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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Wandkonstruktion aus Natursteinplatten, wie sie beispielsweise in der
EP08874021 beschrieben wird.
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Diese Wandkonstruktion hat einen symmetrischen Aufbau aus druckstabilen Steinplatten, die in einem bestimmten Abstand gehalten sind. Zwischen den Platten befindet sich die isolierende Schicht, welche die Konstruktion über den Querschnitt aussteift. Die beiden Platten nehmen die Druckkräfte auf und bestehen aus besonders druckstabilem Material wie Naturstein, Kunststein aller Arten, Beton und sonstigem Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen oder Glas - im folgenden Steingut genannt - die zwar druckstabil, in der Regel aber auch durch eine spröde und bruchgefährdete Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie Granit, granitähnliche Gesteine wie Gneis oder Basalt, sowie Marmor, Kalkstein, hochdruckfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich entstandenem Steingut wie Beton oder andere aushärtende Mineralien-Verbünde. zu. Die beiden Platten können jeweils aus dem gleichen Material bestehen, oder auch jeweils aus unterschiedlichem Material, zum Beispiel die äußere Steinscheibe aus Naturstein und die Innere Steinscheibe aus Beton. Der Stein, die Keramik oder das Glas und sonstige druckstabile Materialien wie dünne Betonplatten - generell hier als das Steingut gezeichnet - welche bisher rein als Fassadenverkleidung zusätzliches Gewicht für den Bau von Gebäuden bedeutet, werden nunmehr selbst zum tragenden Element der Hauswand und die zugstablilen Elemente aus Carbonfasern, welche mittlerweile auch aus CO
2 hergestellt werden können, zum Beispiel aus organischem Öl oder mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese aus CO
2-basiertem Methanol, können zusammen mit einer Isolationsschicht aus kohlenstoff-haltigen Materialien zur einer effizienten Kohlenstoffsenke werden, wie in der
EP20702566 beschrieben.
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In diese Erfindung nunmehr einerseits eine neue Idee beschrieben, wie die einzelnen Steinscheiben im Hinblick auf den Brandschutzaspekt zu optimierend sind, indem auf die wenig temperatur-beständigen Harze verzichtet wird, um die Carbonfasern mit Natursteinplatten zu verbinden, um anschließend diese optimierten Verbünde entweder alleine als Einzelplatte oder ggfls. auch wieder in einem symmetrischen oder semi-symmetrischen Verbund mit einer aussteifenden Isolationsschicht in der Mitte einzusetzen.
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Werden die Steinscheiben als Einzelplatte ausgeführt, dann ist der Verbund so gestaltet, dass die stabilisierende Schicht auf beiden Seiten appliziert wird.
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Das Brandschutzproblem wird dadurch gelöst, dass das Verbundmaterial, welches die Steinplatte mit dem Carbongeflecht verbindet, also die Matrix, aus einem mineralischen Klebstoff besteht, wie zum Beispiel zementgebundene Kleber oder auch zementbebundener Beton, der, wenn er carbonstabilisiert wird, auch Carbonbeton genannt wird.
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Das Brandschutzproblem wird durch zum Beispiel zementbasierte Klebstoffe und Verbundstoffe gelöst, um die zugfesten Carbonfaser-Strukturen kraftschlüssig mit dem Stein zu verbinden, was in der
EP08874021.2 nur ansatzweise gelöst ist.
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Wichtig ist dabei, dass solche Wandelemente in weiten Temperaturbereichen formstabil bleiben und der „Bi-Metalleffekt“ unterdrückt, gleichzeitig das Ausdehnungsproblem durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten von Zementstrukturen und Carbon gelöst wird, wie auch das Temperaturproblem, welches bei den bisher für die Verbindung von Carbonfasern und Stein und/oder Carbonfasern und Beton verwendeten Harzen besteht, die einen Brandschutz durch ihre geringe Temperaturstabilität nur bedingt adressieren.
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Um dieses Ziel zu erreichen ist es nicht nur nötig, die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren, sondern auch die Ausdehnungsverhältnisse so einzustellen, dass die Steinplatte(n) auch bei wechselnden Temperaturen weder zu der einen Seite, noch zu der anderen Seite gebogen werden und somit die sichtbare Fläche großflächig gerade und eben bleibt und nicht schüsselt. Das ist insbesondere bei der äußeren Steinscheibe wichtig, da Fassaden nur nur statisch eben sein sollten, sondern auch optisch einen soliden Eindruck machen sollen-
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Der neue Weg muss gewährleisten, daß das Steingut unter den unterschiedlichsten thermisch bedingten mechanischen Belastungen, sowie auch rein mechanischen Belastungen so stabilisiert wird, daß durch eine, für die jeweiligen Einsatz- und Belastungsfälle geeignete, Stabilisierung vor mechanischer Zerstörung durch Reißen oder Knicken der Wandplatte einerseits, und insbesondere auch zusätzlich vor thermisch bedingtem Verbiegen geschützt werden, wobei die Verbundschichten durch die dabei auf die interlaminaren Flächen entstehenden Kräfte nicht delaminieren dürfen. Die Formstabilität bei Temperaturunterschieden auf der Wandinnen- und Wandaußenseite und auch damit bedingter Temperaturänderungen auf der wetterabhängigen Seite ist dabei ebenfalls von kennzeichnender Bedeutung, die auch dadurch unterstützt werden kann, dass die jeweilige Innen- und Außen-Platte auch aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen können.
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Kern der Lösung ist, das für solche selbsttragenden Wände in Sandwichbauweise die Verbindung zwischen den tragenden Steinplatten und der Carbonfaser durch Zement oder Beton erreicht wird, um die Verklebung der tragenden Steinplatten mit der faserstabilisieren Schicht so temperaturunempfindlich zu machen, dass die Konstruktion auch dann am Ausknicken ge hindert wird, wenn im Brandfall auf der Wandinnenseite hohe Temperaturen bis über 1000°C entstehen.
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Bisher nicht bekannt sind Bauformen, bei denen eine Natursteinplatte mit Hilfe von Carbonfasern selbst zum tragenden Element wird und gleichzeitig das Brandschutzproblem gelöst ist.
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Die optimale Statik wird damit erreicht, dass eine solche Natursteinplatte zum Beispiel aus Granit eine zweifach höhere Tragkraft besitzt, wie eine vergleichbare Betonplatte gleichen Gewichts. Dadurch wird leichteres, höheres und raumgewinnendes Bauen möglich, im Vergleich zur klassischen Beton und Ziegelbauweise. Auch im Vergleich zum Bauen mit Stahl wird Gewicht und Raum gespart, weil zum Beispiel Granit mit einem spezifischen Gewicht von 2,6 - 2,9g/cm3 ähnlich wie Aluminium ausgestattet um einen Faktor 2,7 leichter ist als Stahl, dabei jedoch eine Druckfestigkeit besitzt, die bei geeigneter Gesteinssorte die Druckstabilität von Baustahl übertrifft.
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Es folgt eine bautechnische Beschreibung der neuen Wandkonstruktion.
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Auf die tragenden Steinplatten ist eine Schicht aus mineralien-baseirtem aushärtenden Mörtel, zum Beispiel portamdzement-basiertem Beton oder anderer zementbasierter Mörtel aufgebracht, in die ein Carbonfaser-Geflecht eingebettet ist. Die Schicht aus Mörtel und Carbongitter wird in der Literatur auch als Carbonbeton bezeichnet. Das Carbonfaser-Geflecht ist dabei mehr oder weniger grobmaschig - ggfls. als grobmaschiges Gitter - ausgestaltet und mit Hilfe von temperaturstabilen Harzen oder anderen temperaturstabilen Klebern wie Acrylatklebstoffe, Harzen auf hoch-temperaturfester Silikonharz-Basis oder Wasserglas so imprägniert, daß die Faserfilamente eines Carbonfaser-Roving so umschlossen werden, daß diese dauerhaft kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Diese Bauweise kommt vorzugsweise bei den innenliegenden tragenden hybriden Schicht-Aufbauten aus Stein und Carbonbeton-Matrix zum Einsatz, bei denen der Brandschutz das Hauptkriterium darstellt und weniger die Ausdehnungsproblematik durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Carbon und Beton - die im Aussenbereich sehr wohl ein Problem darstellen - da der Innenraum von Gebäuden in der Regel beheizt ist und nur geringe Temperaturwechsel stattfinden.
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Die zur Anmeldung gebrachte Erfindung betrifft daher den Bausektor insbesondere im Hochbau, genauer den Hausbau von beheiztem Raum von Dienstleistungsgebäuden, Wohnhäusern, Pavillons, Hallen und jegliche Art von Gebäuden allgemein. Kern der Erfindung betrifft eine neuartige Technik zur Erstellung einer Hauswand als Gebäudeelement, mit den Funktionen der statischen Lastabtragung und der Fassade mit allen Funktionen einer Gebäudehülle und den entsprechenden physikalischen Anforderungen gemäß den aktuellen Normierungen, sowie der Lösung des Problems der ständig steigenden Anforderungen an einen effektiven Branschutz, der bei Stahlbeton gelöst ist, bei der Verwendung von faserstabilisierten Steinplatten bisher nur unzufriedenstellend .
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Die Wandelemente werden vorfabriziert und am Bau fertig versetzt. Die Deckenkonstruktionen werden auf die Wandelemente aufgesetzt. Die Wandelemente vereinigen alle statischen und bauphysikalischen Anforderungen in einem Sandwichaufbau. Die äußeren dünnen Scheiben aus Steingut oder sonstigen druckstabilen Materialien übernehmen hauptsächlich die Normalkräfte (Scheibenkräfte). Sie können direkt als fertige Oberflächen auf Sicht im Innen- und Außenbereich genutzt werden. Den Kern des Sandwiches bildet zum Beispiel ein schubsteifer wärmedämmender Schaum, der schubsteif mit den äußeren Scheiben verbunden ist. Mit dem Kern werden die Schubkräfte aus Biegebeanspruchungen aufgenommen, es ergibt sich eine ausreichende Biegesteifigkeit quer zum Element.
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Auch Innenwände sind möglich, ohne die für Außenwände notwendige Isolationsschicht.
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Alle so gestalteten Wand-Elemente sind durch die mittels Zementstruktur verbundenen Carbongewebe gegen Knicken gesichert. Die Lasteinleitungs- und Lastausleitungskonstruktion von den Geschossdecken auf die Sandwichelemente bringt die Vertikallasten symmetrisch auf die Scheiben ohne eine bauphysikalisch untragbare Wärmebrücke zu erzeugen. Die Wasserdichtigkeit, Dampfdichtigkeit wird durch Zusammenwirken der Sandwichmaterialien mit speziellen Verbindungsdetails gewährleistet. Das Lastniveau ohne zusätzliche statische Strukturen liegt bei Gebrauchslasten >= 75 kN/m. Die Elemente werden vom statischen Prinzip als Pendelstützen in den Decken oben und unten gehalten eingebaut. Die Wärmedämmwerte können Minergiestandard oder mehr erreichen.
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Die dünnen Scheiben bestehen aus mehreren Lagen von druck- und schubfesten, wasserdichten Material wie zum Beispiel Beton, Naturstein, Glas, Keramik. Sie werden gesichert über Bewehrungen gegen Zugbeanspruchungen aus thermisch asymmetrischen Verformungen und gegen Zugspannungen im Bereich der Spannungsverteilung in den Lasteinleitungszonen, die zu unangekündigten Totalsprödbrüche führen könnten. Ebenso können Imperfektionen im Material und in der Konstruktion überbrückt werden und es wir ein gutmütiges möglichst duktiles Materialverhalten erzeugt. Im Fall eines symmetrischen oder semi-symmetrischen Schichtaufbaus mit einem isolierenden Sandwichkern zwischen den tragenden Steinscheiben besteht dieser aus einem schubsteifen, hoch wärmedämmenden Aufbau, in der Regel aus einem ausreichend festen Schaum oder auch geschäumtem Beton wie zum Beispiel Y-Tong, der mit Kohlenstoff angereichert sein kann.
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Die Lasteinleitung besteht aus einem thermisch schwach leitenden druck- und schubsteifen Element aus GFK, Granit oder Holz oder einem Fachwerk oder aus kohlenstoffhaltigem mineralischem Material.
Als isolierende Schichten können alle möglichen über den Querschnitt aussteifenden Lösungen angewendet werden, die einen möglichst hohen Kohlenstoffgehalt haben, der zuvor der Atmosphäre entzogen wurden, wie druckstabile Schäume, Holzrahmen mit Hohlräumen in die Kohlenstoff als Isolationsmaterial in welcher Form auch immer oder papierbasierte Isolationsmaterialien verbracht werden.
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Für den Fall, dass eine tragende Hauswand in einem weniger hohen Gebäude zu Beispiel nur durch eine tragende Scheibe aus Naturstein ausgebildet wird, kann die oben beschriebene Isolationsschicht auch an deren Außenseite angebracht sein.
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Für die Stabilisierung der Steinplatten selbst wird im Fall eines semisymmetrischen oder unsymmetrischen Aufbaus die Verwendung von Fasermaterialien mit Zementmatrix wie zum Beispile Carbonbeton im Innenbereich vorgeschlagen und Harzmatrix in der äusseren Steinscheibe vorgeschlagen, die den Stein mit Carbonfaser-Geweben verbinden, die vorzugsweise aus Biomasse oder direkt aus CO2 hergestellt sind. Der Naturstein selbst hat ein sehr geringes Ausdehnungsmodul, welches mit der Faserstabilisierung eingestellt werden kann, da Naturstein aufgrund seiner porösen Struktur volumen-komprimierbar ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Ausdehnungsunterschiede in der Aussteifung im Inneren des Gebäudes und der dem Wetter ausgesetzten Seite der Hauswand sehr gering gehalten werden.
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So wie in der
EP 106 20 92 Natursteinplatten mit Carbon und Harz statisch stabil gemacht werden, geschieht dies bei dieser Erfindung durch eine Schicht, die aus carbonfaser-stabilisiertem Beton oder anderen temperaturfesten mineralischen Bindern besteht. Dies unterscheidet diese Erfindung von dem Stand der Technik.
Die Idee der Carbonstabilisierung von Steinplatten durch zementbasierte Kleber wird im nächsten Schritt auf Wandstrukturen übertragen, die in der Form selbst auch wieder einen symmetrischen Aufbau haben können und aus zwei Schichten Stein mit einer innenliegenden Schicht aus carbonbewehrtem Beton bestehen, oder umgekehrt auch aus einer in der Mitte angeordnete Steinplatte bestehen, die in beide Biegerichtungen mit auf beiden Seiten angeordneten Carbonbeton-Schichten am Ausknicken gehindert werden. Im Fall der innenliegenden Betonschicht kann diese auch aus isolierendem Leicht-Beton bestehen.
Es wird darüber hinaus die Forderung erfüllt, die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen Steintragwerken so zu optimieren, daß der Gesamt-Ausdehnungskoeffizient der Platte in weiten Temperaturbereichen kontrolliert wird, um das Schüsseln der Gesamt-Platte zu vermeiden und trotzdem eine Leichtbauweise zu realisieren.
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Eines der möglichen Ausführungsbeispiele wird in dargestellt. Die Abbildung zeigt eine als Wand stehende Steinplatte aus Granit (3) in Schnitt (G - G) und Schnitt (F - F) im Querschnitt, die mit einer Carbonbetonschicht (2/3) einseitig auf einer der beiden Steinseiten stabilisiert ist. Das Carbonmaterial ist als Gewebe (2) mit mehr oder weniger grober Struktur, in extremer Form auch als grobmaschiges Gitter ausgeführt, in ein zementbasiertes Bindemittel oder Beton (1) eingebettet, welcher sich beim Aushärten mit dem Stein fest verbunden hat. Der Verbund aus Bindemittel und Carbongitter oder Carbongewebe wird im Folgenden als Carbonbeton bezeichnet. Mit Hilfe der Bewehrung aus Carbonbeton fungiert die Steinschicht hauptsächlich zur Aufnahme der Last, während der Beton oder das Bindemittel oder Matrix hauptsächlich dazu dient, die dauerhaft kraftschlüssige Verbindung zwischen druckfester Steinplatte und zugfestem Carbonfaser-Gewebe herzustellen.
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In werden zwei weitere Ausführungsmöglichkeiten dargestellt. Es handelt sich jeweils um einen semi-symmetrischer Aufbau mit einer in Beispiel A gezeigten innenliegenden Schicht aus Carbonbeton (1) und (2) mit auf beiden Seiten je einer Last-tragenden Außenschicht aus Granit (3). Das Kicken beider Steinplatten ist in beide Biegerichtungen durch die Zugbewehrung aus Carbonbeton in der Mitte unterbunden.
In Beispiel B befindet sich die tragende Steinschicht in der Mitte, die auf beiden Seiten gegen das Knicken in beide Richtungen mit je einer Schicht aus Carbonbeton stabilisiert ist.
Die jeweiligen Außenschichten in A und B können in der Dimensionierung voneinander abweichen, je nachdem, ob sie die innere Schicht (1a) oder die äußere, der Witterung ausgesetzte Schicht der Wand (1b) darstellen. Lasteinleitungselemente (6) am Fuß der Wände leiten die Kräfte gleichmäßig in den Boden ab.
Im Fall eines mehrstöckigen Gebäudes können solche Elemente (6) sich auch an den oberen Enden der Wände befinden.
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In wird die eingebettete Carbongitter-Struktur gezeigt, die selbst aus einer Schicht Carbon in der Mitte und zwei außen liegenden Schichten aus Granit (3) bestehen, wobei die innenliegende Schicht aus Carbon (4) mit einem Acrylatklebstoff imprägniert mit den beiden Steinschichten aus Granit verbunden ist, wobei die Steinschichten einen optimalen Kraftschluss zum Beton herstellen, der auch bei wechselnden Temperaturen weder auf der Seite der Verbindung zum Carbon, noch auf der Seite der Verbindung zum Beton delaminiert, weil der Stein entsprechend flexibel auf Krafteinwirkung reagiert, wenn er mit einem entsprechend kleinen E-Modul ausgestattet ist. Wenn für solche Lamellen weiche Granite mit einem E-Modul von unter 40GPa verwendet werden, dann sind diese flexibler als Aluminium mit 70GPa und können somit die Schubkräfte bei wechselnden Temperaturen auch in der Außenschicht, bzw. an der Außenseite der Wand ohne Delamination überstehen. Als imprägnierender Klebstoff kann auch ein temperaturstabiler Wasserglaskleber oder ein temperaturstabiles Silikonharz oder ein anderer hochtemperaturfester Binder dienen, der die einzelnen Carbonfaser-Filamente und den Granit miteinander verbinden. Diese Lösung ist dann sinnvoll, wenn die Carbonbetonschicht stark wechselnden Temperaturen ausgesetzt wird, zum Beispiel im Außenbereich, oder in der innen liegenden Schicht des in dargestellten semi-symmetrischen Aufbaus dann, wenn die Gebäude im Winter auch im Innenraum nicht ständig beheizt werden. Lastausleitungs-Elemente (6) sind an den unteren Enden der Wandstruktur angebracht, um die Lasten gleichmäßig in den Boden abzuleiten. Die gleichen Elemente (6) können auch an der Oberseite der Wände angebracht sein, wenn hohe Lasten von darüberliegenden Stockwerken in die Wand eingeleitet werden müssen.
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In wird eine solche semi-symmetrische Struktur einer Hauswand im Querschnitt gezeigt, die zur Stabilisierung je eine Platte aus und mit einer aussteifenden Isolationsschicht in der Mitte verbindet. Auf der Innenseite (a) wird vorzugsweise eine Steinscheibe verwendet, die mit einer Carbonbeton-Schicht brandschutzsicher armiert ist, auf der Außenseite (b) wird ein Verbund aus zwei Natursteinplatten mit innenliegender Schicht aus Carbon verwendet, wie in gezeigt. Auch hier kann das Bindemittel zwischen den Carbonfilamenten und dem Stein aus einer üblichen Niedertemperatur-Harzmatrix bestehen, oder auch eine hochtemperaturfeste Matrix darstellen oder gegebenenfalls auch aus einer Schicht Carbonbeton mit den in beschriebenen Lamellen bestehen. Auch hier dienen Lasteinleitungs-Elemente (6) und Lastausleitungs-Elemente (6) am oberen und unteren Ende der Wand um Lasten in der Wand ein- und auszuleiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 08874021 [0001, 0006]
- EP 20702566 [0002]
- EP 1062092 [0023]
