Eine neue und kostengünstige Methode zur Errichtung von Schalen aus Stahlbeton ohne Schalung wurde am Institut für Tragkonstruktionen-Betonbau der Technischen Universität Wien unter der Leitung von o.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johann Kollegger, M.Eng. entwickelt und mit Unterstützung von Sponsoren und Spezialfirmen erprobt. Die Versuchsdurchführung und die Resultate dieses Projektes werden in dem vorliegenden Artikel beschrieben und einer breiteren Öffentlichkeit vorgestellt.

Tragverhalten

Ein großer Vorteil von zweifach räumlich gekrümmten Schalen ist ihr exzellentes Tragvermögen. Verschiedenartige Belastungszustände können über Membranspannungen abgetragen werden. Lediglich punktförmige Lasten, die zu Biegespannungen führen, sind schädlich für Schalentragwerke.
Charakteristisch für zweifach gekrümmte Schalen ist, dass die Schalenoberfläche nicht in eine Ebene abgewickelt werden kann. Als Beispiel kann hier eine halbkugelförmige Orangenschale  dienen; beim Versuch sie in eine Ebene abzuwickeln ergeben sich die einzelnen Segmente.

Schalentragwerke aus Beton

Durch seine freie Formbarkeit und Dauerhaftigkeit ist Beton naturgemäß für die Verwendung in räumlich gekrümmten Flächentragwerken prädestiniert. Als - Jahrhunderte überdauerndes - Beispiel ist das Pantheon in Rom zu nennen. Das Dach des von 115 bis 126 n. Chr.  erbauten Pantheons besteht aus einer halbkugelförmigen Kuppel mit einem Durchmesser von 43,3 m und einer Kuppeldicke von etwa 1,6 m im oberen Bereich. Als Baustoff wurde „opus caementitium" - der römische Beton - verwendet. Erwähnenswert ist weiter die Tatsache, dass das Eigengewicht des römischen Betons mit zunehmender Höhe reduziert wurde um den Horizontalschub auf den Kuppelunterbau zu verringern. Weit gespannte Dachtragwerke faszinieren Baumeister und Bauingenieure seit Jahrhunderten, eine repräsentative Auswahl dieser Bauwerke wird von Schmidt, Heinle und Schlaich beschrieben. Mit geringem Materialeinsatz gelingt die Überdachung großer Flächen.

Herstellung von zweifach räumlich gekrümmten Schalen

Beim vorgeschlagenen Verfahren wird weiches Material (extrudiertes Polystyrol) zur Ausfüllung der segmentförmigen Aussparungen verwendet. Rund um die auf einer ebenen Fläche in Segmenten hergestellten Scheibe sind zwei Spannglieder ohne Verbund (VSL-Monolitzen) verlegt, die an zwei gegenüberliegenden Spannstellen gespannt werden können. Wenn die Spannung in Ringrichtung  zunimmt, werden die Polystyrolsegmente plastisch verformt und der Umfang der Platte verkleinert sich. Gleichzeitig mit dieser Umfangverkleinerung wölbt sich die Platte auf und formt sich schließlich von einer Platte in eine zweifach räumlich gekrümmte Schale um. Durch dieses Verfahren sind arbeits- und materialintensive Hilfskonstruktionen (Lehrgerüste) nicht mehr vonnöten.

Vorversuche mit Eis und Beton

Nachdem mehrere Versuche mit bewehrten, aber auch unbewehrten, Eisschalen im Labor des Institutes für Tragkonstruktionen erfolgreich waren, wurden im Herbst 2004 Versuche an größeren Schalen durchgeführt um die Entwicklung des Herstellungsverfahrens voranzutreiben. Bei der Herstellung einer Betonschale mit einem Durchmesser von 10 m wurde erstmals, zur Unterstützung des Formgebungsprozesses ein Pneu verwendet. Das Pneu wurde mittig unter der Platte verlegt und während des Hebevorgangs Luft eingeblasen.
Durch die bei der Hebung der Platte entstehende Verkürzung des Plattenrandes wird der Durchmesser planmäßig verkleinert. Dies erfordert beim Formgebungsprozess eine Randausbildung, die ein Gleiten der Schale auf der Arbeitsfläche zulässt. Die Herstellung der beiden Eisplatten (10 und 15 m Durchmesser) erfolgte nach der gleichen Methodik, nur bestand der Randbalken der Eisschalen aus Beton in PVC-Rohren, in denen zwei (10-m-Schale) bzw. drei Monolitzen (15-m-Schale) verlegt waren.
Mit den Versuchen an 10 m und 15 m weit gespannten Schalen aus Eis und Beton konnte die Funktionsfähigkeit des Verfahrens nachgewiesen werden.

Bau einer Stahlbetonschale mit einem Durchmesser von 13 m

Im Juni 2005 wurde gemäß dem vorab dargestellten Verfahren eine Stahlbetonschale mit einem Ausgangsdurchmesser von 13 m (Durchmesser der ebenen Scheibe) errichtet. Als Standort für den Versuch wurde ein noch nicht genutzter Teil des Baubereichs Monte Laa gewählt.

Versuchsdurchführung

Nach einer zweiwöchigen Erhärtungsphase wurden mit Hilfe von vier Spannpressen die rings um die Platte verlaufenden Spannglieder abwechselnd angespannt. Währenddessen wurde über den einbetonierten Schlauch Luft zwischen die unter der Platte liegenden Folien geblasen. Indem sich mittels des Luftdrucks eine gleichmäßige Belastung der Plattenunterseite ergibt, wird durch diesen Vorgang verhindert, dass sich die Platte beim Anspannen in die verkehrte Richtung verformt („aufschüsselt"). Mit Nivelliergeräten wurde die Gleichmäßigkeit der Hebung an vorher angebrachten Messmarken überwacht, um bei eventuell auftretenden ungleichmäßigen Verformungen entgegenwirken zu können.

Durch das gleichzeitige Anspannen und Einblasen konnte eine maximale Höhe von 2,16 m in der Plattenmitte erreicht werden.

Die Umformung der Platte in eine Schale erfolgte äußerst gleichmäßig, die Rissbildung entsprach in der Lage und Gesamtbild den Erwartungen. Fehlschäden wie tiefe Risse oder Abplatzungen waren an der Oberfläche nicht vorhanden.

Die Styrodurkeile wurden gleichmäßig zusammengedrückt. Insgesamt hat sich der Plattenrand während der Hebung um etwa 50 cm in Plattenmitte verschoben, wodurch der Durchmesser von 13 m für die Ausgangsform auf 12 m reduziert wurde.

Ausblick

Mit diesem Großversuch ist den Projektpartnern der Nachweis der Durchführbarkeit des Herstellverfahrens gelungen. Mit Hilfe der dabei erhaltenen Erfahrungen und den vorhandenen Datenmaterial wurden wesentliche Schritte in der Entwicklung dieser Baumethodik gesetzt.

Projektdurchführung

 Bau einer Stahlbetonschale ohne Schalung (12.56 MB)

Nach dem Einbringen des Unterlagsbeton waren nachstehende Arbeitsschritte für die Errichtung der Kuppel vonnöten:

1. Aufbringen einer Vlieslage
2. Verlegung von Hartfaserplatten (Befestigung mittels Nägeln)
3. Auflegen einer Silofolie, welche dem sich verkürzenden Beton als Gleitfläche dienen soll
4. Verlegung der außenliegenden  Spannglieder und der Befestigungen für die Randschalung
   
   
   
   
5. Verlegung einer Geotextillage um das Aneinanderkleben der Folien zu verhindern, am Rand der Platte wurde die Geotextillage mit Öl getränkt um das Gleiten zu verstärken
6. Verlegen von Styrodurplatten mit einer Dicke von 5 cm, in der Mitte der Platte wurde eine Öffnung für den Einblasstutzen freigehalten
7. Auflegen einer zweiten Silofolie, die als obere Sperrschicht der während des Umformvorganges einzublasenden Luft dient
8. Verlegung der Keile aus Polystyrol, die als Kompensationskörper zur Formgebung angebracht werden
9. Ablängen und verlegen der Segmentbewehrung (BST 550) mit einem Durchmesser von 5 mm. Insgesamt wurde die Platte in 32 Segmente unterteilt.
   
   
   
   
10. Anbringen einer zusätzlichen Schalung und verlegen zusätzlicher Bewehrung an den beiden Spannstellen
11. Betonierung der 32 Plattensegmente und der beiden Spannstellen
    
    
    
    
12. Nachbehandlung der Betonoberfläche mit Verdunstungsschutz und Abdecken mittels Folien
    
    
    
    

13. Mit Hilfe von vier Spannpressen werden die rings um die Platte verlaufenden Spannglieder abwechselnd angespannt, währenddessen über den einbetonierten Schlauch Luft zwischen die unter der Platte liegenden Folien geblasen wurde.

14. Mit Nivelliergeräten wurde die Gleichmäßigkeit der Hebung an vorher angebrachten Messmarken überwacht.

15. Durch das gleichzeitige Anspannen und Einblasen konnte eine maximale Höhe von 2,16 m in der Plattenmitte erreicht werden.