Blechlamellenstützen aus hochfestem Stahl für den Hochbau

  • AiF-FOSTA-Projekt: IGF-Nummer 21366 N1, FOSTA P  1500
  • Projektdauer: 2020-2023
  • Projektpartner: Technische Universität Braunschweig, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Fachgebiet Brandschutz und Industriepartner

Das Forschungsvorhaben behandelt die Entwicklung neuartiger Verbundstützen Querschnitte mit Blechlamellen (Bild 1). Lamellenpakete werden in einem Stahlrohr eingesetzt und mit einem hochfesten Quellmörtel verpresst. Durch den Einsatz von ultrahochfesten Werkstoffen für die Lamellen (Streckgrenze mit bis zu 1.100 N/mm²) sowie das Rohrprofil (Streckgrenze bis zu 890 N/mm²) können schlanke und gleichzeitig extrem tragfähige Stützen konstruiert werden.

Der Einsatz von Blechlamellen gegenüber Vollprofilen ist aus zweierlei Gründen sinnvoll: Durch die Verwendung von Blechen mit einer maximalen Stärke von 40 mm werden dickenabhängige Streckgrenzenreduktionen aus Eigenspannungen vermieden. Die Höhe der Eigenspannungen nimmt mit zunehmender Dicke prozessbedingt zu und führt zu einem früheren Erreichen der Streckgrenze. Desweiteren kann durch die Unterbrechung der Wärmeleitung zwischen den Stahllamellen ein günstigeres Erwärmungsverhalten im Brandfall erzielt werden. (Bild 4)

Die Bleche werden gezielt punktuell verbunden, um die nötige Biegesteifigkeit nach Bedarf einzustellen. Dafür werden verschiedene Mechanismen untersucht: vorgespannte Verschraubungen, abschnittweise Verschweißen und Verschweißen über die ganze Länge. Die Wahl von verschiedenen Schubverbindungsmitteln soll eine möglichst zielgerichtete Einstellung ermöglichen, möglichst ohne zusätzliche Eigenspannungen oder Störungen im hochfesten Stahl zu verursachen.

Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass durch die Verwendung hochfester Stähle und neuartiger Konstruktionsformen extrem tragfähige Verbundstützen entwickelt werden können. Mithilfe gezielter Schubmittelverbindungen ist eine effiziente und zielgerichetete Bauweise möglich.

Stabbündelstützen mit hochfestem Bewehrungsstahl

  • AiF-FOSTA-Projekt: IGF-Nummer 20352 N, FOSTA P  1349
  • Projektdauer: 2019-2021
  • Projektpartner: Technische Universität Braunschweig, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Fachgebiet Brandschutz und Industriepartner

 

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von brandsicheren, hochtragfähigen und gleichzeitig schlanken Verbundstützen von in ein mit Mörtel verpresstes Stahlrohr eingestellten Stabbündel aus hochfestem Bewehrungsstahl (Bild 1).

Diese Verbundstützen lassen sich mit Hilfe von in ein mit Mörtel verpresstes Stahlrohr eingestellte Stabbündel aus Bewehrungsstahl mit einer Streckgrenze von 670 N/mm2 herstellen. Diese Stähle sind bis zu einem Durchmesser von 75 mm auf dem Markt verfügbar. Eine dickenabhängige Streckgrenzenreduktion ist hier nicht erforderlich, so dass die hohen Streckgrenzen voll ausgenutzt werden können. Durch Bündelung von Stäben sind zudem hohe Füllgrade der Querschnitte möglich (Bild 2), so dass Tragfähigkeiten erreicht werden, wie sie sonst nur mit wesentlich größeren Querschnittsabmessungen möglich sind.

Im Vergleich zu Verbundstützen mit Vollquerschnitten weisen Stabbündelstützen zudem ein günstigeres Erwärmungsverhalten auf, da die einzelnen Stäbe nur punktuell direkt miteinander Kontakt haben und daher die Wärmeleitung zwischen den Stäben begrenzt wird (Bild 3). Wird das Zusammenwirken der Stäbe bei Raumtemperatur, aber auch im Brandfall sichergestellt, ist bei diesen Stützen ein wesentlich besseres Tragverhalten als bei herkömmlichen Verbundstützen mit Vollstahlkern zu erwarten.

Personen

Rudolf Röß

Nachhaltige Büro- und Verwaltungsgebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise

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  • AiF-Zutech-Projekt P881
  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: Technische Universität Dresden, Institut für Stahl- und Holzbau; RWTH Aachen Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau, Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Entwerfen und Baugestaltung, Institut für Technologie und Arbeit e.V., Kaiserslautern, Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Unternehmensrechnung und Controlling

Im Rahmen des AIF-Zutech-Projektes P881 Nachhaltige Büro- und Verwaltungsgebäude in Stahl und Stahlverbundbauweise werden von einem interdisziplinären Forschungsteam Planungshilfsmittel und Methoden für den Entwurf und die Bewertung dieser Gebäude entwickelt. Neben ökologischen und ökonomischen werden auch architektonische, soziokulturelle und soziotechnologische Kriterien berücksichtigt. Der Nutzen der Flexibilität und deren Bewertung bilden einen besonderen Schwerpunkt, da sich hieraus wesentliche Konsequenzen für die Baukonstruktionen und die spätere Vermarktungsfähigkeit der Gebäude ergeben. Ausgehend von den verschiedenen Nutzungsformen, Entwicklungen und Trends der strukturellen Organisation von Bürogebäuden werden soziotechnologische und soziokulturelle Anforderungen formuliert. Es werden Strategien zur lebenszyklusorientierten ökonomischen Bewertung unter Einbeziehung der Wertschöpfungsrechnung erarbeitet. Zu den baukonstruktiven Themenfeldern gehört die Entwicklung nachhaltiger Tragstrukturen in Stahl- und Stahlverbundbauweise. Der Lehrstuhl für Metallbau der TUM leitet das Projekt und entwickelt eine intuitive CAD-gestützte Software zur ökologischen Optimierung der stählernen Tragstruktur von Bürogebäuden mit Hilfe genetischer Algorithmen, die bereits in der frühen Entwurfsphase die richtigen Weichenstellungen hinsichtlich eines besonders ökologischen Bauwerksentwurfs ermöglicht.

Entwicklung dünnwandiger, flächenhafter Konstruktionselemente aus UHPC und geeigneter Verbindungstechniken zum Einsatz im Hoch- und Industriebau

  • Zukunft-Bau-Projekt: SF-10.08.18.7-11.14
  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner:  SSF Ingenieure AG, München; Max BöglGmbH & Co KG, Neumarkt; Hetschke BauGmbH, Bautzen; Lehrstuhl für Massivbau,TU München und Zukunft Bau des Bundesinstitutesfür Bau-, Stadt- und Raumforschung

Große Spannweiten, hohe Tragfähigkeiten sowie verbesserte Robustheits- und Dauerhaftigkeitseigenschaften können insbesondere durch den Einsatz innovativerWerkstoffe wie Hochleistungsbetone (UHPC) mit Druckfestigkeiten von mehr als 150 N / mm² erreicht werden. Forderungen nach material- und ressourcenschonenden Konstruktionen im Sinne nachhaltiger Bauweisen durch Reduktion von Querschnittsabmessungenwerden durch die Verwendung derartiger Hochleistungsbetone ebenfalls erfüllt. Zielsetzung des Forschungsprojekts unter der Leitung des Lehrstuhls für Massivbau der TUM war die Entwicklung tragender Wandelemente aus UHPC mit reduzierten Wanddickenvon etwa 3 – 6 cm. Um den Einsatz in der Praxis zu ermöglichen war vor allem die Entwicklung werkstoffgerechter und auf die filigranen Abmessungen abgestimmter Verbindungsmittel erforderlich. Aber auch die Untersuchung des Stabilitätsverhaltens (Plattenbeulen,Knicken) von solch dünnen Wandelementen ist erforderlich um eine wirtschaftliche Anwendungzu ermöglichen. Ein Einsatz der großformatigen UHPC-Wandscheiben bietet sich insbesondere als Fertigteil im Hoch- und Industriebau an.

TopFLOOR INTEGRAL – Entwicklung eines nachhaltigen Verbunddeckensystems

  • Projektzeitraum: ab 2008
  • Projektpartner: H. Wetter AG, 5608 Stetten AG, Schweiz und ETH Zürich

Nachhaltiges Bauen braucht innovative Bauweisen wie das ressourcenschonende innovative Deckensystem TopFLOOR INTEGRAL. Gemeinsam mit der ETH Zürich und der Schweizer Stahlbaufirma H. Wetter AG, Stetten, wurde ein nachhaltiges multifunktionales Deckensystem in Verbundbauweise entwickelt, bei dem die Installationsebene bzw. der Doppelboden in die statische Konstruktionshöhe integriert ist. Das System besteht aus halben Wabenträgern, die mit Hilfe von konventionellen Bewehrungsstäben schubfest mit einer Betonplatte verbunden sind und so eine Pi-Platte bilden, die große Spannweiten und stützenfreie Konstruktionen erlaubt. Dabei können die Platten je nach Anforderung in Positivlage oder auch in Negativlage eingesetzt werden. Für das System und die notwendigen Anschlussdetails wurden Bemessungskonzepte entwickelt und versuchstechnisch überprüft. Am Lehrstuhl für Baumechanik der TUM wurden intensive Untersuchungen zum Schwingungsverhalten der Konstruktion durchgeführt. Die Bauweise reduziert den Materialverbrauch gegenüber herkömmlichen Betonkonstruktionen um ca.50 %. TopFLOOR INTEGRAL hat sich mittlerweile bei mehreren Bauwerken in der Schweiz hervorragend bewährt und erlaubt kürzeste Bauzeiten. So wurde der Rohbau inklusive der Fassade des achtstöckigen Schulgebäudes Lindenplatz in Baden (CH) in weniger als 10 Wochen über einem Eisenbahntunnel errichtet.

Gelenkige Sekundärträgeranschlüsse mit langen Fahnenblechen im Verbundbau

  • DASt-AiF-Projekt (AiF 15609 N)
  • Projektzeitraum: 2007-2009
  • Projektpartner: Zusammenarbeit mit dem Deutschen Ausschuß für Stahlbau und verschiedenen Industriepartnern

Gelenkige Sekundärträgeranschlüsse sind die im Stahl-Verbundbau am häufigsten auftretenden und gleichzeitig am wenigsten erforschten Anschlussarten. Im Stahl- und Verbundbau erfolgt der Anschluss von Nebenträgern an die Hauptträger dabei häufig mit langen Fahnenblechen, da diese einfach und kostengünstig herzustellen sind. In der Vergangenheit wurden Fahnenblechanschlüsse als ideal gelenkig betrachtet, obwohl bei Nebenträgern über zwei oder mehr Felder eine unplanmäßige Durchlaufwirkung entsteht. Wegen der Kontinuität der Betongurte der Nebenträger über die Hauptträger hinweg stellt sich die Frage nach der Durchlaufwirkung insbesondere bei Verbundträgern. Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten mit Hilfe von Großversuchen und begleitenden numerischenSimulationen grundlegende Erkenntnisse zum tatsächlichen Tragverhalten solcher Sekundärträgeranschlüsse gewonnen werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde für die praktische Anwendung ein Bemessungsmodell entwickelt. Wesentlicher Bestandteil des Modells ist eine individuell für den jeweiligen Anschluss hergeleitete plastische Momenten-Querkraft-Interaktionsbeziehung, mit deren Hilfe die Momententragfähigkeitdes Anschlusses in Abhängigkeit von der einwirkenden Querkraft schnell und einfach bestimmt werden kann. Die Berücksichtigung der Momententragfähigkeit der Anschlüsse ermöglicht eine wirtschaftlichere Bemessung der Sekundärträger als bei gelenkiger Betrachtungder Anschlüsse.

Der Forschungsbericht kann über den Deutschen Ausschuß für Stahlbau (DASt) bezogen werden.

Personen

Dr.-Ing. Karl Schwindl