Forschung am NEST

Inspirationsquelle für Baufachleute

Im Forschungs- und Innovationsgebäude NEST der Empa und der Eawag in Dübendorf testen Forscherinnen und Bauexperten neue Techniken. Das NEST spielt vorne mit, wenn es um innovative und nachhaltige Anwendungen von Beton geht. Die neuen Ideen werden hier in realer Umgebung getestet und dem Markt rasch zugänglich gemacht.

«Ohne Beton wird es nicht gehen», ist Reto Largo überzeugt. Für den NEST-Geschäftsführer und Innovation Manager ist Beton einer der wichtigsten Baustoffe und ein sehr leistungsfähiges Material. Die grosse Chance sieht Largo in der Weiterentwicklung von Beton – vor allem in Bezug auf Nachhaltigkeit: «Sicher, einen Teil des Betons können wir mittelfristig mit nachhaltigeren Ressourcen ersetzen. Trotzdem bleibt die Nachfrage riesig. Das Ziel muss sein, den Beton mit verschiedenen Massnahmen effizienter zu machen.» Im NEST wird genau dafür geforscht und entwickelt.

Gewagte Formen: Das modulare Empa-Forschungsgebäude NEST in Dübendorf.

Hightech-Wendeltreppe aus Betonelementen

Bei einem der Projekte in der STEP2-Unit des NEST kommt vom Entwurf bis zur Produktion ein komplett digitales Verfahren zum Einsatz. Für die Herstellung einer Betontreppe verwenden die Partner aus Forschung und Industrie ultrahochfesten faserverstärkten Beton und giessen diesen in von 3D-Druckern vorgefertigte Schalungen. Dadurch werden individuelle, sehr dünne und komplexe Formen möglich, die mit normalem Stahlbeton nicht realisiert werden könnten. Die einzelnen Treppenstufen werden auf der Baustelle auf einem hochmodernen Vorspannsystem befestigt. Diese Methode ermöglicht es, massgeschneiderte Betontreppen herzustellen – ohne Risiko, dabei viel Aufwand und Abfall zu produzieren.

«Unser Ziel ist es, den Beton mit verschiedenen Massnahmen in den nächsten 10 bis 15 Jahren CO2-neutral zu machen.»

Reto Largo, Innovation Manager und Geschäftsführer NEST

Beton effizienter machen

Das NEST hilft auch mit, Forschungsergebnisse aus Universitäten auf den Boden zu bringen. Zum Beispiel erprobten Forschende der ETH im NEST einen Betonboden, der 60 Prozent weniger Beton und 90 Prozent weniger Stahl braucht. Der internationale Schweizer Baustoffkonzern Holcim will diese Technologie nun zusammen mit der ETH Zürich marktfähig machen. Für Reto Largo ist dies ein Paradebeispiel für die Arbeit im NEST: «Wir wollen, dass Forschung und Wirtschaft am gleichen Strick ziehen. Im NEST bringen wir die einzelnen Player zusammen und sorgen dafür, dass sie in einer anregenden Atmosphäre mit wenig Risiko Ideen entwickeln, erstmals einsetzen und in der realen Welt schnell umsetzen können.» 

Inspirationsquelle für Baufachleute

Das NEST will nicht abgehoben sein und sucht gezielt den Kontakt mit der Öffentlichkeit, mit Handwerkern und Baufachleuten. Die Menschen hinter Bauprojekten haben generell keinen grossen Risikohunger. Im NEST können verrückte Ideen ohne grosses Risiko in einer reellen Umgebung ausprobiert und dann fit für den Markt gemacht werden. Wenn etwas funktioniert, profitieren alle. «Wir sehen uns als Inspirationsquelle für Bauprofis und laden diese zu uns ein. Vor Corona hatten wir über 1000 Besucherinnen und Besucher bei uns zu Gast – pro Monat. Leute in der Baubranche wollen Materialien berühren. Sie möchten mit eigenen Augen sehen, ob etwas funktioniert und ob es gut ausschaut», erklärt Reto Largo und sagt stolz: «Die meisten Gäste verlassen das NEST mit einem Lächeln im Gesicht.»

Einer Wirbelsäule nachempfunden. Die Wendeltreppe der Step2-Unit. Quelle: Digital Building Technologies – ETH Zürich

Beton im Weltall

Völlig losgelöst

Beton ist weltweit der wichtigste Baustoff. Bereits kleine Verbesserungen bei seiner Herstellung haben enorme Auswirkungen. Das auf Forschungen im All spezialisierte Kompetenzzentrum BIOTESC der Hochschule Luzern hat Experimente mit Beton durchgeführt. Die Erkenntnisse sollen die Betonherstellung auf der Erde verbessern – und aufzeigen, ob Betonieren auf dem Mond möglich ist.

«Der Astronaut mit dem passenden Namen Matthias Maurer mischte für uns acht Stunden lang Beton im Orbit. Wir schauten ihm live dabei zu.»

Dr. Bernd Rattenbacher, Manager BIOTESC

Das Kompetenzzentrum BIOTESC in Hergiswil am Vierwaldstättersee gehört zur Hochschule Luzern und unterstützt Experimente auf der internationalen Raumstation ISS. Das BIOTESC-Team war massgeblich beteiligt an den aktuellen Raumschiff-Experimenten, in der Vorbereitung und Durchführung: «Der Astronaut mit dem passenden Namen Matthias Maurer mischte für uns acht Stunden lang Beton im Orbit. Wir schauten ihm live dabei zu. Ein Highlight», schwärmt Bernd Rattenbacher, Forschungsgruppenleiter bei BIOTESC.

Astronaut Matthias Maurer macht Betonexperimente im Weltall. Copyright: ESA/NASA

«Vielleicht finden wir heraus, wie Beton mit weniger Zement hergestellt werden könnte.»

Dr. Bernd Rattenbacher, Manager BIOTESC

Beton ohne Schwerkraft mischen

Im Unterschied zur Erde fallen grössere Bestandteile in der Schwerelosigkeit nicht nach unten und es gibt auch keine aufsteigenden Luftblasen. «Durch diese Experimente können wir beobachten, wie sich Sand und Zement unter ganz anderen Umständen verhalten und können besser verstehen, wie sich Beton erhärtet», erklärt Bernd Rattenbacher und ergänzt: «Vielleicht finden wir so heraus, wie Beton mit weniger Zement hergestellt werden könnte.» Bereits kleine Verbesserungen bei der Betonherstellen hätten grosse Auswirkungen auf die Umwelt.

Langes Warten auf Ergebnisse

Die Betonproben kommen mit dem nächsten Flug von der ISS im Juli 2022 zurück auf die Erde und werden dann an den Partneruniversitäten zu Köln und Duisburg Essen ausgewertet. Bernd Rattenbacher ist gespannt: «Wir hoffen auf gute Resultate. Bereits bei der Vorbereitung und Durchführung des Experiments haben wir enorm viel über Beton gelernt.»

In einem der Versuche wurde auch mit künstlichem Mondstaub experimentiert. 2024 will die NASA auf dem Mond landen. Das erste, was es da braucht, ist eine Landeplattform. Gut möglich also, dass diese aus Beton gebaut wird.

64 solche Mini-Betonmischer werden in der Schwerelosigkeit getestet. Copyright: ESA/NASA
Robotik für mehr Komplexität

XXL-Treppenelemente just in time

1’2 Milliarden Investitionsvolumen, entworfen von Herzog & de Meuron, rund 1’800 Büro- und Laborarbeitsplätze: das neue Forschungs- und Entwicklungszentrum pRed von F. Hoffmann-La Roche in Basel wird eines der wegweisenden Bauwerke der Schweiz. Das mit bau-architektonischen Finessen und Herausforderungen aufwartet. Die Aussentreppen bestehen aus Betonelementen. Hergestellt mit einem 6-Achs-Roboter.

Die Abteilungen des Forschungszentrums sind offen miteinander verbunden – durch gewundene Treppen in Extragrösse. Ein architektonisches Bonbon, das sich in konventioneller Bauweise kaum realisieren lässt. Betonelemente erweitern die Grenzen des Möglichen. Ganz besonders, wenn der Modellit-6-Achs-Roboter der Filigran Betonelement AG eingesetzt wird. «Für den Roboter – einer von nur drei weltweit – ist das eine fast schon typische Aufgabe», erzählt Firmeninhaber, Geschäftsleiter und Robotik-Ambassadeur Markus Hirschi.

«Bei aller Robotik macht der menschliche Faktor den Unterschied.»

Markus Hirschi, Robotik-Ambassadeur,
Inhaber Filigran Bauelemente AG

Der Roboter funktioniert wie ein umgekehrter 3D-Drucker; aus einem Rohling wird eine dreidimensionale Form gefräst. Das macht er auf Basis von Roboterdaten, die mit einer eigenen Software programmiert werden. Die Vorarbeiten im Projektfall:  hausinternes Engineering und Bearbeitung der Architektenpläne in 3D. Die Schalungen selbst waren äusserst komplex – mit bis zu vier verschiedenen Radien. Und wurden dennoch in Rekordzeit hergestellt. «Es geht komplexer, innovativer, schneller – insgesamt wirtschaftlicher. Das sind wesentliche Vorteile der Roboter-gestützten Produktion von Betonelementen. Die unverändert notwendigen Vorarbeiten sind dabei von entscheidender Bedeutung. Bei aller Robotik macht der menschliche Faktor den Unterschied.»

Insgesamt wurden in Basel 22 Gross-Elemente milimetergenau und montagefertig just-in-time produziert und direkt ab LKW eingebaut. Ob von Roboterarm oder Menschenhand geschaffen: die vielen Vorteile von Betonvorfabrikaten – Geschwindigkeit, Präzision, Flexibilität, Wirtschaftlichkeit – kommen immer zum Tragen.

Komplexer, innovativer, schneller – insgesamt wirtschaftlicher. Der Filigran-Roboter im Einsatz.

Video

Im Interview mit dem Online-Portal BERN-OST stellt Inhaber und Geschäftsleiter Markus Hirschi den Roboter Modellit en détail vor.
Robotik

Echte Armarbeit

Die besten Köpfe und Hände brauchen irgendwann einen starken (Roboter)-Arm zur Unterstützung. Besonders dann, wenn die individiuellen Anforderungen an Betonelemente steigen, und die Wirtschaftlichkeit gewahrt bleiben soll. Der 6-Achs-Roboter Modellit der Filigran AG hebt die Gestaltungsmöglichkeiten von Betonelementen auf eine neue Stufe. Beton 4.0 eben. Im Video stellt CEO Markus Hirschi den Roboter vor.

3D-Druck

Zum richtigen Zeitpunkt maximal individuell

Flüssiger Beton wird gedruckt und ausgehärtet – in kurzer Zeit und ohne Schalungen. Möglich macht das ein neuartiges Verfahren. Für die Swisscom wurde damit ein individueller Schacht gedruckt. Innert 45 Minuten.

Grundlage des Verfahrens –  eine Eigenentwicklung von Creabeton Matériaux – ist ein speziell entwickelter Beton. Herzstück ist eine 3D-Druck-Anlage mit Roboter-Unterstützung. Das Verfahren reduziert die Produktionszeit deutlich. Die Betonelemente können schon nach 24 Stunden verbaut werden. Das eröffnet neue Einsatzfelder – Beton 4.0.

Wie auch in Blumenstein BE. Dort wurden Werkleitungen für Wasser, Abwasser und Fernwärme sowie das Swisscom-Netz erneuert und erweitert. Für den Telko-Marktführer wurde ein individueller Schacht produziert. Die Druckdaten wurden nach den Plänen des Bauherrns aufbereitet, der Schacht selbst wurde in nur 45 Minuten massgeschneidert 3D-gedruckt.

In Zukunft werden immer weitere Aktionsfelder mit dem neuen Verfahren sinnvoll und effizient bedient werden. Formenfreiheit und Zeitgewinn machen es für Einzelanfertigungen besonders attraktiv.

David Maier, Projektverantwortlicher Creabeton Matériaux
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Produziert wurde «just in time». Nach Druck und Aushärtung wurde der Schacht keine 24 Stunden später ausgeliefert und direkt in die Baugrube versetzt. Wie bei Betonvorfabrikaten generell sind die Vorteile des 3D-Beton-Drucks umso mehr Zeitersparnis, Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit, auf individuelle Kundenbedürfnisse eingehen zu können. Das alles mit lokalen, heimischen Rohstoffen. Die Umwelt dankt’s, wird die sog. graue Energie doch gering gehalten.

«In Zukunft werden immer weitere Aktionsfelder mit dem neuen Verfahren sinnvoll und effizient bedient werden. Formenfreiheit und Zeitgewinn machen es für Einzelanfertigungen besonders attraktiv», ist David Maier, Projektverantwortlicher Creabeton Matériaux, von der Zukunftsfähigkeit des neuen Verfahrens überzeugt.

Bordsteine

Barrierefrei, normgerecht, individuell

In öffentliche Busse soll man barrierefrei einsteigen können. Das gebietet nicht nur der gute Anstand, sondern auch das Bundesgesetz über die Beseitigung von Benachteiligungen von Menschen mit Behinderungen (BehiG). Betonelemente ermöglichen die normgerechte Realisierung.

Bis 2023 müssen Einrichtungen des öffentlichen Verkehrs behindertengerecht gestaltet sein. Mit individuell produzierten Betonelementen werden die präzisen Normen eingehalten.

Jeder Millimeter zählt: um Personen mit eingeschränkter Mobilität das Ein- und Aussteigen in Verkehrsmittel möglichst einfach zu machen, muss der Abstand zwischen Bordstein und Bus an der Haltestelle so klein wie möglich sein. Dafür hat Creabeton Matériaux eigene Betonelemente entwickelt. Die CREACCESS®-Bordsteine gewährleisten eine Bordsteinhöhe von 22 Zentimetern, womit die gesetzliche Norm SN 640 075 «Hindernisfreier Verkehrsraum» erfüllt ist. Ganzjährig sicher sind sie ohnedies. Dafür sorgen die rutschfeste Oberfläche und der hohe Frost-Tausalz-Widerstand.

CREACCESS® umfasst verschiedene Elemente, die mit Randsteinen aus verschiedenen Kantonen kompatibel und nach den Kriterien von TERRASUISSE aus einheimischen Rohstoffen hergestellt sind. Auch Verkehrsbetriebe dürfen sich freuen. Die Elemente sind so geformt, dass die Busräder an ihnen entlang zur Bushaltestelle geführt werden. Dadurch sinkt das Risiko, dass der Bus bei der Anfahrt beschädigt wird. Betonelemente als Bordsteine – barrierefrei, normgerecht, individuell. Oder: win, win, win.

Video

Bilder

Sitzelemente

Spannend harmonisch

Erholung in der Natur mit Ausblick auf den Flughafen Zürich – ein Spiel mit Gegensätzen. Der Park des neuen Quartiers «The Circle» lädt dazu ein. Mittendrin: Sitzelemente aus Beton.

Der Park wurde von Studio Vulkan Landschaftsarchitektur geplant; die Sitzelemente aus Beton stammen von der Tschümperlin AG. Jedes in eigener Freiform, von der Designgemeinschaft Inchfurniture/Luis Bischoff für die endgültigen Standorte konzipiert. Mockups aus Pavatex bildeten die Grundlage für die Realisierung.

Jeder Standort wurde exakt bestimmt und reagiert unmittelbar und direkt auf die freien Formen.

Thomas Wüthrich, Mitinhaber Designgemeinschaft Inchfurniture/Luis Bischoff

Den Beton-Sitzelementen begegnet man an fünf Standorten im Park. Sie alle haben einen Zweck: den Besucher zum Innehalten einzuladen, dem hektischen Arbeitsalltag mit einem Moment der Ruhe begegnen und die eindrücklichen Ausblicke auf den Flughafen und – bei gutem Wetter – die Berge zu geniessen.

«Jeder Standort wurde exakt bestimmt und reagiert unmittelbar und direkt auf die freien Formen, beispielsweise mit Hügeln oder dem Teichufer», erklärt Thomas Wüthrich von der Designgemeinschaft Inchfurniture/Luis Bischoff. Jedes der ungefähr drei Tonnen schweren Beton-Spezialelemente ist komplett individuell gefertigt, mit eigener Form und Farbe. Allen gemein: organische Formen mit erdigen Farben in Harmonie mit dem Landschaftsbild. Es wirkt, als wären die spektakulären Sitzelemente schon immer da gewesen. Und dank Beton als Werkstoff werden sie das auch lange sein.

Tschümperlin AG, Sitzelemente The Circle Park Flughafen Zürich Kloten, Betonelemente, Betonvorfabrikate, Beton
Tschümperlin AG, Sitzelemente The Circle Park Flughafen Zürich Kloten, Betonelemente, Betonvorfabrikate, Beton
Neuer Liftschachtkonfigurator

So einfach wie Liftfahren

Das Planen und Offerieren von Liftschachtelementen nimmt viel Zeit und Ressourcen in Anspruch. Der neue Liftschachtkonfigurator der MÜLLER-STEINAG ELEMENT AG beschleunigt diesen Prozess deutlich: von einem Arbeitstag auf 5 Minuten.

Arbeitserleichterung, Zeitersparnis und Unabhängigkeit für Planer und Ausführende, das ist der Grundgedanke hinter dem neuen Online-Konfigurator der MÜLLER-STEINAG AG. Vom gewünschten Grundriss gelangt man in wenigen Schritten bis zur fertigen Offert-Anfrage bzw. dem Download des Ausschreibungstextes. Die Eingaben des Benutzers werden visuell in Echtzeit reflektiert. Das System hilft Fehler zu vermeiden, indem es bei Falscheingaben Rückmeldungen gibt. Etwa, wenn Längen- oder Breitenmasse nicht umsetzbar sind. Cyrill Kunz, Geschäftsführer der MÜLLER-STEINAG ELEMENT AG: «So einfach und mühelos wie Liftfahren erleichtert der Liftschachtkonfigurator den Arbeitstag und sorgt erst noch für Zeitersparnis.»

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Der Liftschachtkonfigurator der MÜLLER-STEINAG ELEMENT AG.
Handgefertige Schmuckstücke

Raffiniert und zuverlässig

Der Gewerbebau St. Jakob Zürich ist ein echter Hingucker – vor allem auf der Seite Heinrichstrasse. Auf den ersten Blick nicht als Jakobsmuscheln erkennbar, ziehen die vermeintlichen Hügel die Aufmerksamkeit auf sich.

Auf den ersten Blick nicht als Jakobsmuscheln erkennbar, ziehen die vermeintlichen Hügel die Aufmerksamkeit auf sich. Dahinter steckt eine raffinierte technische Lösung: Die filigranen Schmuckstücke aus einer Kombination von glasfaser- und stahlarmiertem Beton wurden nicht etwa aufmontiert, sondern zusammen mit den Wandelementen produziert. Für die Betonfertigelemente kam eine besondere Schalung aus verschiedenen Materialien zum Einsatz. Das Gewerbehaus St. Jakob zeigt eindrücklich, wie vielfältig die Möglichkeiten mit vorfabrizierten Betonelementen sind und wie zuverlässig auch nicht-alltägliche Ideen umgesetzt werden können.

Brücken schlagen im Entlebuch

Neue Wege beschreiten

Eine unscheinbare Brücke? Von wegen. Das Betonbauwerk auf der Strasse zwischen Marbach und Escholzmatt steht sinnbildlich für die zuverlässige und unkomplizierte Zusammenarbeit und die konsequente Lösungsorientierung bei allfälligen Herausforderungen.

Die viel befahrene Strasse musste im Winter saniert werden – schnellstmöglich, um Staus zu verhindern. Um künftige Überschwemmungen zu vermeiden, fiel der Entscheid auf einen grösseren Bachdurchfluss. Dafür musste die Strasse aufgerissen, die alten Pfeiler entfernt und das neue Fundament betoniert werden. Herkömmliche Rohre waren zu klein, weshalb schnell eine Alternative gefunden werden musste. Und die gab es: eine 55-Tonnen-Spezialanfertigung des Bachdurchlaufs als Betonfertigelemente – just in time, dank effizienter Zusammenarbeit.

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