Die Weiterentwicklung des StahlbausStahlverbundbau für schlanke und leichte Decken
Während der Industrialisierung erlebte der Stahlbau seine Blütezeit. So entstanden Mitte des 19. Jahrhunderts die ersten Eisenbahnbrücken und stahlgetragenen Industriehallen. Mit dem Baustoff Stahl konnten Konstruktionen errichtet werden, an die bis dahin nicht zu denken war. Bei der Kombination von Stahl und Stahlbeton – dem Stahlverbundbau – lassen sich diese noch bei Weitem überschreiten. Hier werden beide Baustoffe so miteinander verbunden, dass eine gemeinsame Tragwirkung erzielt wird.
Dabei bringt die Stahlverbundbauweise eine Reihe von Vorteilen mit sich. Beispielsweise bietet sie die Möglichkeit, schlanke Konstruktionen oder enorme Spannweiten zu realisieren. Dank des hohen Vorfertigungsgrades macht sie den Bauablauf relativ witterungsunabhängig. In den angelsächsischen Ländern und in Skandinavien gehört der Stahlverbundbau schon in vielen Bereichen zur Standardbauweise. Und auch in Deutschland erfährt er eine stetig wachsende Akzeptanz. So ist es nicht verwunderlich, dass hierzulande immer mehr Bauelemente verwendet werden, deren Einsatz sich in Skandinavien bewährt hat. Ein Beispiel hierfür ist der Deltabeam des finnischen Unternehmens Peikko. Dieser Verbundträger wurde im The Squaire, einem Büro- und Geschäftsgebäude über dem Fernbahnhof am Frankfurter Flughafen, eingesetzt.
The Squaire
Bei der Planung für das The Squaire war
entscheidend, dass der Neubau oberhalb
des bereits bestehenden Frankfurter AirRail-
Terminals errichtet werden sollte. Das brachte mit sich, dass die Lasten des neuen Objektes über die Stützen des Bestandsgebäudes abgeleitet werden mussten.
Infolgedessen suchten die Verantwortlichen nach Baustoffen, die ein geringes
Eigengewicht und gleichzeitig eine hohe Tragfähigkeit mit sich bringen. Dabei stießen sie auf den Verbundträger Deltabeam. Er ist in Deutschland unter der Zulassungsnummer
Z 26.2-49 bauaufsichtlich zugelassen und besteht aus einem geschlossenen, trapezförmigen Schweißprofil, dessen zwei seitlichen Stege mehrere in regelmäßigem Abstand ausgestanzte Löcher (Ø 80 oder 150 mm) aufweisen.
Der verbreiterte Untergurt eignet sich dazu, vorgefertigte Element-, Verbund- und Spannbetonhohlplattendecken aufzulagern, wodurch Bauzeiten reduziert und Kosten für aufwendige Schalungsarbeiten eingespart werden können. Auch in Kombination mit Ortbetondecken bieten Verbundträger erhebliche Vorteile. Infolge der Verbundwirkung wird die Tragfähigkeit und Steifigkeit, verglichen mit einem reinen Stahlträger, erheblich gesteigert: bis zu 200 %.
Für die Planer von The Squaire dürfte allerdings noch ein weiterer Aspekt wichtig gewesen sein: Decken, die mithilfe des Trägers in Kombination mit Spannbetonhohlplatten hergestellt werden, sind bis zu 40 % leichter als eine massive Betondecke. Zudem sind sie wesentlich flacher realisierbar, was bei den sieben Büro-Geschossen des Frankfurter
Objekts dazu führte, dass eine zusätzliche Geschossebene eingebaut werden konnte. Möglich war dies, weil der Verbundträger vollkommen in die Decke integriert ist, während sich ein normaler Deckenunterzug unterhalb der eigentlichen Decke befindet.
Wirkung, Planung und Ausführung
Um die Vorteile dieses Stahlverbundsystems richtig einschätzen zu können, muss der Planer zunächst seine Wirkungsweise verstehen. Im Montagezustand wirkt der Verbundträger als reiner Stahlträger. Er kann werkseitig für die Deckeneigenlasten überhöht hergestellt und damit präzise an die Verformungsanforderungen angepasst werden. Aufgrund der hohen Torsionssteifigkeit ist bei entsprechen-der Auflagerausbildung in der Regel keine Montageunterstützung erforderlich. Nachdem das ausführende Rohbauunternehmen alle Verbundträger montiert hat, werden die (Teil-)
Fertigteile und die Fugen- bzw. Deckenbewehrung verlegt. Anschließend erfolgt der Verguss des Trägers zusammen mit dem Ausbetonieren der Fugen (bei Spannbetonhohlplatten) oder dem Betonieren der Decke (bei Element oder Ortbetondecken). Der Vergussbeton sollte dabei der Konsistenzklasse F4 nach DIN EN 206-1, Tab 6 entsprechen. Werden Vollfertigteildecken verwendet, wie dies bei The Squaire der Fall war, ist die Decke sofort nach dem Auflegen begehbar, sodass der weitere Bauablauf ohne Zeitverzögerung erfolgen kann. Nachdem der Vergussbeton ausgehärtet ist, können zusätzliche Lasten auf-gebracht werden. Im Endzustand wirkt der Verbundträger mit dem Decken- bzw. Verguss-beton im Verbund und hat dadurch höhere Steifigkeiten und Tragfähigkeiten als ein vergleichbarer deckengleicher Stahlträger. So lassen sich in der Regel störende Unterzüge vermeiden. Bei The Squaire bedeutete dies, dass pro Geschoss ca. 40 cm Bauhöhe ein-gespart werden konnten.
Bemessung der Verbundwirkung (Normalzustand)
Da es sich um einen Verbundträger handelt, spielt die Verbindung zwischen dem Beton und dem Stahl eine wichtige Rolle. Sie wird durch die Öffnungen in den Stegen sichergestellt. Dabei wirkt der in den Stegöffnungen liegende Beton als Betondübel, der die Längsschubkraft über Druckspannungen in der Kontaktfläche zu den Steglochungen überträgt.
Die Tragfähigkeit dieser Öffnungen wurde, da sie nicht durch die geltenden Normen abgedeckt sind, an Versuchen ermittelt und nach statistischer Auswertung festgelegt. Die Stegöffnungen weisen je nach Durchmesser und Ausführung unterschiedliche Tragfähigkeiten auf. Um die Anbindung und Lastzentrierung der Deckenplatte zu gewährleisten, wird eine Querbewehrung durch die Öffnung geführt. Diese erhöht zudem die Tragfähigkeit der Steglochung und kann bei der Bemessung mit angesetzt werden.
Die Auswertungen der Versuche erga-
ben, dass die beim Deltabeam verwendeten
Steglochungen ein duktiles Verhalten zeigen
(δuk > 6 mm gemäß DIN 18800-5, 9.4.1) bzw. DIN EN 1994-1-1:2010-12, 6.6.1.1) und dass die Last-Verformungskurven denen herkömmlicher, mittels Hubzündverfahren gesetzter Kopfbolzen sehr ähnlich sind. Daher können auch Kopfbolzen zur Verstärkung der Längsschubtragfähigkeit eingesetzt werden, wenn die Tragfähigkeit der Steglochungen nicht ausreicht.
Momententragfähigkeit (Normalzustand)
Um die Momententragfähigkeit und die Biegesteifigkeit des Verbundträgers in Kombi-nation mit einer Spannbetonhohlplatte bzw. Vollfertigteildecke zu ermitteln, darf der Betonquerschnitt zwischen den beiden Enden der Deckenelemente herangezogen werden. Der überdrückte obere Plattenspiegel darf innerhalb einer mittragenden Plattenbreite für die Ermittlung der Biegesteifigkeit mit angesetzt werden, nicht aber für die Momententragfähigkeit. Um die Momententragfähigkeit und die Biegesteifigkeit des Verbundträgers in Kombination mit einer Elementdecke bzw. einem Deckensystem mit Ortbetonergänzung/Aufbeton zu ermitteln, darf unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen der außen liegende Beton zur Berechnung herangezogen werden.
Der im Allgemeinen bei Slim-Floor-Trägern ansetzbare Wert der effektiv mitwirken-den Plattenbreite ist bisher nicht normativ
geregelt. Auf Grundlage von ausgewerteten Systemversuchen kann jedoch gemäß bauaufsichtlicher Zulassung beim Deltabeam eine mitwirkende Plattenbreite gemäß Eurocode 4 angenommen werden. Dank der Umschnürungswirkung innerhalb des geschlossenen Stahlquerschnittes darf die Betondruckfestigkeit im Kernquerschnitt mit einem Dauerstandbeiwert αc =1,0 angesetzt werden. Außerhalb dieses Bereichs wird αc = 0,85 verwendet.
Querkrafttragfähigkeit (Normalzustand)
Um die Querkrafttragfähigkeit zu berechnen, dürfen die Schubtragfähigkeit der seitlichen Stahlstege und der Beton innerhalb des geschlossenen Kernquerschnitts angesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Querkrafttragfähigkeit des Verbundträgers gegenüber einem reinen Stahlträger um über 60 % gesteigert werden kann. Sollte die Querkrafttragfähigkeit dennoch nicht ausreichen, ist es möglich, sie durch Stegblechverstärkungen oder Kopfbolzen im Kernquerschnitt weiter zu steigern.
Der Querkraftanteil des Betonquerschnitts basiert auf einem Fachwerkmodell, bei dem die geneigten Betondruckstreben durch den Untergurt gestützt werden. Die Nachgiebigkeit des Untergurtes in Querrichtung wird dabei durch den Ansatz einer effektiven Breite der Betondruckstrebe berücksichtigt. Die
resultierenden vertikalen Zugkräfte werden über Zugstreben in den Stegen zwischen den Steglochungen aufgenommen, die Horizontalkräfte werden als Längsschub über die Steglochungen und über Reibungs- und Klemmeffekte in den unteren Ecken des Stahlquerschnitts abgeleitet. Sind in der Nähe von Endauflagern Einzellasten vorhanden, nimmt die Stirnplatte die daraus resultierenden Horizontalkräfte der Betondruckstreben auf. Die mehraxialen Beanspruchun-
gen der Stege sowie des Untergurtes werden über abgeminderte Festigkeiten unter Zugrundelegung der von-Mises-Fließbedingung in der Bemessung berücksichtigt.
Bemessungskonzept für den Brandfall
Je nach Bedarf wird der Verbundträger Deltabeam für eine Feuerwiderstandsklasse von 30 bis 90 Minuten (mit Zustimmung im Einzelfall bis 120 Minuten möglich) konzipiert (= Eurocode 4: R30 bis R90), ohne dass weitere Brandschutzmaßnahmen erforderlich sind. Wenn durch einen Brand der Untergurt eines einbetonierten Stahlträgers erhitzt wird, verliert dieser an Festigkeit. Da Peikko den Deltabeam mit einer innenliegenden Brandbewehrung ausgestattet hat, kann der Verbundquerschnitt eine Momententragfähigkeit bieten, die im Brandfall die Lasten der maßgebenden Lastkombination übernimmt.
Der erforderliche Querschnitt der Brandbewehrung sowie dessen Lage werden im Einzelfall bemessen. Aufgrund der Betondeckung der Bewehrung liegen die Bemessungstemperaturen in der Bewehrung deutlich unter denen des Untergurtes. So ist auch nach der maßgebenden Feuerwiderstandsdauer eine verhältnismäßig große Resttragfähigkeit der Brandbewehrung gegeben. Sind Randträger vorhanden, muss allerdings der frei liegende, senkrechte Trägersteg des Verbundträgers gegen direktes Feuer geschützt werden. Bei außen liegenden Randträgern lässt sich dies in der Regel durch das Schließen des Spaltes zur äußeren Fassade
sicherstellen. Bei frei liegenden Deckenrändern (z. B. bei Atrien, Loggien usw.) kann
alternativ ein Mittelträger mit seitlichem
Abschalblech, d. h. ohne weitere Verkleidung, ausgeführt werden. Der Nachweis der Querkrafttragfähigkeit im Brandfall erfolgt derzeit allein über die Stahlstege des Verbundträgers.
Deckenauflagerung im Brandfall
Bei einem Brand verlieren die auskragenden Flansche des Stahluntergurtes an Stabilität und können die Decke nicht mehr direkt tragen. Um die Auflagerung sicherzustellen, wird eine quer zum Träger verlaufende Bewehrung angeordnet.
Die aktuell geltenden Zulassungen schreiben für die am Markt befindlichen Systeme vor, dass die Lasten einer Spannbetonhohlplatten-Decke direkt abgeleitet werden müssen. Daher hat die Peikko Deutschland GmbH in Kooperation mit der VMM-Gruppe eine Versuchsreihe durchführen lassen. Mit ihr sollte untersucht werden, ob durch eine gerade Querbewehrung eine ausreichende indirekte Auflagerung geschaffen werden kann. Die Versuche haben gezeigt, dass es trotz der indirekten Lagerung zu einem duktilen Versagen der Hohlplatten kommt. Innerhalb der Vergussfuge tritt kein Versagen auf.
Nach Auswertung der Versuche wurde ein Gutachten erstellt. Es beinhaltet ein Bemessungskonzept für die Querkraftbewehrung. Darüber hinaus macht es Vorgaben, wie die Querkrafttragfähigkeit der Spannbetonhohlplatten bei einer indirekten Lagerung für den Brandfall begrenzt werden muss. Die Klärung dieser Schnittstelle ist bisher einzigartig auf dem Slim-Floor-Markt.
