdecken – in eine digital gestützte, geometrisch optimierbare Bauweise. Zentrales Element des Konzepts ist der Einsatz robotisch gefertigter, topologieoptimierter Verdrängungskörper aus Schaumbeton, die mittels 3D-Druck als verlorene Schalungen produziert und anschließend mit ultraleichtem mineralischem Schaum verfüllt werden. Schaumbeton ermöglicht durch definierte Porosierung stark reduzierte Rohdichten und somit signifikante Einsparungen von Betonmassen, ohne die Vorteile eines vollmineralischen Gesamtsystems aufzugeben.
Die Decke setzt sich aus einer oberen und unteren Platte sowie einem dazwischenliegenden Rippenbereich zusammen. Die Rippengeometrie wurde auf Grundlage der Hauptspannungsverläufe eines einachsig gespannten Systems abgeleitet, um eine lastpfadgerechte Materialverteilung zu erzielen. Da geeignete druckbare Schaumbetonrezepturen bislang nicht verfügbar waren, wurde am Institut für Massivbau der RWTH Aachen University eine speziell angepasste Mischung mit reduzierter Frischrohdichte entwickelt und für die additiv gefertigten Hüllstrukturen eingesetzt.
Im prototypischen Demonstrator konnten rund 20 % des Betonvolumens substituiert und etwa 15 % Eigengewicht gegenüber einer massiven Referenzdecke eingespart werden. Die experimentelle Untersuchung bestätigte, dass die Tragfähigkeit trotz signifikanter Materialreduktion im Bereich konventioneller massiver Systeme liegt und damit die strukturelle Leistungsfähigkeit des digital gefertigten Leichtbaukonzepts belegt.
