Vor 42 Jahren veröffentlichte der Club of Rome das Buch „Die Grenzen des Wachstums". In der Studie wurde ein Szenario entworfen, das sich ereignen könnte, wenn wir unser Verhalten auf globaler Ebene nicht änderten. Ich war 16 Jahre alt und habe das Buch förmlich verschlungen. 40 Jahre später erschien der Bericht „2052 – Eine globale Prognose für die nächsten 40 Jahre“. Seine Lektüre hat mich nicht minder gefesselt. Nach wie vor und mit kaum weniger Schärfe und Deutlichkeit stehen die Themen globale und Generationengerechtigkeit im ökologischen, ökonomischen und sozialen Sinne auf der Agenda der Menschheit. Gefragt sind langfristige Perspektiven für eine Entwicklungspolitik, die zugleich umweltschonend ist. Nachhaltigkeit – ein Prinzip, das erstmals 1713 von dem Sachsen Hans Carl von Carlowitz schriftlich formuliert wurde – gehört heute zur Vision und Philosophie fast jedes Unternehmens, prägt Wissenschaft und Bildung. Wollen wir unseren ökologischen Fußabdruck auf der Erde eingrenzen, müssen wir mit ihren Ressourcen schonender umgehen, die CO2- Emission senken, andere Wege gehen. Die Bedeutung einer nachhaltigen Entwicklung als Leitbild für die Zukunft ist international unbestritten. Das Bauwesen gehört weltweit zu den wachstumsstärksten Branchen und nimmt eine besondere Stellung ein, weil es wesentliche Bedürfnisse des Menschen wie Wohnen und infrastrukturelle Ansprüche befriedigt. Damit verbunden sind große wirtschaftliche und für die Umwelt relevante Aufwendungen. Umweltschutz im Bauwesen impliziert oft ökologisches Bauen, Sparen von Heizenergie oder den Einsatz von Materialien, die die Gesundheit der Bewohnerinnen und Bewohner nicht gefährden. Doch die ökologische Bedeutung des Bausektors erwächst vor allem aus dem Verbrauch von Ressourcen und Energie, der Verarbeitung und dem Transport von Baumaterialien sowie dem Umgang mit Bauabfällen. Welchen Beitrag können wir zum Thema Nachhaltigkeit leisten? Es ist an der Zeit,einen Paradigmenwechsel im Bauwesen herbeizuführen. Das heißt: leichter, effizienter, intelligenter bauen, ressourcenschonend denken und handeln. Einerseits geht es um Ästhetik, eine filigranere und variantenreichere Formensprache für Betonbauten bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit. Andererseits geht es um Effizienz – leichter bauen spart Material. Das wiederum reduziert vor allem im Herstellungsprozess, aber auch beim Transport und bei der Verwendung von Beton und Zement den Energieaufwand und den CO2-Ausstoß. Diese Herausforderungen gehen wir aktiv an. Vor drei Jahren haben sich Bauingenieure, Architekten, Maschinenbauer und Mathematiker aus ganz Deutschand im Schwerpunktprogramm Leicht Bauen mit Beton zusammengefunden, um Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit Beton zu erforschen. Die Ergebnisse der 1. Förderphase sind in diesem Band dargestellt. Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Einrichtung des Schwerpunktprogramms 1542, die Unterstützung und die Förderung. Ausdrücklich danken möchten wir auch den Gutachterinnen und Gutachtern, die durch ihre Tätigkeit das Schwerpunktprogramm mit gestaltet haben.

Das Schwerpunktprogramm 1542 − Leicht Bauen mit Beton − wird seit nunmehr drei Jahren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Abriss, wie es zur Einrichtung des SPP 1542 kam, und einen Überblick über Struktur, Koordinierung, Schwerpunktaktivitäten sowie Öffentlichkeitsarbeit in der ersten Förderphase.

Im Wesentlichen beschreibt diese Fragestellung die zentrale Zielsetzung des Projektes. Heutzutage werden Stützen, die häufigste Form von stabförmigen Druckbauteilen in Gebäuden, zumeist mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt und mit einem konstanten Verlauf über die Stützenlänge ausgeführt. Aber wie sieht die möglichst optimale Geometrie eines schlanken Druckbauteils aus? Im Rahmen des Projektes wurde dieser Fragestellung nach einer günstigen Adaption der Querschnittsgeometrie von Stützen in Quer- und in Längsrichtung nachgegangen. In der Regel unterscheidet man bei Stützen zwischen den möglichst ideal zentrisch gedrückten und denen, die exzentrisch gedrückt bzw. mit einem Moment belastet werden. In dieser 1. Phase des Projekts wurden zunächst die ideal zentrisch belasteten betrachtet.

Im Rahmen des SPP 1542 Leicht Bauen mit Beton wurden am Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig ultraleichte, dünnwandige Betonhohlbauteile untersucht, die den Bambus als bionisches Vorbild hatten. Für die sehr geringen Wandstärken von nur maximal 3,0 cm wurde ein selbstverdichtender, hochfester Feinkornbeton verwendet, mit dem eine hohe Betonqualität zielsicher erreicht wurde. Ferner wurden drei innovative Bewehrungskonzepte eingesetzt. Bauteilversuche unter exzentrischer Normalkraftbeanspruchung wurden hinsichtlich der Traglasten, des Verformungsverhaltens und der Versagensmechanismen ausgewertet. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse mit theoretischen und numerischen Berechnungsmodellen abgeglichen. Aufbauend auf den Ergebnissen konnten Empfehlungen für eine Bemessung erarbeitet werden.

Im Teilprojekt Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke werden an der Tragwirkung orientierte, formoptimierte Druckstäbe und Vorgespannte Zugstäbe aus innovativen Materialien entwickelt. Durch Untersuchungen an diesen Komponenten sollen Grundlagen für die zukünftige Realisierung von schlanken stabförmigen Tragstrukturen aus Beton in modularer Bauweise geschaffen werden. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst ein kurzer Überblick über das gesamte Teilprojekt gegeben. Anschließend werden die bisher durchgeführten Untersuchungen zu den Druck- und Zugstäben und die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt. Außerdem werden weitere laufende oder geplante theoretische und experimentelle Untersuchungen erläutert.

Dünnwandige Schalenträger aus Hochleistungsbetonen, die zu Sandwichträgern ergänzt werden, weisen einen günstigen Lastabtrag auf und übernehmen gleichzeitig bauphysikalische Aufgaben. Zur Reduzierung von Verformungen und Erhöhung der Traglasten werden die dünnwandigen Schalenträger mit nicht korrodierendem carbonfaserverstärktem Kunststoff im sofortigen Verbund vorgespannt. Das Verbinden der Schalenträger durch Ausschäumen mit einem Kernmaterial führt zu multifunktionalen Sandwichelementen. Im nachfolgenden Beitrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Untersuchungen zur schrittweisen Entwicklung von innovativen andwichkonstruktionen vorgestellt.

Derzeit existieren weltweit unterschiedliche Formen von solarthermischen Kraftwerken, wobei Parabolrinnenkraftwerke bisher am wirtschaftlichsten sind. Deren Kollektorelemente werden i. d. R. als räumliche Stahlfachwerke mit punktförmig gestützten Spiegeln hergestellt. Eine Alternative dazu wird im Rahmen des SPP 1542 im Teilprojekt Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke erforscht. In diesem Projekt wurde ein Großdemonstrator realisiert, welcher die Machbarkeit solch innovativer Betonfertigteilschalen zeigt. Im vorliegenden Beitrag wird der Herstellungsprozess von der Idee über den Entwurf hin zur Realisierung des Großdemonstrators beschrieben. Die statische und dynamische Auslegung des Demonstrators oblag dem Projektpartner Prof. Mark (RUB).

Im vorliegenden Beitrag werden drei bionische Strukturen vorgestellt, die für den Einsatz in Stahlbetonplatten mit biaxialen Lastabtrag entwickelt wurden: Bewehrungsführung nach dem Funktionsprinzip des Spinnennetzes, bionische Querschnittsgestaltung an der Plattenunterseite sowie eine Optimierung der Form und Anordnung von Hohlkörpern. Durch diese innovativen Tragstrukturen wird der Kraftfluss beeinflusst und es stellt sich ein verbessertes Tragverhalten ein. Zur Formfindung und Entwicklung der Strukturen wurden evolutionäre Optimierungsprozesse kombiniert mit (nichtlinearen) Finite-Elemente-Berechnungen eingesetzt. Zum Abschluss der Forschungsphase werden die entwickelten Plattensysteme experimentell untersucht.

Die Gradierung von Betonbauteilen durch eine in bis zu drei Raumrichtungen kontinuierliche Manipulation der Materialeigenschaften, wie beispielsweise Porosität, Festigkeit oder Steifigkeit, ermöglicht eine Anpassung des Bauteilinneren an das vorherrschende statische oder bauphysikalische Anforderungsprofil. Dies kann zur Massenminimierung und zur Erzielung multifunktionaler Eigenschaften eingesetzt werden. Die zur Herstellung funktional gradierter Betonbauteile besonders geeigneten Verfahren Schichten und Spritzen ermöglichen die Entwicklung des gesamten Eigenschaftsspektrums zwischen zwei Referenzmischungen mit konträren Festigkeits- und Porositätseigenschaften. Numerische Entwurfsmethoden liefern ein Gradientenlayout als digitalen Bauplan für diese Bauteile.

Durch die digitale Entwicklung und Fertigung von Fertigteilen gewinnen Bauteile an struktureller Effizienz sowie Komplexität. Dies führt dazu, dass Bauteile aus ultrahochfestem faserverstärktem Beton (UHPFRC) aufgrund der hohen Festigkeit mit geringen Wandstärken und ohne zusätzliche Bewehrung hergestellt werden können. Um die hochpräzise gefertigten Bauteile zu einem Gesamttragwerk zu verbinden, muss die trockene Fügung von Beton genauer untersucht werden. Die Erforschung dieser neuen Bauweise für Stabwerk- und Flächenelemente ist das Ziel des Teilprojektes im DFGSchwerpunktprogramm 1542 Leicht Bauen mit Beton. Die Erkenntnisse zum ganzheitlichen Ansatz des „Digital Workflow“ vom Design bis zum Bauteil werden in diesem Beitrag dargestellt. Dafür werden für einzelne Stabwerk- und Flächenelemente numerische und experimentelle Ergebnisse vorgestellt.