Leichtbeton in der modernen Architektur
Die Möglichkeiten des Leichtbetons wurden ab Mitte des letzten Jahrhunderts wieder verstärkt aufgegriffen. Exemplarisch zeigt das von Frank Lloyd Wright entworfene Solomon R. Guggenheim-Museum die Potenziale einer Leichtbetonkonstruktion. Die Anwendung der Leichtbetone im Hochbau in Deutschland wurde vor allem in den 1970er-Jahren entwickelt mit der Absicht, durch Nutzung der bauphysikalischen Vorteile dieses Baustoffs eine technisch einfache, einschalige Wandbauweise für den Wohnungs- und den Wirtschaftsbau zu gewinnen. Die Motivation dieser frühen Phase des Bauens mit Leichtbetonen war überwiegend bautechnisch orientiert, eine bewusste Adaption des Leichtbetons durch die Architektur blieb weitgehend auf Einzelfälle beschränkt.
Leichtbetone können, ebenso wie die schwereren Normalbetone, als Sichtbeton und bei der Gestaltung komplexer Tragwerke eingesetzt werden. Dabei ermöglicht das erheblich geringere Eigengewicht des Leichtbetons besonders schlanke Konstruktionen. Aufgrund der Verschärfung der gesetzlichen Regelungen zur energetischen Leistungsfähigkeit von Hochbauten in der Folge der Energiekrise der 1970er-Jahre konnten die Anforderungen mit den üblichen Wandstärken nicht mehr erfüllt werden. Als Folge war Leichtbeton fortan nur unter sonderplanerischen Voraussetzungen für den Einsatz in einschaligen Wänden sinnvoll. Die Popularität und der Einsatz von Leichtbetonen gingen stark zurück.
Anpassung an neue Anforderungen
Seit den 1990er-Jahren wurde nicht nur das Bauen mit Beton mit einer Vielzahl nationaler und europäischer Normen und Regelwerke technisch revidiert, auch die Technologie des Baustoffs wurde erheblich vorangetrieben. Die Hauptentwicklungen fanden in Bauweisen statt, die stark am Markt vertreten waren, denn eine erfolgreiche technische Planung benötigt den Versuch und reift in der praktischen Anwendung. Durch diesen Prozess des differenzierten Umgangs mit den technischen Eigenschaften und Steuerungsmöglichkeiten des Betonbaus wurde auch der Einsatz leichter Betone neu betrachtet oder realisiert, auch wenn die Anzahl ausgeführter Beispiele vergleichweise gering blieb. Ziele waren eine weitere Herabsetzung der Trockenrohdichte und verbesserte Wärmedämmeigenschaften.
Durch die Verwendung traditioneller Leichtbetone konnten die Rohdichten gegenüber einem Normalbeton (ca. 2350 kg/m3) bei den im Hochbau üblichen Festigkeitsvorgaben auf Werte von etwa 1600 kg/m3 abgesenkt werden. Mit der aktuellen Technologie können – bei einem hochbautauglichen Festigkeitsniveau – Rohdichten bis zu 800 kg/m3 realisiert werden. Gleichzeitig wurde der Nachweis verbesserter Wärmedämmeigenschaften des Leichtbetons über bauaufsichtliche Zulassungen verifiziert. Solche Leichtbetone inspirierten vor allem die Architekten, da sie die Planung und Ausführung einschichtiger, monolithischer Wandkonstruktionen machbar erscheinen ließen. Bedingung für deren Verwendung war, die Eigenschaften des Baustoffs entsprechend qualifiziert steuern zu können.
Herausforderung Sichtbetonqualität
Bei diesen Anwendungen wurde jedoch deutlich, dass die mit der monolithischen Ausführung einhergehenden Sichtbetonflächen dem herrschenden Gestaltungstrend möglichst glatter, makelloser Ansichtsflächen nicht entsprechen konnten, sondern typische Abweichungen zeigte, wie etwa eine erhöhte Porigkeit. Vor allem die Eigenart und die Andersartigkeit der entstehenden Sichtbetonflächen sehr leichter Betone sind gestalterisch zu beachten, da sie die national üblichen Anforderungen an Sichtbetonflächen, die mit glatten Schalhäuten hergestellt werden, mit sinkender Rohdichte immer weniger erfüllen können.
Das Aufkommen der beschichteten Sperrholzplatten in den Jahren nach 1960 zur wirtschaftlichen Bewältigung großflächiger Schalaufgaben ergab die damals neuen Grundmerkmale sehr glatter Betonflächen und brachte dem Sichtbeton einen deutlichen Imagegewinn. In den letzten zwei Dekaden des vergangenen Jahrhunderts war der glatte Sichtbeton mit Schalhautfugen und Ankerlöchern als maßgebende Flächenstrukturierung die Sichtbetonfläche der Wahl und ist bis heute Standard. Mit Blick auf die Ursprünge des Sichtbetons, als die Materialität des Baustoffs im Vordergrund stand und dessen authentische Merkmale eher hingenommen als aktiv gesteuert wurden, drängt sich die Frage auf, ob die Planung makelloser Flächen noch zeitgerecht und überhaupt in dieser Art fortzusetzen ist. Obwohl diese Gestaltungsvorliebe derzeit ungebrochen erscheint, ist in der Architektur ein abklingendes Interesse daran zu spüren; nach einer langen Phase nahezu »monokultureller« Oberflächengestaltung fehlen jedoch die unverbrauchten Alternativen. Das Bauen von monolithischen Wänden mit leichten Betonen, die eine starke materielle Authentizität zeigen, mobilisiert baustoffliche Synergien und kann eine Erneuerung der gestalterischen Auffassung bewirken. Dies ist an den Reaktionen auf die Veröffentlichungen zu den gebauten Beispielen in der Schweiz und in Deutschland deutlich erkennbar.
Mauerblöcke und vorgefertigte Elemente
Als Leichtbeton wird eine Palette sehr unterschiedlicher betonartiger Baustoffe bezeichnet. Dazu gehören Porenbetone und haufwerksporige Leichtbetone, die wegen ihrer sehr guten Wärmedämmeigenschaften bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit als Mauerblöcke und vorgefertigte Elemente genutzt werden.
Konstruktiver Leichtbeton
Von diesen beiden unterscheidet sich der konstruktive Leichtbeton, der im Bauwerk in seiner äußeren Erscheinung von einem Normalbeton kaum zu unterscheiden ist. Als konstruktive Leichtbetone werden Betone bezeichnet, deren Matrix Bewehrungsstähle in gleicher Weise dicht umhüllen und vor korrosiven Einflüssen schützen können wie dies bei Normalbeton der Fall ist. Sie werden auch als gefügedichte Leichtbetone bezeichnet und sind den üblichen Normalbetonen normativ gleichgestellt. Seit Einführung der aktuellen Regelwerke des Beton- und Stahlbetonbaus werden Normal- und Leichtbeton in den gleichen Normen geführt.
Konstruktiver Leichtbeton/Normalbeton
Im stofflichen und technologischen Detail treten zwischen Leicht- und Normalbeton zum Teil deutliche Unterschiede zutage. Normalbeton wird im Wesentlichen durch seine Festigkeit, seine Dauerhaftigkeit und bei entsprechenden Anforderungen durch seine Oberflächenqualität charakterisiert. Diese Kriterien gelten ebenfalls für konstruktiven Leichtbeton. Dieser zeichnet sich allerdings zusätzlich durch eine niedrigere Rohdichte aus. Sie verleiht dem Leichtbeton deutlich verbesserte Wärmedämmeigenschaften, die jedoch nicht ganz an die Möglichkeit des Porenbetons und des haufwerksporigen Leichtbetons heranreichen. Rein äußerlich unterscheidet sich konstruktiver Leichtbeton nicht von Normalbeton. Dies ist auch nicht verwunderlich, da für das Herstellen konstruktiver Leichtbetone im Wesentlichen nur ein Austausch der schweren normalen Gesteinskörnung (z. quarzitischer Kies) gegen leichte Gesteinskörnung, wie etwa Blähton, erfolgt. In den meisten Fällen beschränkt sich dieser Austausch zunächst nur auf die grobe Körnung.
Für die Sandfraktion wird weiterhin Natursand eingesetzt. Derartige Leichtbetone werden vornehmlich für Ingenieurbauwerke wie Brücken, für Deckenkonstruktionen, Innenwände im Wohnungsbau und für größere Fertigteilgaragen verwendet. In den genannten Einsatzbereichen steht die Gewichtsersparnis im Vordergrund. Durch den zusätzlichen Austausch des Natursands gegen Leichtsand kann die Betonrohdichte nochmals um etwa 200 kg/m3 reduziert werden. Entscheidender für den Einsatz dieser reinen Leichtbetone ist jedoch die deutlich verbesserte Wärmedämmung, da die leichte Gesteinskörnung ein schlechterer Wärmeleiter ist als normale Gesteinskörnung.
Eigenschaften konstruktiver Leichtbetone
Unter Ausnutzung der heute zur Verfügung stehenden betontechnologischen Möglichkeiten (moderne Fließmittel und Betonzusatzstoffe) können die reinen Leichtbetone weiter optimiert werden. Die Unterschiede in der Leistungsfähigkeit der drei Leichtbetone werden in puncto Festigkeit aus Abb. 6 ersichtlich. Die angegebenen Werte bilden in etwa die Grenze der technischen Möglichkeiten ab.
Abb. 7 und 8 machen den Zusammenhang zwischen der Betonrohdichte und der erreichbaren Wärmeleitfähigkeit deutlich. Die Darstellung veranschaulicht gut den Vorteil der niedrigeren Zulassungswerte, im Vergleich zu den Normwerten, der sich bei der Ausführung in dünneren Wänden niederschlägt. Für die Wahl des Leichtbetons sind beide Aspekte – Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit – wichtig. Der Zusammenhang ist vereinfachend über die Betonrohdichte gegeben.
Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit
Für die leichten und sehr leichten Betone ergeben sich aus der Kombination der statisch geforderten Festigkeit und der bauphysikalisch benötigten Wärmeleitfähigkeit drei Einsatz- und Synergiebereiche.
• Statisch höher beanspruchte Fassaden von Bürogebäuden mit vielen Öffnungen werden bevorzugt im Rohdichtebereich 1,3 bis 1,6 kg/m3 ausgeführt.
• Statisch weniger beanspruchte Fassaden, die entweder dickere Wände, weniger Geschosse oder weniger Öffnungen haben, sind eher im Rohdichtebereich 1,0 bis 1,3 kg/m3 zu finden.
• Die beste Wärmedämmung sehr leichter Betone wird zunehmend für exklusive Wohngebäude gewählt. Die Wände dieser Gebäude werden in Rohdichten bis zu 0,8 kg/m3 ausgeführt und nutzen damit den derzeit in Deutschland für konstruktiven Leichtbeton zulässigen Bereich vollständig aus. Bei den bauphysikalisch gebotenen Wandstärken reicht die erreichbare Festigkeit in der Regel aus, um die statische Tragfähigkeit üblicher Hochbauten ohne Probleme zu gewährleisten.
Dauerhaftigkeit versus Festigkeit?
Tragwerksplaner äußern mitunter Bedenken gegen niedrige Leichtbetonfestigkeitsklassen, weil sie aus dem Dauerhaftigkeitsschema des Normalbetons einen Zusammenhang zwischen der Festigkeit und der Dauerhaftigkeit gewohnt sind: Je höher die Druckfestigkeitsklasse eines Normalbetons, desto besser ist seine Widerstandsfähigkeit gegen korrosive Einwirkungen. Dieser kausale Zusammenhang besteht bei Leichtbetonen jedoch nicht. Zwar gelten für Normal- und Leichtbeton die gleichen Einflüsse auf die Dauerhaftigkeit, die Festigkeit des Leichtbetons wird jedoch entscheidender von der leichten Gesteinskörnung bestimmt. Daher können Leichtbetone geringer Festigkeitsklassen bei richtiger Zusammensetzung die Anforderungen der im Hochbau üblichen Expositionsklassen problemlos erfüllen.
Vorteile des einschichtigen Aufbaus
Die Entscheidung für eine massive Leichtbetonwand beruht zumeist auf dem Wunsch, mit Hilfe des frei gestaltbaren Werkstoffs Beton eine individuelle Architektur zu entwerfen und dabei die gestalterischen Möglichkeiten des Sichtbetons auszuschöpfen. Dieser Wunsch kann bei Verwendung eines Normalbetons wegen der wärmetechnischen Anforderungen nur mit einem mehrschichtigen Aufbau mit im Wandkern liegender Wärmedämmung umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu bietet Leichtbeton die Chance, Sichtbeton mit einem einschaligen, monolithischen Wandaufbau auszuführen. Diese Lösung bringt für den Planer einige wichtige Vorteile mit sich.
• Der homogene Wandaufbau verhindert das Ausfallen von Tauwasser im Querschnitt, wie es bei einem mehrschichtigen Wandaufbau möglich sein kann.
• Das Ausbilden gekrümmter Wände gestaltet sich einfacher als bei mehrschichtigen Wänden.
• Das Anschließen verglaster Fassadenelemente ist unproblematisch.
Sichtbeton mit Poren
Mit der Entscheidung für Leichtbeton sind auch Einschränkungen verbunden. So geht der Wunsch nach einer Sichtbetonoberfläche in der Regel mit der Vorstellung einer makellosen, nahezu porenfreien Oberfläche einher. Dieses Gestaltungsziel erfordert bereits bei Verwendung eines Normalbetons eine erhöhte baubetriebliche Sorgfalt und ist mit Leichtbeton noch schwieriger zu bewerkstelligen. Leichtbeton dämpft aufgrund seiner geringeren Rohdichte die beim Verdichten eingetragene Energie. Je geringer die Rohdichte ist, desto mehr Aufwand muss für das Verdichten des Betons betrieben werden. Bei Betonen mit sehr niedrigen Rohdichten sind porenarme Sichtbetonflächen auch bei erhöhtem Einbauaufwand kaum noch sicher zu erreichen; hier geht es daher in erster Linie um ein möglichst gleichmäßiges Erscheinungsbild der Oberfläche durch das Vermeiden größerer Lunker und Fehlstellen.
Praxisbeispiele
Ein Beispiel für den Einsatz von Leichtbeton zur Lösung statischer Problemstellungen sind die oberen und unteren Abschlusselemente der oberen Tribüne der Volkswagen Arena in Wolfsburg (Abb. Diese Elemente sitzen auf den Kragarmenden der stützenden Unterkonstruktion. Durch ihr geringeres Gewicht im Vergleich zu einer Ausführung in Normalbeton konnten die schwingfähigen Massen wirksam vermindert werden. Durch diese konstruktive Lösung gerät die obere Tribüne auch durch dynamische Publikumseinwirkungen bei Popkonzerten nicht spürbar ins Schwingen. Die strengen Anforderungen an die Sichtbetonqualität der Oberflächen und die T- und h-förmige Bauteilgeometrie konnten durch den Einsatz eines selbstverdichtenden Leichtbetons LC25/28 D1,6 sicher erfüllt werden.
Gerade im Bereich von Decken kann durch Leichtbeton das Konstruktionsgewicht vermindert und die Umsetzung des architektonischen Gedankens bewerkstelligt werden. Zwei Beispiele für den Einsatz von Leichtbetondecken finden sich in München. Bereits in den 1970er-Jahren wurden durch die Kombination eines Hängetragwerks mit Decken aus Leichtbeton im BMW-Hochhaus großzügige und sehr flexible Büroflächen geschaffen (Abb. 14, 15). Im neuen Berufsschulzentrum in der Riesstraße wurde ein Leichtbeton der Festigkeitsklasse LC50/55 D1,6 für die auskragenden Geschossdecken über den Eingangsbereichen gewählt und so eine nahezu stützenfreie Eingangssituation ermöglicht (Abb. Die vertikale Last wurde durch den Leichtbeton soweit vermindert, dass sie über die seitlichen Wandscheiben in den Baukörper eingeleitet werden kann.
Moderne Fassaden von Büro- und Geschäftsgebäuden zeichnen sich durch große Fensterflächen aus. Architektonisch wird häufig eine sichtbar bleibende Tragstruktur genutzt, um die Fassade zu gliedern. Wenn die Fassadenkonstruktion zudem in Sichtbeton ausgeführt werden soll, sind anspruchsvolle bauphysikalische Details zu lösen. Die Wand muss den wärmetechnischen Mindestanforderungen der DIN 4108 genügen. Dies ist mit Normalbeton nur mit einer innenliegenden Wärmedämmung möglich. Gleichzeitig entstehen lineare Wärmebrücken an den Anschlüssen der Fassadenelemente. Aus diesen Gründen wird für solche Fassaden wieder vermehrt konstruktiver Leichtbeton gewählt.
In der Festigkeitsklasse LC35/38 D1,4 werden sowohl die statischen Erfordernisse als auch mit einem U-Wert von weniger als 0,7 W/(m2K) die wärmetechnischen Forderungen erfüllt. Ein derartiges Konzept mit einem solchen Leichtbeton wurde bei zwei Gebäuden für den Investor Ardi Goldman in Frankfurt umgesetzt: Der Architekt Michael A. Landes wählte für einen Gebäudeteil der Union-Lofts eine regelmäßige, klar gegliederte Rahmenkonstruktion. Durch den Leichtbeton konnte für den Anschluss zwischen Innen- und Außenbauteilen auf eine thermische Trennung durch Isokörbe verzichtet werden. Dietz Joppien Architekten nutzten bei ihrem UFO Loft- und Gewerbehaus eine monolithische Leichtbetonfassade in Sichtbetonqualität.
Höhere Anforderungen an den Wärmeschutz bei gleichzeitig ausreichender Belastbarkeit waren die Anforderungen, die sich den Berliner Architekten Bumiller & Junkers beim Neubau des Land- und Amtsgerichts Frankfurt/Oder stellten (Abb. Eine mehrschichtige Vorhangfassade hätte die kompakte, monolithische Ästhetik nicht erreichen können. Da die Gestalt der Oberfläche eine entscheidende Rolle spielt, durfte die Wand keine Einschlüsse und Unebenheiten aufweisen. Gleichzeitig erfüllt das Bürogebäude mit seiner 60 bis 90 cm starken Fassadenkonstruktion aus Leichtbeton eine weitere Anforderung nach flexiblen Raumgrößen. Die Fassade musste nach den Vorstellungen des Architekten zahlreiche Anschlusspunkte für die Trennwände bieten. Der eingesetzte Leichtbeton der Festigkeitsklasse LC12/13 D1,2 wies eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,45 W/(mK) auf und erfüllte die Vorstellungen des Architekten letztlich auch im Hinblick auf die Qualität der Sichtbetonoberflächen.
Einen gleichartigen Leichtbeton hatte davor schon Peter Böhm für das Jugendzentrum »Anna Landsberger« in Berlin-Marzahn gewählt, um sich von den umgebenden Plattenbauten mit dem skulpturalen Charakter seines Entwurfs und der Struktur der scheinbar freistehenden geraden und gekrümmten Wandscheiben deutlich abzuheben. Insbesondere die gekrümmten Wände ließen sich mit dem monolithischen Leichtbeton in Sichtbetonqualität besser umsetzen als Alternativkonstruktionen in Normalbeton oder Fertigteilen. Ein weiterer Vorteil war die vereinfachte konstruktive Durchbildung der Anschlüsse der Fassadenelemente.
Den letzten konsequenten Schritt beim Einsatz von Leichtbeton stellen einige Wohngebäude aus jüngster Zeit dar. Der Leichtbeton wird dabei als tragender Dämmstoff in Sichtbetonqualität genutzt. Dies wurde durch die Entwicklung spezieller, sehr leichter Wärmedämmbetone erreicht, die in der Festigkeitsklasse LC8/9 D1,0 mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,36 W/(mK) aufwarten. Die derzeit bekanntesten Objekte sind die Wohngebäude von Patrick Gartmann oberhalb von Chur in der Schweiz (Abb. 4, 17, 18), das von Trager ap88 Architektenschaft für sich selbst entworfene Haus (Abb. 19) und das in Bau befindliche Wohnhaus Schlaich in Berlin. Diese Häuser belegen eindrucksvoll die innovativen Möglichkeiten, die sich mit dem Einsatz von konstruktivem Leichtbeton eröffnen.
