Henrik Matz

Abstrakt: Der Einsatz von Fertigteil‐Stahlbetonstützen im Hochhausbau liefert einen Beitrag zu verkürzten Bauzeiten, reduzierten Immissionen, hoher Ausführungsqualität sowie zu einer wirtschaftlichen Realisierung von dringend benötigtem Wohn‐ und Arbeitsraum. Als Fügestelle der Stahlbetonstützen hat sich der vermörtelte Druckstoß mit Stahlplatten zur Querdehnungsbehinderung durchgesetzt. An den Stumpfstoß müssen dabei hohe Anforderungen an die Qualität und Maßhaltigkeit gestellt werden, die über die üblichen Hochbautoleranzen nicht mehr abgedeckt sind. Neben einer hohen Qualität der Mörtelfuge sollten auch Spalte zwischen Längsbewehrung und Stahlplatte möglichst geringgehalten oder vermieden werden. Dies ist in der Baupraxis besonders bei hoch bewehrten Stahlbetonstützen oft nicht möglich. Im vorliegenden Beitrag wird daher der Einfluss von Spaltmaßen auf das Trag‐ und Verformungsverhalten von Stumpfstößen analysiert. Hierzu werden zwei kleinformatige Versuchsserien vorgestellt, an denen unterschiedliche Spaltmaße eingestellt und experimentell untersucht werden. Es kann gezeigt werden, dass Spalte zwischen Längsbewehrung und Stahlplatte maßgeblichen Einfluss auf das Verformungsverhalten gestoßener Stützen haben und die Traglasten reduzieren können. Abschließend werden mögliche Kompensationsmaßnahmen diskutiert, um Traglasteinbußen zu verhindern.

In response to housing shortages in densely inhabited urban areas, there is a search for structural engineering solutions for serial and modular construction. Prefabricated concrete columns can make an important difference. Using industrial manufacturing processes, it is possible to produce highly loadable, durable and true-to-size columns that enable accelerated construction progress and dismantling or reuse of the components at the end of the structure’s economic life. However, there are challenges in designing the detachable connection between highly loaded columns due to an undesired reduction of the load-bearing capacity on the one hand and a high sensitivity to geometrical deviations on the other hand. To investigate the load-bearing and deformation behaviour of butt-jointed columns, large-scale component tests as well as three-dimensional numerical analyses using the finite element method were carried out. The analyses show that measures to increase the stiffness of the joint, such as thicker steel plates, lower mortar thickness, etc., lead to an increase of the ultimate load. It could also be demonstrated that butt-jointed columns are very sensitive to unevenness of the end faces. Finally, the investigations allow first conclusions on the design and detailing of detachable compression connections between prefabricated concrete columns.

Die Betondruckfestigkeit, die bei der Bemessung von Stahlbetonstützen anzusetzen ist, wird in den unterschiedlichen Regelwerken (EC2, EC2+NA, MC10) mit einem Beiwert α_cc multipliziert, der neben zeitabhängigen Dauerstandeinflüssen auf der Materialseite (α_cc,m) auch einfache bauteilspezifische Effekte (α_cc,b) berücksichtigt. Hiermit werden aber die in Stahlbetonstützen vorliegenden speziellen bauteilspezifischen Zusammenhänge (z. B. Einfluss einer Längs‐ und Bügelbewehrung) nicht differenziert erfasst, sodass besonders bei Stahlbetonstützen mit höherfesten Betonen oder hohen Bewehrungsgraden in Bezug auf eine sichere Bemessung Bedenken bestehen. Für eine zuverlässigere Berücksichtigung wird in diesem Beitrag eine Stützendatenbank vorgestellt, mit der zunächst ein pauschaler Bauteilfaktor in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit identifiziert werden kann. Anschließend werden die bauteilspezifischen Effekte aus dem Geometrie‐ und Bewehrungseinfluss auf die Bauteildruckfestigkeit aufgeschlüsselt und ein Produktansatz zur differenzierten Erfassung des Bauteilfaktors vorgeschlagen.

Der Trend zu „leichten“, filigranen und ressourceneffizienten Tragwerken führt zu einer zunehmenden Struktur‐ und Materialoptimierung im Bauwesen. Parallel dazu gibt es eine Zunahme von Naturgefahren und sonstigen Bedrohungssituationen. Die verminderten Umlagerungsmöglichkeiten in Kombination mit der steigenden Gefahr von unplanmäßigen Einwirkungen können zu einer unzureichenden Tragwerksrobustheit führen. Ein Versagen des Gesamttragwerks aufgrund von Teilschäden muss verhindert werden. Die Robustheit der maßgebenden Einzelbauteile ist dabei von wesentlicher Bedeutung. Bei Stahlbetonstützen kann besonders bei Einsatz hochfester Betone trotz Einhaltung derzeitiger Regelungen zur konstruktiven Durchbildung ein robustes Verhalten nicht in jedem Fall sichergestellt werden. Der vorliegende Beitrag beschreibt zunächst unter Zuhilfenahme eines numerischen Stützenmodells das Tragverhalten sowie charakteristische Traganteile von Stahlbetonstützen. Ein praxisgerechtes mechanisches Modell wird vorgestellt, mit dem das Nachbruchverhalten von Stahlbetonstützen berechnet und die Robustheit bewertet werden kann. Anschließende Parameterstudien zeigen den Einfluss verschiedener Konstruktionsparameter auf die Robustheit und sind die Basis eines Diskussionsbeitrags für erste erweiterte Konstruktionsregeln für robuste Stahlbetonstützen.

Sowohl die zentrische Matrixzugfestigkeit als auch die zentrischen Nachrisszugfestigkeiten von faserbewehrten Betonen werden in der Regel indirekt über Biegezugversuche ermittelt. Dazu muss eine in Versuchen ermittelte Kraft‐Verformungs‐Kurve in eine Zugspannungs‐Dehnungs‐Beziehung überführt werden. Für ultrahochfesten Faserbeton (UHPFRC) gibt es in Deutschland zurzeit mangels gültiger Normen und Richtlinien kein geregeltes derartiges Umrechnungsverfahren. Zur Untersuchung des Zugspannungs‐Dehnungs‐Verhaltens von UHPFRC wurden am iBMB, Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig gekerbte 3‐Punkt‐Biegezugversuche nach DIN EN 14651 durchgeführt. Unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse und in Anlehnung an den Model Code 2010, der normal‐ und hochfesten Faserbeton regelt, wurde ein Umrechnungsverfahren für UHPFRC entwickelt. Zur Validierung des Verfahrens wurde die Finite‐Elemente‐Methode (FEM) hinzugezogen.