Composite-Lösungen beschleunigen Betonfassaden-Fertigung

Jedes heute errichtete Mehrfamilienhaus benötigt eine Fassade. Abgeleitet vom französischen Wort façade, das wiederum vom italienischen facciata stammt, bedeutet es „Gesicht“. Kurz gesagt, die Fassade ist die äußere, öffentlich sichtbare Struktur, die dem Gebäude seinen Charakter, seine Farbe und Form gibt. Für Architekten setzt die Fassade den Ton für den Rest des Gebäudes und sagt viel über die architektonische Absicht des Designers aus.

Eine Fassade ist auch funktional. Sie bietet die Struktur, die Fenster und Türen umgibt, schützt das Gebäude vor Witterung und Einflüssen und beeinflusst die Energieeffizienz des Gebäudes. Eine Fassade kann aus verschiedenen Materialien gebaut werden, einschließlich Verbundwerkstoffen, Stein, Stahl, Glas oder Beton. Beton in einer Fassade kann aufgrund seiner Formbarkeit verwendet werden, um einem Gebäude ein hochdimensionales und visuell beeindruckendes Erscheinungsbild zu verleihen, besonders wenn die Betonformen variieren.

Zucker ist König

Dies war der Fall im Domino Park, einem 11 Hektar großen Revitalisierungsprojekt entlang des Williamsburg-Ufers in Brooklyn, New York, USA. Im Herzen des Domino Park steht die 138 Jahre alte Domino Sugar Refinery, die 2004 geschlossen wurde und nun als Büro- und Einzelhandelsfläche renoviert wird. Teil des Domino Park sind mehrere neue Gebäude, darunter der 45-stöckige One South First und das angebaute 10 Grand. Für diese Gebäude entschied sich der Architekt COOKFOX (New York, NY) für eine Betonfassade mit mehreren Oberflächenwinkeln, mehreren Fensterrahmenformen und mehreren Fensterrahmenbreiten, um aus der Ferne lose ein Gefühl von Zuckerkristallinität zu vermitteln, passend zur Geschichte des Standorts.

Gate Precast Co. (Jacksonville, Florida, USA) gewann den Vertrag für die Betonfassade – im Grunde eine Reihe von Fensterrahmen – für das One South First Projekt. Das Unternehmen würde, wie typisch für eine Betonfassade, die Rahmen in seiner eigenen Anlage fertigen und dann fertige Rahmen zur Baustelle liefern, wo sie per Kran in Position gehoben und installiert würden. Hätte Gate sich für Tradition entschieden, hätte es Holzformen gebaut, mit denen alle Betonrahmen geformt würden. Gate entschied sich jedoch, nicht der Tradition zu folgen.

Um zu verstehen, gehen wir zurück ins Jahr 2017, als Gate mit dem Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI, Chicago, Illinois, USA) und dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, USA) zusammenarbeitete, um eine vorläufige Bewertung der Nutzung von Large-Format Additive Manufacturing zum Bau von Verbundwerkstoffformen für In-Plant-Fertigteilbetonformung durchzuführen. Diese Bewertung wurde mit einer BAAM (Big Area Additive Manufacturing) Maschine am ORNL durchgeführt. BAAM ist eine Large-Format-Additive-Manufacturing-Maschine mit 25 Quadratmeter Bauvolumen, ko-entwickelt von ORNL und Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, USA). Gate verpflichtete sich, Verbundwerkstoffformen für die One South First Fassade zu bauen. Das Projekt erforderte insgesamt 80 Formen, 37 davon sollten gedruckt werden. Die verbleibenden 43 würden aus Holz gefertigt. Als diese Entscheidung getroffen wurde, waren die Zeitpläne für die Formlieferung eng.

2016 hatte Additive Engineering Solutions (AES, Akron, OH) seine erste BAAM-Maschine von Cincinnati Inc. erworben. Daher wandten sich ORNL und Gate Precast an AES um Hilfe. Andrew Bader, VP und Mitgründer von AES, sagt, sein Unternehmen und ORNL teilten das Arbeitspaket, wobei AES 18 der 37 Formen produzierte. Bader sagt, jeder Fensterrahmenform misst ca. 1,5–1,8 m Breite, 2,7–3 m Höhe und 40 cm Tiefe und wiegt ca. 227 kg.

Bader sagt, die Innenseite der Geometrie der Formen, da sie dazu konzipiert sind, Rahmen zu produzieren, die rechteckige Fenster umgeben, war relativ einfach. Das Design der Außenseiten der Rahmen war jedoch komplexer, mit variierenden Tiefen und Winkeln, die in jede Form integriert waren. Eine gedruckte Form ersetzte eine Holzform, die aus vielen einzeln geschnittenen, zusammengenagelten Stücken bestand. „Die Geometrie war einfach, aber kompliziert“, sagt Bader. „Das Projekt erforderte mehrere einzigartige Rahmendesigns, abhängig von der Rahmenposition.“

Für einen Teil seiner Produktion wählte AES einen LNP THERMOCOMP AM Compound, ein hochmoduliges, niedrig-verzugsfreies Material basierend auf ABS mit 20 % gehackter Carbonfaserverstärkung, geliefert von SABIC (Houston, Texas, USA). Bader sagt, die BAAM-Maschine brauchte 8–10 Stunden, um jede monolithische Form zu bauen, gefolgt von 4–8 Stunden Bearbeitung und Finish in einer Quintax (Stow, Ohio, USA) CNC-Maschine. Er berichtet, dass die Formen auf die erforderlichen Maße geschliffen, aber nicht versiegelt wurden.

Fertigung der Fensterrahmen

Die Formen wurden an Gates Winchester, Kentucky, USA Anlage geliefert, wo sie neben den 43 traditionellen Holzformen eingesetzt wurden, die Gate für das Projekt baute. Die Holzformen wurden von Gate-Mitarbeitern manuell zusammengebaut, dann wurden Glasfasermatte und Harzbeschichtung aufgetragen, mit Trennöl besprüht, um das Lösen der geformten Betonrahmen zu erleichtern. Trennöl wurde auch auf die Verbundwerkstoffformen gesprüht.

Für einen Betonguss wurden mehrere Formen auf einen 12–15 Meter langen Holzguss-Tisch platziert. Formen wurden gruppiert, um einen einzelnen, doppelten oder dreifachen Rahmen zu produzieren. Stahlbewehrung wurde in jede Form positioniert und Beton darum gegossen. Der Gusstitisch wurde dann vibriert, um den Beton zu verdichten. Nach 14–20 Stunden Aushärtung wurden die Fensterrahmen entformt, säuregewaschen und poliert. Dann wurden die Fenster eingebaut und das gesamte Paket per LKW zur Baustelle in Brooklyn geliefert.

Bader sagt, die AES-Verbundwerkstoffformen, die neben den traditionellen Holzformen arbeiteten, zeigten schnell ihre Vorteile. Erstens, so sagt er, erlaubt eine Holzform nur 15–20 Betongüsse, bevor sie aus dem Dienst genommen und überholt oder ersetzt werden muss. Die AES-Formen hingegen erlaubten 200 Betongüsse mit minimaler Überholung oder Ausfallzeit. Und die 200 Güsse, sagt Bader, repräsentierten das Ende des Projekts, nicht das Ende der Lebensdauer der Form. „Das ist nur der Punkt, an dem sie aufhörten“, sagt er. „Wenn unsere Formen ordnungsgemäß gepflegt werden, glauben wir, dass sie hunderte Male verwendet werden können.“

Weiterhin berechnet Gate, dass für eine Nutzung von 150 Güssen oder mehr bis zu 10 Holzformen nötig wären, um die Leistung einer AES-Form zu erreichen. Angesichts der Tatsache, dass Gate 40 Mannstunden für die Herstellung einer Holzform benötigt, hätte das Unternehmen ohne die 37 Verbundwerkstoffformen die Terminplananforderungen des One South First Projekts nicht erfüllen können.

Bader räumt ein, dass eine AES-Verbundwerkstoffform viermal so viel kostet wie eine Holzform, aber mindestens 10-mal langlebiger ist. „Die Art, wie Fertigteileformen gebaut werden, ist seit Jahrzehnten relativ unverändert geblieben“, behauptet Bader. „Plötzlich eines Tages machen wir 227-kg-3D-Formen und alle waren schockiert.“ Das gesagt, erkennt er an, dass additive Fertigung solcher Formen am kosteneffektivsten in Anwendungen ist, wo Betonformen komplizierte Geometrie oder hohe Wiederholung haben – dieselbe Form viele Male.

AES, so Bader, besitzt und betreibt jetzt vier BAAM-Maschinen und kann Teile bis zu 2,4 m Höhe produzieren. Viel größere Teile wurden durch Verbinden mehrerer Stücke gebaut.