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Beton und Leichtbau wirken auf den ersten Blick wie ein Widerspruch. Für Prof. Lucio Blandini beginnt Leichtbau jedoch weder mit einem bestimmten Baustoff noch mit einem möglichst geringen Bauteilgewicht. Entscheidend sei vielmehr, den ökologischen Fußabdruck eines Bauteils über seinen gesamten Lebenszyklus zu reduzieren. Der Leiter des Instituts für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart nennt dafür drei zentrale Ziele: weniger Ressourcenverbrauch, geringere CO₂-Emissionen und möglichst wenig Abfall. 

Diese Überlegungen prägen mehrere Forschungsbereiche des Instituts. Drei davon greifen besonders eng ineinander: Gradientenbeton, additiv gefertigte Sandschalungen und Bewehrungen aus Basaltfasern. Sie setzen an unterschiedlichen Stellen an, mal verändert sich das Innere eines Betonbauteils, mal seine äußere Form, mal die Bewehrung. Gemeinsam hinterfragen sie die Vorstellung, dass Betonbauteile überall dieselbe Dichte, dieselbe Geometrie und denselben Materialeinsatz aufweisen müssen.

Material nur dort, wo es gebraucht wird

Konventionelle Betonbauteile werden weitgehend homogen ausgeführt, obwohl die Beanspruchung innerhalb eines Querschnitts deutlich variiert. In schwach beanspruchten Bereichen lässt sich deshalb Material einsparen. Beim sogenannten mesogradierten Beton übernehmen mineralische Hohlkörper diese Aufgabe. Sie werden gezielt dort angeordnet, wo weniger Beton zur Lastabtragung erforderlich ist, und anschließend mit Beton umgossen. Die eigentliche Schalung kann dabei konventionell bleiben. Aktuell werden zwei Forschungsprojekte in diesem Bereich verfolgt: Co-Design of Functionally Graded Concrete Building System und Cyber-Physical Fabrication of Functionally Graded Concrete. Sie sind beide Teil des DFG-Forschungsclusters Integrative Computational Design and Construction for Transformative Architecture (IntCDC).

Geforscht wird auch außerhalb des Labors: Beim neuen IntCDC-Gebäude in Stuttgart-Vaihingen wurden insgesamt rund 19.000 mineralische Hohlkugeln in den Beton von Geschossdecken und Fundamentplatte integriert. Sowohl die Planung als auch die Fertigung basieren auf durchgängig digitalisierten, miteinander verknüpften Prozessen. Bei bereits ausgeführten Bodenplatten und Decken habe das Forschungsteam Masseeinsparungen von bis zu 40 Prozent gegenüber herkömmlichen Bauweisen erreicht. Bei der 612 Quadratmeter großen Bodenplatte, in die 3.000 der Hohlkugeln integriert wurden, betrug die Einsparung 30 Prozent.

Das geringere Eigengewicht wirkt sich zugleich auf andere Bauteile aus: Werden etwa Decken leichter, sinken die Lasten auf Stützen und Fundamente. Damit reduziert sich der Betonbedarf an mehreren Stellen des Tragwerks. Am ILEK werden deshalb unterschiedliche Formen der Gradierung untersucht, bis hin zu Bauteilen, die mehrere Funktionen übernehmen sollen. Künftig könnten etwa Tragwirkung, Wärmedämmung oder Fassadenfunktionen stärker in einem Bauteil gebündelt werden.

Wenn die Schalung komplex werden darf

Materialoptimierte Betonbauteile folgen häufig komplexen Kraftverläufen. Mit konventionellen Holz- oder Stahlschalungen lassen sich solche Geometrien nur mit hohem Aufwand herstellen. Am ILEK entstehen deshalb im 3D-Druck Schalungen aus Sand. Dafür wird eine Mischung aus Quarzsand und einem wasserlöslichen Binder geschichtet. Ein Druckkopf aktiviert den Binder gezielt mit Wasser, anschließend wird die Schicht getrocknet. Nach dem Betonieren lässt sich die Schalung wieder mit Wasser lösen und der Sand kann aufbereitet und erneut eingesetzt werden. Das Verfahren eröffnet also geometrische Freiheiten, ohne dass für jedes Bauteil eine eigene aufwendige Sonderschalung hergestellt werden muss.

Wie weit sich die Form dabei von üblichen Betonquerschnitten entfernen kann, zeigt der Marinaressa Coral Tree, den das ILEK 2023 für die Architekturbiennale in Venedig entwickelte. Die verzweigte Struktur übersetzt den Übergang von einer Stütze in eine Decke in ein räumliches Tragwerk, dessen Geometrie sich an den Kraftverläufen orientiert. Neun gedruckte Sandschalungssegmente bildeten die Form. Verglichen mit einer massiveren Lösung waren laut Forschungsbericht um rund 60 Prozent weniger Material nötig. Nach der Ausstellung wurde der Demonstrator zerlegt und am ILEK wieder aufgebaut. Darin sieht Blandini auch eine Perspektive für künftige Betonbauteile: Eine stärkere Segmentierung kann dazu beitragen, dass sich einzelne Teile besser demontieren und wiederverwenden lassen. 

Zugleich eröffnet die filigrane, geometrisch optimierte Form noch einen weiteren Forschungsansatz. Unter der Projektleitung von Daria Kovaleva untersucht das ILEK, wie sich eine größere Oberfläche im Verhältnis zum Volumen auf die Karbonatisierung des Betons auswirkt und ob sich Tragwirkung und CO₂-Aufnahme konstruktiv miteinander verbinden lassen. Die additive Fertigung bietet außerdem die Chance, geometrisch freie Formen seriell vorzufertigen. Industrielle Produktion muss dann nicht zwangsläufig bedeuten, dass jedes Betonbauteil gleich aussieht. Digitale Fertigungsprozesse können unterschiedliche Geometrien erzeugen, während der Herstellungsablauf weitgehend derselbe bleibt. Darin sieht Blandini einen möglichen Weg, Vorfertigung und größere gestalterische Vielfalt zusammenzubringen.

Basalt als nichtmetallische Bewehrung

Auch die Bewehrung beeinflusst, wie schlank ein Betonbauteil ausfallen kann. Bei Stahlbeton ist eine relativ große Betondeckung erforderlich, um die Bewehrung langfristig vor Korrosion zu schützen. Am ILEK wird deshalb untersucht, wie sich nichtmetallische Bewehrungen mit leichten, materialoptimierten Betonkonstruktionen verbinden lassen. Basaltfasern entstehen aus geschmolzenem vulkanischem Gestein und lassen sich zu Stäben oder Spanngliedern weiterverarbeiten. Da sie nicht wie Stahl korrodieren, eröffnen sie Spielraum für geringere Betondeckungen und damit schlankere Querschnitte. 

Einen ähnlichen Vorteil bietet die Carbonbewehrung, die ebenfalls korrosionsfrei ist und im Betonbau bereits eingesetzt wird. Blandini versteht Basalt daher als weitere nichtmetallische Alternative. Gegenüber Carbon verweist er auf einen geringeren Energieaufwand bei der Herstellung, niedrigere Kosten und mögliche Vorteile beim Recycling. Zugleich betont er, dass auch für Basalt noch Forschungsfragen offen sind. Aktuell untersucht das ILEK unter anderem, wie sich vorgespannte Basaltbewehrungen mit geometrisch optimierten Betonbauteilen kombinieren lassen. Im Mittelpunkt steht dabei das Zusammenspiel von Bewehrungswerkstoff und Bauteilform. Diese wird so optimiert, dass möglichst viele Lasten über Druck abgetragen werden und Bewehrung nur dort erforderlich ist, wo tatsächlich Zugkräfte entstehen. Das entspricht einem wichtigen Prinzip des Leichtbaus, wie Blandini sagt, nämlich „materialgerecht“ zu bauen.

Der Weg in die Baupraxis

Die drei Forschungsfelder sind unterschiedlich weit vorangeschritten. Während sich der Gradientenbeton bereits an großformatigen Bauteilen bewähren konnte, befinden sich Sandschalungen und Basaltbewehrungen noch stärker im Transfer- bzw. Forschungsstadium. Für eine breitere Nutzung bleiben Fragen der Wirtschaftlichkeit, Skalierung, Normung und Zulassung offen. Neue Bauteilkonzepte und Bewehrungssysteme müssen bislang häufig projektspezifisch nachgewiesen werden.

Zugleich verändert der Ansatz die Planung. Wenn Tragwerk, Geometrie, Herstellung und weitere Funktionen früh gemeinsam entwickelt werden, lassen sich Potenziale nutzen, die schwer erreichbar sind, wenn die beteiligten Disziplinen nacheinander planen. Blandini richtet den Blick deshalb konsequent auf den Transfer in die Baupraxis. Die Technologien entfalten aus seiner Sicht erst dann Wirkung, wenn sie in größerem Maßstab eingesetzt werden. Materialeffiziente Betonbauteile können so beim Ressourcenverbrauch und bei den CO₂-Emissionen des Bauens einen spürbaren Unterschied machen.

Fachwissen zum Thema

Surftipps

• https://www.ilek.uni-stuttgart.de/forschung/betonleichtbau/
• https://www.ilek.uni-stuttgart.de/forschung/demonstratoren/marinaressa-coral-tree/