Historische Bauweise neu gedacht

Stampflehmbögen für Geschossdecken

In Rahmen eines Forschungsprojekts – gefördert von der DBU – wurden Stampflehmbögen mit 3,50 m Spannweite hergestellt und in einem Mock-up als Geschossdecke eingesetzt (Bild 1). Nach diesem Prinzip könnten Geschossdecken aus Lehm und Holz hergestellt werden mit der Besonderheit, dass die Lehmbögen als tragendes Bauteil eingesetzt werden.

1 Ressourcenschonende Tragwerke

Bogentragwerke, aufgelöste Stabtragwerke sowie Schalentragwerke sind Beispiele für Tragwerke, die Tragfähigkeit durch ihre Geometrie erreichen und – wenn sinnvoll konstruiert – gleichzeitig minimalen Materialeinsatz erlauben. Dies ist unabhängig vom Material. Wenn die tragende Struktur in druck- und zugbeanspruchte Bauteile zerlegt wird, entstehen filigrane Tragwerke. Vor allem der Verzicht auf biegebeanspruchte Bauteile bzw. die Zerlegung von Biegung in ein Kräftepaar aus Druck und Zug spart Material.

Aus diesem Grund sind viele Forschungspavillons an Hochschulen und Universitäten oft Schalentragwerke. Sie tragen über Normalkräfte und sind beeindruckend – egal ob aus Holz, Beton, Ziegeln, Steinen, 3D-Druck, Seilen, Kunststoffen etc. In historischen Bauwerken finden sich, aus den beschriebenen Gründen, ebenfalls oft Bögen, Kuppeln oder Gewölbetragwerke.

Im mehrgeschossigen Wohnungs- oder Bürobau dominiert seit vielen Jahren die Stahlbetonflachdecke. Sie kann bis zu ca. 10 m überspannen, bei geeigneten Mehrfeldsystemen oder in Kombination mit Vorspannung sogar noch mehr. Gleichzeitig erfüllt sie alle Anforderungen an die Bauphysik (Akustik zwischen den Geschossen) und den Brandschutz. Sie ist schnell und leicht zu bauen und jeder Unternehmer kann sie ausführen. Sie erlaubt flexible Führung von Leitungen unterhalb und oberhalb der Decke und Trennwandanschlüsse sind an jeder Stelle problemlos möglich. Nie ist ein statisches Element (z. B. ein Über- oder Unterzug) im Weg. Das sind die Argumente, die in den vergangenen Jahren oder Jahrzehnten oft zur Wahl der Flachdecke geführt haben. Wirtschaftlich ist sie zudem auch noch. Obwohl eine Rippendecke, verglichen mit der Flachdecke, schnell bis zu 50 % Beton einsparen kann, war sie oft in Projekten nicht erwünscht.

Bei aktuellen Projekten und Wettbewerben hat das dringend notwendige Umdenken stattgefunden und Planungsteams und Bauherren wollen Ressourcen sparen und Beton reduzieren.

Insbesondere für Geschossdecken und Wände werden Alternativen zur Flachdecke gesucht. Ressourcenschonende Tragwerke finden sich v. a. in den historischen Bautabellen – viele Strukturen, die aktuell wieder vorgeschlagen werden, waren im Bauen bereits präsent. Dazu gehören die Rippendecken, die klassischen Holzbalkendecken (mit Ballastierung durch Hochofenschlacke oder Bauschutt), aber auch Hourdisdecken, Koensche Voutendecken oder Kappendecken. Alle genannten Systeme sind aus Sicht der Autoren ressourcenschonend.

Reine Holzbalkendecken erfüllen oft die Mindestanforderungen an die Akustik nicht oder schwingen. Sie sind – paradoxerweise – zu leicht und müssen nachträglich beschwert werden. Es liegt also nahe, eine Holzbalkendecke mit ökologisch verträglichen Materialien zu ballastieren. Man denkt dann schnell an Lehm, der ein vollständiges Naturprodukt ist und genügend schwer. Stampflehm kann Druckbeanspruchungen in geringem Maße aufnehmen, Zug nicht.

Im Rahmen eines Schulhaus-Wettbewerbs im Herbst 2020 haben die Autoren nach diesen Überlegungen Decken aus Lehmbögen vorgeschlagen, getragen von einem Holzskelettbau. Der Lehmbogen wurde so konzipiert (Stich, Spannweite, Dicke), dass sich stets eine Stützlinie innerhalb des Materials für alle Laststellungen einstellen kann. Die Druckspannungen in der Druckzone wurden nachgewiesen.

Das Prinzip der tragenden Lehmbögen wurde in verschiedenen Wettbewerbsbeiträgen vorgeschlagen und von der Jury jeweils besonders hervorgehoben (Bild 2).

2 Besucherzentrum Schloss Charlottenburg

Im Sommer 2021 konnte gemeinsam mit den Architekten Bez+Kock der Wettbewerb für das Besucherzentrum am Schloss Charlottenburg gewonnen werden (Bilder 3, 4). Dieses Projekt befindet sich aktuell in der Planung und die tragenden Bögen aus Lehm sollen hier eingesetzt werden.

Das Besucherzentrum in Charlottenburg ist ein zweigeschossiges Gebäude. Das Tragwerk wurde als filigraner Stahlskelettbau mit Bögen aus gestampftem Lehm zwischen den Stahlträgern konzipiert. Die Bögen werden als tragendes Bauteil eingesetzt, die dünne Brettsperrholzplatte auf den Bögen dient zur Herstellung der Scheibensteifigkeit.

3 Förderung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Die Idee der tragenden Lehmbögen wurde als Projektskizze bei der DBU eingereicht und mit einer Laufzeit von 18 Monaten gefördert. Gemeinsam mit den Tragwerksplanern von wh-p Ingenieure, ERNE Holzbau (CH) und der Hochschule für Technik in Stuttgart wurde die Idee weiterbearbeitet. Ein Bemessungstool auf Basis der Stützlinientheorie wurde entwickelt, verschiedene Herstellungsverfahren der Bögen getestet, ein Belastungsversuch durchgeführt und zum Abschluss des Projekts wurde ein 1:1-Mock-up mit zwei benachbarten Bogenfeldern gebaut.

4 Bemessungstool

Der statische Nachweis eines Bogentragwerks ist einfach und Inhalt der Vorlesungen im Grundstudium. Ein sinnvolles Verhältnis von Spannweite zu Stich und Dicke kann in wenigen Zeilen von Hand ermittelt werden – auch für einen Bogen aus gestampftem Lehm.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein leicht bedienbares Bemessungstool entwickelt, mit dem auch Architekturbüros und Bauherren statisch nachweisbare Bögen ermitteln können. Das Tool ermittelt mit grafischen Verfahren eine Stützlinie infolge Eigengewichts, welche rein über Normalkraft abträgt. Die grafische Statik wurde erstmals 1866 von Karl Culmann in seinem Werk Die grafische Statik beschrieben. Das Verfahren, welches darauf basiert, Kräftegleichgewichte an jedem Knotenpunkt herzustellen, wurde in historischen Bogenbauwerken vielfach als Grundlage für die Beurteilung der Tragfähigkeit eingesetzt.

Der in der visuellen Programmiersprache (Grasshopper) entwickelte Algorithmus orientiert sich sehr stark an historischen Vorbildern von Bogenbemessungen, jedoch kann aufgrund des EDV-Einsatzes eine deutlich feinere Diskretisierung gewählt werden, als dies bei den historischen Methoden üblich war. Insbesondere bei der Beurteilung von Teilflächenbelastungszuständen ist dies von großem Vorteil.

Für den Anwender ist das Tool so programmiert, dass parametrische Eingaben von Bogenlängen, Stichmaßen, Lastengrößen und Lastverteilungen möglich sind (Bild 5). Diese Variantenstudien und Veränderungen können dann in Echtzeit bspw. mit Architekten oder Bauherren durchgespielt und diskutiert werden. Trotz des für den Benutzer möglichst einfach gestalteten Interfaces sind umfangreiche Erfahrungen in der Tragwerksplanung und die Kenntnis der theoretischen Hintergründe grafischer statischer Verfahren unabdingbar. Detailliertere Erläuterungen zum Aufbau des Bemessungstools finden sich in der Masterarbeit von Weber [1], betreut von den wh-p Ingenieuren und der TU Berlin.

Die feine Diskretisierung ermöglicht es, Abweichungen der idealen Stützliniengeometrie bspw. durch Verkehrslasten, die nicht gleichmäßig über die komplette Bogenspannweite verteilt sind, sehr exakt zu berücksichtigen. Außerdem nutzt das Tool einen in Grasshopper standardmäßig implementierten Optimierungsalgorithmus Galapagos, um verschiedene Laststellungen automatisiert zu analysieren und ein vorgegebenes Zielkriterium zu minimieren. Das Ergebnis dieser Optimierungsaufgabe stellt die jeweils ungünstigste Laststellung für ein gewähltes zu minimierendes Kriterium dar. Ein solches Kriterium kann z. B. die Abweichung der Stützliniengeometrie unter einer bestimmten Laststellung zur unter Eigengewicht gefundenen Stützlinie darstellen (Bilder 6, 7).

Maßgebend für die Bemessung ist, dass die Abweichung der Stützlinie innerhalb der ersten Kernweite bleibt. Es werden also keine Zugspannungen im Querschnitt zugelassen. Für die Beurteilung der Tragfähigkeit ist dies eine sehr konservative Betrachtungsweise, da der Effekt einer klaffenden Fuge vernachlässigt wird. Inwiefern klaffende Fugen, wie sie bei Materialien mit geringer Zugfestigkeit (z. B. Mauerwerk, Gründungen) erlaubt werden, auch bei der hier vorgestellten Bauweise möglich sind, stellt einen Diskussionspunkt sowie einen wesentlichen Optimierungsansatz des Bemessungsverfahrens dar.

5 Herstellung der Bögen

Am Anfang stand die Überlegung, wie die Bögen sinnvoll und wirtschaftlich hergestellt, also gestampft werden können. Um die maximale Verdichtung und damit Druckfestigkeit am Rand zu erreichen, müssten die Bögen in Richtung der Achse gestampft werden. Diese Herstellung wäre allerdings sehr aufwendig. Die Bögen wurden schließlich als stehende Elemente hergestellt – im Grunde genommen wie eine Wand, die im Grundriss gekrümmt ist. So konnten die Erfahrungen von Lehmwänden genutzt werden und auch eine semirobotische Fertigung war möglich.

Die für die Kappe hergestellte Schalung besteht aus Dreischichtplatten und wird von sechs Schalungsankern gehalten. Die Anforderungen an die Steifigkeit der Schalung sind hoch, da durch das Stampfen hohe seitliche Abtriebskräfte auf die Schalung wirken und sich diese nicht verformen darf.

Die Herstellung der Bögen erfolgt also analog zur Herstellung eine konventionellen Stampflehmwand. So bleiben die Schichten später an der Unterseite der Bögen vollständig sichtbar. Die Schichten zeichnen sich parallel zur Bogenspannrichtung ab.

Ein Stampflehmbogen ist vom Tragverhalten vergleichbar mit einem Bogen aus Mauerwerk, der ebenfalls keine Zugkräfte aufnehmen kann. Stellt man sich also die Aufgabe, einen Bogen aus Mauerwerk um 90° zu drehen, so wird klar, dass der Bogen in diesem Kippvorgang instabil ist. Auch während eines möglichen Transports zur Baustelle hätte der reine Bogen keinerlei Stabilität, da ihm die notwendigen horizontalen Auflager für den Bogenschub fehlen.

Um den Horizontalschub aufzunehmen und um Anschlagpunkte für den Kran zur Verfügung zu stellen, wurden ein Widerlager aus Stahl entwickelt, an dem demontierbare Zugstangen befestigt sind. Nach dem Kippen kann die Druckkraft infolge Eigengewichts über die beiden Zugstangen kurzgeschlossen werden und der Bogen mit den Zugstangen wird robust und transportierbar. Die Drehung der Bögen wird mit einem Kipptisch realisiert (Bild 8).

Dieser Kipptisch ist quasi das Herzstück der Produktion. Denn der Lehm ist nicht nur porös und stoßempfindlich, er wird auch auf eine Rohdichte von ca. 2400 kg/m²verdichtet, wodurch das einzelne Lehmelement (Tiefe 1,0 m) fast 2,5 t wiegt. Die verwendete Mischung stammt von einem Bauvorhaben der Firma ERNE. Sie erreicht eine Mindestdruckfestigkeit von 2 N/mm². Die Sieblinie entspricht, unter Annahme eines Größtkorns von 22 mm, annähernd einer Fullerkurve für Stampflehm, was eine gute Verdichtbarkeit bedeutet. Durch die Verwendung einer kontrollierten und überwachten Mischung der Fa. ERNE ist die Vergleichbarkeit der gebauten Bögen für das Mock-up sichergestellt (Bild 9).

6 Planung des Mock-ups

Um die Bögen aus Stampflehm erstmals in die Realität umzusetzen, wurde ein Mock-up mit realen Abmessungen geplant. Ein wichtiger Aspekt war, die Konstruktion in möglichst realitätsnaher Umgebung als Geschossdecke begreifbar und erlebbar zu machen. Zusätzlich sollten durch die Planung und den Bau des Mock-ups zahlreiche für die Ausführung relevante Erkenntnisse gewonnen werden.

Um den Eindruck einer realen Geschossdecke möglichst gut abzubilden, wurden Wandbekleidungen in Form von Holzplatten eingesetzt (Bild 10).

Im Rahmen der Planung wurde die Verwendung der Zugstangen mehrfach diskutiert. Für den späteren Einsatz als Geschossdecke sind diese Zugstangen insbesondere beim Thema Brandschutz hinderlich und werden auch optisch nicht in jeder Situation gewünscht. Statisch sind sie nicht erforderlich, mit Ausnahme der beiden Randfelder. Da das Mock-up im Grunde aus zwei Randfeldern besteht, konnten die Zugstangen nicht entfallen.

Der Detailausbildung des Auflagerbereichs wurde bei der Planung des Mock-ups besondere Bedeutung zugemessen. Es wurde hierbei ein Auflagerdetail aus Stahleinbauteilen entwickelt, welches die horizontalen und vertikalen Kräfte ohne Exzentrizitäten in die Unterkonstruktion einleiten kann.

Zudem erfüllt das Auflagerdetail das Erfordernis, die vorgefertigten Elemente mittels eines Krans anzuheben. Hierzu sind – wie in Bild 11 dargestellt – die Schraubmuffen für die vertikale Kraft vorgesehen.

Besondere Beachtung wurde auch dem Einbau während des Stampfvorgangs gewidmet.

Für den Transport- und Einbaufall erwies sich das Detail als sehr gut geeignet. Die Zugstangen lassen sich gut einfädeln und befestigen. Beim Stampfen allerdings sind die in das Bauteil ragenden Hülsen etwas hinderlich. Die Verdichtung findet in den Bereichen zwischen Hülse und Schalung, die vom Stampferfuß nicht erreicht werden können, mittels Latte und Hammer statt. Das nimmt deutlich mehr Zeit in Anspruch und führt u. U. nicht zu der gewünschten homogenen Verdichtung. Für das (robotische) Stampfen des Bogens bieten sich also Widerlager an, bei denen die Kranaufnahme- und Zugstangenhülsen angebracht werden können, sobald die entsprechende Schicht erreicht ist.

7 Bau des Mock-ups

Das Holzgerüst des Mock-ups ist CNC-abgebunden. Die Brettschichtholzträger, die den Bögen als Auflager dienen, wurden mit Schwalbenschwänzen zwischen die Pfosten gehängt. Hier bestand die Herausforderung darin, das Tragwerk ausreichend gegen Auseinanderdrücken zu sichern und die Kappen gut in einer Flucht auszurichten, um anschließend durch Retusche einen nahtlosen Übergang zwischen den einzelnen Elementen herzustellen.

Der Zwischenraum zwischen Brettsperrholzplatte und dem Lehmbogen wurde mit einer Schüttung gefüllt, die die Lasten von der BSH-Platte auf den Bogen übertragen kann. Die BSH-Elemente können im Endzustand auch die notwendige Scheibensteifigkeit einer Geschossdecke sicherstellen (Bild 12).

8 Belastungsversuche

Das Forschungsvorhaben hat als primäres Ziel, mit einem Mock-up die grundsätzliche Machbarkeit von tragenden Bögen aus Lehm zu zeigen. Sämtliche Versuche zur Tragfähigkeit und Robustheit der Bögen erfolgten auf einem experimentellen Niveau, noch ohne Überwachung oder messtechnische Begleitung. Überwachte Tests und mit Messtechnik begleitete Tests stehen noch aus.

Der erste fertige und gedrehte Bogen wurde am Boden liegend mit 25-kg-Säcken belastet.

Die Säcke wurden schichtweise aufgebracht, bis zu einer Gesamtbelastung von 2530 kg oder 803,2 kg/m² (Bild 13). Die Länge des Bogens wurde vor der Belastung auf dem Boden markiert. Weder eine Längenänderung noch eine Durchbiegung war erkennbar oder mit dem Meterstab messbar.

Das Anschlagen an einem Punkt führte dann, wie erwartet, zu schlagartigem Totalversagen. Die Dreipunktaufhängung führte zu hohen Randmomenten, die der Bogen nicht aufnehmen konnte.

9 Belastungsversuche am Mock-up oder Rückbau durch Zerstörung

Nach vier Wochen Standzeit musste das Mock-up zurückgebaut werden, um den Platz in der Halle wieder freizugeben. Um möglichst viele Erkenntnisse zur Robustheit der Lehmbogendecke gewinnen zu können, war das Ziel, den Bogen bewusst zum Versagen zu bringen, durch:

hohe (einseitige) punktuelle Last (1,6 t Gewicht)
Wasser
hohe Anhängelast (ca. 300 kg)
dynamische Belastung

Die Bögen hielten der Last ohne Weiteres Stand, sie rutschten nicht tiefer zwischen die Widerlager, auch wenn sie impulshaft und mit etwas Schwung gedrückt wurden (Bild 14). Die Holzkonstruktion allerdings geriet ins Schwingen und es kam deutlich hörbar zu Setzungen im Schwalbenschwanz. Die Unterkonstruktion ist die Schwachstelle, und nicht der Lehmbogen.

Ein weiterer Lastfall, dem eine raumabschließende Kappe standhalten muss, ist eine punktuelle Last, wie sie durch schwere Aufhängungen, z. B. durch Beleuchtungen, auftritt. Um dies zu simulieren, wurde eine Gewindestange durch eines der Ankerlöcher geführt und mit einer Unterlegscheibe (Außendurchmesser 58 mm) und Mutter auf der Oberseite gesichert. Nach und nach wurde an die Gewindestange ein Gewicht von ca. 300 kg, bestehend aus mit Lehm gefüllten Eimern und einer mit Wasser gefüllten 200-l-Mörtelwanne, gehängt (Bild 15). Es ließ sich kein Unterschied zwischen belastetem Bogensegment und unbelastetem Bogensegment erkennen.

Es war nicht möglich, den Bogen durch hohe Auflasten oder Anhängelasten zum Versagen zu bringen.

Um einen Eindruck von der Wasserresistenz zu erhalten, wurde ein Wasserschlauch auf die Konstruktion gelegt (Bild 16). Zunächst floss das Wasser zwischen Stahlbauteil und Holzwiderlager in den Raum, die Fußpunkte nässten zuerst durch, aus den Stoßstellen fiel die Füllung der Fugen und das Wasser rann zwischen den einzelnen Elementen hindurch. Am Fußpunkt beginnend, den Rändern des Elements folgend fielen kleinere durchnässte Schollen ab, darunter war das Material fast vollständig trocken. Nach ca. 1 h Bewässerung wurde der Versuch beendet, der Bogen konnte in dieser Zeit nicht zum (Teil-)Versagen gebracht werden.

Als positives Ergebnis hat sich gezeigt, dass die Bögen eine hohe Robustheit aufweisen, insbesondere gegen die Szenarien, die als kritisch für die Bögen angesehen wurden. Hohe Einzellasten (auch einseitig), hohe punktuelle Anhängelasten und v. a. Wasser konnten die Bögen nicht zum Versagen bringen. Erst das Anheben der Bögen in Feldmittte um ca. 40 cm hat, wie erwartet, zum Aufreißen der Bögen am unteren Rand (in den Viertelpunkten) bzw. am oberen Rand (in Feldmitte) geführt und der Bogen konnte zurückgebaut werden (Bild 17).

10 Fazit und Ausblick

Geschossdecken aus tragenden Lehmbögen zu bauen, ist die Idee der wh-p Ingenieure und Bez+Kock Architekten für das neue Besucherzentrum am Schloss Charlottenburg in Berlin.

Im Rahmen eines ersten Forschungsprojekts, gefördert durch die DBU, konnte gezeigt werden, dass dies grundsätzlich möglich ist. Das gebaute Mock-up zeigt den Raumeindruck von gestampften Lehmbögen, die nach dem Prinzip der preußischen Kappendecke als tragendes Element eingesetzt wurden.

Insbesondere zu Robustheit, Herstellung und Machbarkeit konnten einige Fragen geklärt werden, andererseits sind neue Fragen aufgetaucht, die jetzt im Rahmen eines weiteren Forschungsprojekts für dieses Bauvorhaben, aber v. a. auch für eine Serienreife geklärt werden sollen.

Projektbeteiligte

Förderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
wh-p Ingenieure, Basel und Berlin
ERNE Holzbau, Stein (CH)
Hochschule für Technik, Stuttgart

Literatur

Weber, P. (2023) Entwicklung und Bemessung einer Lehmkappen-Deckenkonstruktion [Masterarbeit]. TU Berlin.

Autor:innen

Prof. Dipl.-Ing. Martin Stumpf, m.stumpf@wh-p.de
Geschäftsführender Gesellschafter wh-p Ingenieure Basel, Stuttgart, Berlin
Professor für Tragwerksentwurf, Hochschule für Technik Stuttgart, Fakultät Architektur und Gestaltung
www.wh-p.de

Nora Warhof, B.Eng.
Zimmerin für Restaurierungsarbeiten
Bachelor in Bauphysik (HfT Stuttgart)

Andreas Ginter, M.Eng., a.ginter@wh-p.de
Teamleiter wh-p Ingenieure Berlin
www.wh-p.de