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Tragende, umweltfreundliche Bauteile auf der Basis von Wabenkarton

Diese Wände sind nicht von Pappe

Almut Pohl ETH Zürich, Institut für Baustatik und Konstruktion IBK [email protected] Wabenkarton ist in unterschiedlichen Formen erhältlich. Die Waben können sechseckig oder gewellt, gross oder klein und zudem aus vielfältigen Papierarten hergestellt sein. Für das vorliegende Projekt wurde Wabenkarton verwendet, der aus mehreren Lagen Wellpappe besteht, d.h. er setzt sich alternierend aus geraden und gewellten Lagen zusammen. Die einzelnen Lagen bestehen aus wiederverwertetem Papier und sind durch einen umweltfreundlichen Alkalikleber verklebt. tungsfläche von 100 mm x 100 mm eine Last von über einer Tonne tragen, also etwa das Gewicht eines mittelgrossen Automobils. Unter Druckbelastung verhält sich der Wabenkarton anfänglich linear elastisch mit einem Elastizitätsmodul von etwa 120 N /mm 2. Bei höherer Belastung flacht die Spannungs-Dehnungs-Kurve ab, bis das Material bei etwa 1.4 N / mm 2 (Innenraumbedingungen) versagt. Für die Verwendung von Wabenkarton als Kernmaterial in Sandwichbauteilen sind seine Eigenschaften unter Schubbelastung wichtig. Diese wurden anhand von Plattenschubversuchen nach DIN 53294 untersucht. Die ermittelten Werte für Schubmodul und Schubfestigkeit von 90 N / mm 2 bzw. 0,7 N /mm 2 sind sehr viel versprechend. Dies war einer der Gründe dafür, einen Sandwichaufbau als optimaler Wabenkarton-Bauteilquerschnitt zu wählen.

Die zunehmend raschen Nutzungswechsel von Gebäuden, der Klimawandel und die nach und nach schwindenden Ressourcen legen es auch in der Baubranche nahe, umweltgerechte Lösungen für Bauwerke zu finden. Bestehende Substanz wiederverwenden und ökologische Grundmaterialien einsetzen sind dabei Faktoren. Materialien zu entwickeln, die diesen Ansprüchen gerecht werden, ist Ziel einer Forschungsarbeit am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich. Im Rahmen des Projekts Cellulose in Architectural Technology and Structural Engineering (CATSE), das in Zusammenarbeit mit dem Institut für Architektur bearbeitet wird, beschäftigt sich Almut Pohl unter der Leitung von Prof. Mario Fontana und Dr. Anton Steurer mit den Möglichkeiten des Bauens mit Karton. Untersucht wurde dies anhand der Entwicklung eines umweltfreundlichen, tragenden Wandbauteils aus Wabenkarton.

Schubfestigkeit ist entscheidend Ein erster Schritt waren Druckversuche an Kleinproben, um die mechanischen Eigenschaften des Wabenkartons kennen zu lernen. Diese Versuche zeigten eindrücklich, wie stark Wabenkarton ist: Ein 50 mm hoher Probekörper kann unter Innenraumbedingungen auf einer Belas-

8.8 mm

4.2 mm

Wellpappe-Wabenkarton.

Druckversuch 1.4 1.2 Spannung [M Pa] 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0% 0.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2.5% Dehnung 3.0% 3.5% 4.0% 4.5%

SpannungsDehnungsdiagramm des Wabenkartons unter Druckbelastung.

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ü

Leichtgewicht trägt hohe Lasten Ein Aufbau in Sandwichbauweise besteht aus einem leichten und schubsteifen Kern, der auf beiden Seiten von dünnen und festen Deckschichten umschlossen ist. Dabei nehmen die Deckschichten Druck- und Zugkräfte auf, während der Kern die Schubkräfte trägt, die Deckschichten auf Distanz hält und diese vor lokalen Instabilitäten schützt. Ein Sandwichbauteil zeichnet sich generell aus durch seine grosse Schlankheit und sein geringes Gewicht, gleichzeitig aber auch durch seine Fähigkeit, sehr hohe Lasten zu tragen. Dies erklärt, weshalb für die hoch belasteten Komponenten von Flugzeugen und Raketen praktisch ausschliesslich Sandwichstrukturen zur Anwendung kommen.

Tensile stress in facing

Shear stress in honeycomb core

Compressive stress in facing

Schematische Darstellung der Spannungen in einem Sandwichelement.

Wabenkarton

Wegaufnehmer Schubplatten

Zahlreiche Materialkombinationen möglich Die Deckschichten für Wabenkarton-Sandwichbauteile können aus unterschiedlichen Materialien wie Stahl, Aluminium, Gipsfaserplatten oder aus Holzwerkstoffen (OSB-Platten, Furniersperrholz usw.) bestehen. Die Dicke der Kernschicht lässt sich je nach Anforderung an thermische und akustische Eigenschaften der Struktur variieren. Die Mindestabmessungen sind jedoch durch die statischen Randbedingungen vorgegeben. In axial druckbelasteten Sandwichstrukturen können drei prinzipielle Versagensarten auftreten: Erreichen der Materialfestigkeiten in Kleber, Deckschicht oder Kern, globale Instabilität durch Ausknicken des gesamten Bauteils oder lokale Instabilitäten wie Beulen der Deckschicht.

Plattenschubversuch nach DIN 53294.

Um dieses Verhalten in Wabenkarton-Sandwichelementen zu untersuchen, wurde eine Versuchsreihe an Probekörpern mit dünnen (0,5 mm bis 1,5 mm) Stahldeckschichten durchgeführt. Diese bis zu 1350 mm langen und 100 mm breiten Elemente unterschiedlicher Dicke wurden unter axialem Druck bis zum Versagen getestet. Die Kombination aus einem leichten Wabenkartonkern und einer dünnen Stahlschicht erwies sich als äusserst tragfähig. So versagten z.B. fast 1,5 m hohe, sehr schlanke Probekörper von nur 20 mm Dicke bei einer aufgebrachten Kraft von ca. 20 kN bzw. einer Spannung von 11 N/mm 2 bezogen auf den Gesamtquerschnitt. Die Resultate der Versuche wurden anschliessend anhand theoretischer Überlegungen überprüft: Die Materialeigenschaften des Wabenkerns wie Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul wurden mit Hilfe von Energiemethoden und Beultheorie berechnet; das Versagen der Sandwichelemente unter axialem Druck wurde mit Berechnungen nach der Theorie zweiter Ordnung und der klassischen Sandwichtheorie analysiert.

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Druckversuch an Stahl-Kartonwabensandwich.

Die Ergebnisse dieser theoretischen Berechnungen und der Versuche erlauben es, die Leistungsfähigkeit von Wandbauteilen aus Kartonwaben-Sandwichelementen abzuschätzen. Wird die Bemessungslast für die tragende Wand eines zweigeschossigen Bürogebäudes inklusive grosszügigen Sicherheitsfaktors (für Unsicherheiten wie Kriechen, Feuchtigkeitseinfluss usw.) angenommen, so genügt ein 50 mm dickes Sandwichbauteil mit Stahl- oder Aluminiumdeckschichten von weniger als 1 mm den Anforderungen. Anstelle von Metallen lassen sich auch holzbasierte Werkstoffe wie OSB oder Furniersperrholz als Aussenlagen anwenden. Aufgrund ihrer geringeren Druckfestigkeit ergeben sich für diese Materialien geeignete Mindestquerschnitte von 100 mm Dicke mit ca. 10 mm dicken Deckschichten. Das Gewicht dieser Querschnitte ist mit ca. 20 kg pro m 2 Wand äusserst gering.

Feuchteschutz ist zentral Um die Leistungsfähigkeit des Wabenkartons zu gewährleisten, muss er vor Feuchtigkeit geschützt sein, da Papier seine Festigkeit in nassem Zustand verliert oder sich sogar auflöst. Druckversuche an trockenem, feuchtem und nassem Wabenkarton haben gezeigt, dass der Wabenkarton in sehr feuchtem Klima (bei 95% rel. Luftfeuchtigkeit) drei Viertel seiner Trocken-Druckfestigkeit (35% rel. Luftfeuchtigkeit) verliert. Ist der Wabenkarton durchnässt, kann er praktisch keine Druckkraft mehr aufnehmen. Derzeit wird noch untersucht, wie sich der Wabenkarton bzw. das gesamte Sandwichelement vor Feuchtigkeit, Feuer und Schädlingsbefall schützen lässt. Eine mögliche Lösung wurde bereits erarbeitet, zu der gegenwärtig am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich Experimente durchgeführt werden. Gegenstand weiterer künftiger Untersuchungen sind auch die akustischen und thermischen Eigenschaften der WabenkartonSandwichelemente. Ebenso geplant ist die Entwicklung von Verbindungselementen für die Sandwichelemente, wobei von bereits bestehenden Techniken im Leichtbau ausgegangen werden kann.

Fazit Die vorgestellten Forschungsergebnisse zeigen, dass tragende Bauteile auf der Basis von Karton keine Utopie mehr sind. Ihr geringes Gewicht, ihre umweltfreundliche Zusammensetzung und die relativ günstigen Kosten machen Kartonwaben-Sandwichbauteile zu einer möglichen Alternative im Wohn- und Bürobau sowie bei An- und Umbauten. Mit Hilfe der geeigneten Lösung zum Schutz des Wabenkartons vor Feuchte, Brand und Schädlingen und zukünftiger Entwicklungen von Verbindungselementen könnten bald schon die ersten Gebäude «von Pappe» in der Schweiz zu sehen sein.

Druckversuche 100% 80% Spannung 60% 40% 20% 0% Dehnung 20°C, 35% RF 20°C, 65% RF 20°C, 95% RF

SpannungsDehnungsdiagramm von Wabenkarton in Umgebungen mit unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit.

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