Die Stahl-Holz Mischbauweise bietet die Kombination vieler positiver Baustoffeigenschaften. Hierzu gehören bei Stahl u.a. die exzellenten Recyclingmöglichkeiten sowie die ausgeprägten Festigkeiten und daraus folgende Spannweiten und beim naturbasierten Werkstoff Holz die Speicherung und Vermeidung von CO2. Damit erschließen sich insbesondere im Geschossbau für wandelbare und flexible Wohnnutzungen sowie für die Büro-, Verwaltungs- und Gewerbenutzung enorme Potentiale. Tatsächlich gibt es aber für die Stahl-Holz-Mischbauweise keine abgesicherten Nachweisverfahren, die eine geregelte Beurteilung des Feuerwiderstands und der brandschutztechnischen Sicherheit dieser Konstruktionsweise erlauben. Ziel des Forschungsprojektes ist es daher, diese Wissenslücken durch Bereitstellung entsprechender Bemessungsansätze und Konstruktionsdetails zu schließen.

Dies soll einerseits geschehen durch Quantifizierung der Schutzwirkung von flächigen Holzbauteilen und Holzbekleidungen für Stahlprofile im Brandfall sowie der daraus resultierenden Tragfähigkeit. Zudem sollen konstruktiven Lösungen erarbeitet werden, die eine Schutzwirkung der Holzbauteile ohne ein vorzeitiges Abfallen ermöglichen, unkontrollierbaren Bränden in den Bauteilfugen zwischen Stahl und Holz ausschließen sowie die einfache Sanierung ermöglichen. Letztlich sollen Grundlagen und Materialkennwerten generiert werden, die einen leistungsbezogenen Nachweis unter Naturbrandbeanspruchung für Stahl-Holz-Mischkonstruktionen erlauben.

Die Forschungsergebnisse dienen der Weiterentwicklung einer Bauweise, mit der flexibel auf die aktuellen und zukünftigen architektonischen Bedürfnisse und ressourcenschonend auf konstruktive Vorgaben bei gleichzeitig einfacher Rückbaubarkeit und hoher Recyclingfähigkeit eingegangen werden kann. Neben den direkt beteiligten KMUs der Planung und Ausführung im Holz- und Stahlbau profitieren ebenso Ersteller von Stahlskelettkonstruktionen sowie von Holztafel- und Massivholzelementen.

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Jakob Blankenhagen

Verbunddecken, bestehend aus stählernen Verbund-Profilblechen und Aufbeton, werden seit vielen Jahren erfolgreich im Verbundbau eingesetzt. Dabei ist ihre Wirtschaftlichkeit in vielen Fällen von den im Bauzustand mit den Profilblechen erreichbaren Spannweiten abhängig. Um diese zu vergrößern, werden zusehends Profilbleche mit hohen Stegen eingesetzt, wodurch die Anzahl der notwendigen Sekundärträger minimiert und die Wirtschaftlichkeit der Bauweise signifikant erhöht werden kann.

Durch die Verwendung immer größerer Profilblechhöhen verändert sich das Tragverhalten der für die Herstellung des Verbundes zwischen Verbunddecke und Träger notwendigen Verdübelung mit Kopfbolzendübeln hin zu einer größeren Nachgiebigkeit und Duktilität aber auch zu einer niedrigeren Tragfähigkeit.Im Gegensatz zur Anwendung von Profilbelchen Kaltfall, liegen für den Brandfall bisher kaum Forschungsergebnisse vor. Es kann daher aktuell keine fundierte Aussage zur Anwendbarkeit der Bemessungsformel für die Tragfähigkeit von Kopfbolzendübel im Brandfall nach DIN EN 1994-1-2 für hochstegige Profilbelche getroffen werden.

Aufbauend auf das bereits abgeschlossene Forschungsprojekt „Mindestverdübelung von Verbundträgern bei Brand“ soll zudem die Anwendbarkeit der Teilverbundtheroie im Brandfall näher beleuchtet werden. Es soll dabei überprüft werden, ob sich die entwickelten Ansätze für Verbundträger mit Vollbetonplatte auch auf Verbundträger mit hochsteigen Profilblechen übertragen lassen.Die Umsetzung der Forschungsziele soll durch ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm erreicht werden. Während das lokale Tragverhalten der Kopfbolzen in den Profilblechsicken mittels Push-Out-Versuchen nach DIN EN 1994-1-1 unter Brandbelastung untersucht werden soll, wird das Gesamttragverhalten mittels Großbrandversuchen an Verbundträgern analysiert. Ergänzend zum Versuchsprogramm sind Parameterstudien an Verbundträgern und Push-Out-Probekörpern mittels der FE-Software Abaqus geplant.

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Kurt Tutzer

Verbundträger sind ein zentraler Baustein von Stahlverbundkonstruktionen des Hochbaus, wie z.B. Büro und Verwaltungsgebäude und Parkhäuser. Um die Vorteile der Verbundbauweise auszunutzen werden sie in vielen Fällen für den Bauzustand als reine Stahlträger bemessen um auf Baustützen während des Betoniervorgangs der Decke verzichten zu können. In vielen Fällen sind sie daher im Endzustand nicht völlig ausgenutzt und können auf der Grundlage der Teilverbundtheorie bemessen werden. Die durch Anwendung der Teilverbundtheorie möglichen Einsparungen an Verbundmitteln werden aber durch den normativ vorgeschriebenen Mindestverdübelungsgrad teils stark beschränkt, der auf der ungünstigen Annahme des Eigengewichtsverbundes beruht. Genauere (nichtlineare) Betrachtungen unter Berücksichtigung der Baugeschichte und von Kriech- und Schwindvorgängen, aber auch einer modifizierten Dübelanordnung, wie sie bei einigen großen Bauwerken bereits heute durchgeführt wurden, ermöglichen gerade bei längeren Trägern aus hochfesten Stählen erheblich Einsparungen an Verbundmitteln, mit deren Hilfe sich die Wirtschaftlichkeit dieser Konstruktionen deutlich erhöhen lässt. Für diese Betrachtungen fehlen aber einerseits die dazu notwendigen Grundlagen, andererseits sind vereinfachende Regelungen wünschenswert, die auch bei kleinen und mittelgroßen Projekten eine differenziertere Bestimmung der notwendigen Mindestverdübelung zulassen, ohne einen hohen Berechnungsaufwand betreiben zu müssen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung einfach anzuwendender Regeln zur Bestimmung des Mindestverdübelungsgrades von Verbundträgern bei Brand. Die für eine Heißbemessung gültige Norm DIN EN 1994-1-2 [1] enthält dazu keine eigenen Regeln und fordert stattdessen bei Anwendung der Teilverbundtheorie die Berücksichtigung des thermischen Zwangs. Dies führt dazu, dass in fast allen Fällen eine volle Verdübelung vorgesehen wird, die die Wirtschaftlichkeit der Lösungen des Stahlverbundbaus signifikant negativ beeinflusst.

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Werden Brandschutzanforderungen an Stahlbauteile gestellt, können diese mit Hilfe passiver Brandschutzmaßnahmen, wie z.B. Verkleidungen, Spritzputzen und reaktiven Brandschutzsystemen, erfüllt werden. Die erforderlichen Brandschutzmaßnahmen sind meist kostspielig, müssen auf der Baustelle aufgebracht werden und führen als Folge häufig zu einer Bevorzugung der Massivbauweise. Daher ist aus wirtschaftlicher Sicht eine Optimierung der Brandschutzmaßnahmen für Stahl- und Stahlverbundbauten zwingend erforderlich. Dies kann z.B. durch Bestimmung der kritischen Versagenstemperatur nach EN 1993-1-2 [1], bzw. nach EN 1994-1-2 [2] und einer nachgelagerten Optimierung der Brandschutzmaßnahmen erfolgen.Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Grundlagen für eine Berücksichtigung der günstigen Wirkung einer Feuerverzinkung auf das Erwärmungsverhalten von Stahlbauteilen im Brandfall zu erarbeiten und diese in Form praxistauglicher Anwendungsregeln der baupraktischen Bemessung zugänglich zu machen. Dies ermöglicht, insbesondere bei einer geforderten Feuerwiderstandsdauer von 30 min ISO-Normbrandbelastung (R30) [3] und bei Verwendung feuerverzinkter Profile mittlerer und großer Massigkeit, eine Bauweise ohne zusätzliche passive Brandschutzmaßnahmen wie z.B. das nachträgliche Aufbringen von Brandschutzbeschichtungen oder Verkleiden mit Brandschutzplatten. Der Einsatz feuerverzinkter Profile trägt damit wesentlich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von feuerverzinkten Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen im Stahlhochbau im Vergleich zur marktbeherrschenden Massivbauweise bei.Die Feuerverzinkung stellt bereits heute eine wirtschaftliche und effiziente Möglichkeit dar, Stahlbauteile dauerhaft vor Korrosion zu schützen. Sie wird daher seit vielen Jahrzehnten vor allem im Bereich des Stahlhochbaus und neuerdings des Stahlbrückenbaus erfolgreich angewendet und zählt zum bewährten Stand der Technik.

Intumeszierende (dämmschichtbildende) Anstriche stellen eine Möglichkeit passiver Brandschutzmaßnahmen von Stahlbauten dar. Sie bieten – im Vergleich zu Verkleidungen oder Spritzputzen - die einzigartige und für die moderne Architektur unverzichtbare Möglichkeit, sichtbaren Stahl in Tragwerken mit einer Anforderung an den Feuerwiderstand von 30 bis teilweise 90 Minuten zu realisieren. Bei Stützen, deren eine Seite von Fassadenelementen verdeckt sind, ist jedoch unklar, ob ein Schutz der drei zugänglichen und damit beflammten Seiten zur Gewährleistung der erforderlichen Brandsicherheit ausreichend ist. Zudem fehlen Ingenieurmethoden zur Quantifizierung des Einflusses der Fassadenelemente auf das Erwärmungsverhalten der Stützen. Eine ähnliche Situation liegt bei Trägern mit aufliegendem Profilblech vor. Hier spielen zusätzlich Abschattungseffekte und Konvektionsverhältnisse im Bereich der Trapezblechsicken eine wichtige Rolle. Im Projekt wurden umfangreiche Brandversuche an typischen baupraktischen Einbausituationen durchgeführt. Auf Basis der Versuchsergebnisse und begleitender numerischer Untersuchungen unseres Forschungspartners, des Instituts für Stahlbau der LU Hannover, wurden Konzepte zur sicheren Beurteilbarkeit der im Projekt untersuchten Einbausituationen entwickelt. Es zeigte sich, dass in nahezu allen betrachteten Fällen die Fassadenelemente einen ausreichenden Schutz der Stützen sicherstellen können. Bei Trapezprofilen mit hohen Sicken liegen jedoch ungünstigere Verhältnisse vor. Das Projekt leistet damit einen wichtigen Beitrag zum breiten und sicheren Einsatz intumeszierender Anstriche im Stahlbau.

Aufwendige Brandschutzmaßnahmen verhindern oft den Einsatz des ressourcenschonenden Stahl-Beton-Verbundbaus. Durch Berücksichtigung großer Verformungen im Brandfall lassen sich diese jedoch beinahe halbieren und ermöglichen dadurch hocheffiziente Konstruktionsformen. Die im Brandfall auftretenden hohen Temperaturen führen nicht nur zu reduzierten Tragfähigkeiten und Steifigkeiten, sondern zu großen Verformungen schlanker Decken. Aufgrund der sich einstellenden Membranwirkung treten so günstige Effekte auf, die es bei Einhaltung bestimmter konstruktiver Randbedingungen ermöglichen ca. 40% der Deckenträger ungeschützt zu lassen. Im Projekt wurden im Brandlabor Dachau der TUM zwei Großversuche an Deckenfeldern 12,5 m x 5 m durchgeführt und durch umfangreiche numerische Untersuchungen ergänzt. Auf dieser Basis wurde in der Dissertation von Herrn Dr. Martin Stadler eine Level-2-Methode entwickelt, die eine einfache Bemessung teilweise geschützter Verbunddecken mit Hilfe vonStandard-Software erlaubt. Im Unterschied zu stark vereinfachenden Level-1-Methoden besteht nun die Möglichkeit einer effizienten und flexiblen Bemessung dieser Decken unter Berücksichtigung von Zwangsschnittgrößen aus Temperatur und Rissbildung im Beton.