• ZIM-Projekt: KK5547104KT4
• Projektdauer: 01.01.2025 - 31.12.2026
• Projektpartner: ABA Holz van Kempen GmbH, KoRoH GmbH, H. Wetter AG

Im Rahmen des ZIM-Förderprogramms entwickelt der Lehrstuhl für Metallbau zusammen mit den Projektpartnern ABA Holz van Kempen GmbH, KoRoH GmbH und H. Wetter AG in einem FuE-Kooperationsprojekt ein nachhaltiges hybrides Deckenelement aus Stahl und Holz. Je Deckenelement sind eine großformatige Brettsperrholzplatte und zwei Stahlprofile mit T-förmigen Querschnitt vorgesehen. Der Verbund soll weitestgehend über geometrischen Formschluss hergestellt werden. Schwerpunkt ist daher die wirtschaftliche, technologische und ökologisch optimale Ausführung der Verbundfuge. Teilprojekt des Lehrstuhls für Metallbau sind experimentelle und numerische Untersuchungen und die Herleitung eines Bemessungskonzeptes.

Personen

Christoph Ehrenlechner

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.

Personen

Kurt Tutzer

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)

Mithilfe maßstäblicher Großversuche an Verbundstützen wurden verschiedene Effekte untersucht. Die gefertigten Stützenquerschnitte bestanden aus lokal verbundenen Blechstapeln. Ein Verbund zwischen den Lamellen wurde mithilfe von lokalen Schweißnähten und Schraubverbindungen an den Enden der Stützen erreicht. Neben Knickversuchen mit bis zu 14 MN Last wurden Stub-Column-Versuche sowie Vierpunktbiegeversuche bei Raumtemperatur und Knickversuche unter Brandbeanspruchung durchgeführt. Mithilfe der experimentellen Erkenntnisse konnte die Datenbasis über kalibrierte FE-Modelle erweitert werden. Die Erkenntnisse ermöglichen eine Bemessung mithilfe des vereinfachten Verfahrens nach aktueller Norm unter Berücksichtigung einer modifizierten effektiven Biegesteifigkeit. So kann die benötigte Biegesteifigkeit den Einwirkungen angepasst werden und eine möglichst effiziente Fertigung und Ausnutzung der Stützenquerschnitte ermöglicht werden.

Durch die Verwendung hochfester Stahlbleche sowie hochfester Hohlprofile ist die Fertigung hochtragfähiger Hohlprofilverbundstützen möglich. Bezogen auf die Streckgrenze weisen die Querschnitte geringe strukturelle Imperfektionen auf. Hohe Traglasten werden also durch eine Einstufung günstiger Knicklinien sowie hoher Materialfestigkeit erreicht. Die Auswirkungen geometrischer Imperfektionen in Form imperfekter Fertigung zeigte sich dabei als maßgebender Einfluss und muss in der Bemessung berücksichtigt werden.

Der Forschungsbericht wird in Kürze seitens der FOSTA hier zum Kauf/Download zur Verfügung gestellt.

Personen

Michael Schäfers

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 21366 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) ist ein Teilprojekt des FOSTA-Forschungsverbunds HOCHFEST und wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von brandsicheren, hochtragfähigen und gleichzeitig schlanken Verbundstützen.

Stabbündelstützen sind eine neue Art von Verbundstützen. Hierzu wird ein Bündel aus hochfesten Bewehrungsstäben mit einer Streckgrenze von 670 N/mm² in ein Stahlrohr eingestellt und anschließend mit Mörtel verpresst. Das Bündel kann aus 1,3,7 oder 19 Stäben bestehen.

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, so dass Tragfähigkeiten erreicht werden, wie sie sonst nur mit wesentlich größeren Querschnittsabmessungen möglich ist.

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.

Im Rahmen dieses Projekts wurden das Tragverhalten von Stabbündelstützen im Kalt- und im Brandfall untersucht. Um das Tragverhalten zu analysieren, wurden die einzelnen Materialparameter im Kalt- und im Brandfall bestimmt. Anschließend wurden Großversuche durchgeführt; aus den gesammelten Ergebnissen wurde ein FE-Modell erstellt bzw. kalibriert. Mit Hilfe des FE-Modells wurden zahlreiche Parameterstudien durchgeführt, auf deren Basis ein Bemessungskonzept auf Basis der DIN-EN-1994 erstellt wurde, sodass die Stützen in der Praxis verwendet werden können.

Der Schlussbericht wird in Kürze seitens FOSTA (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.) veröffentlicht.

Personen

Rudolf Röß

Forschungsförderung

AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
FOSTA - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.

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.

Personen

Dipl.-Ing. Heidrun Möller, Li Huang M.Sc.

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.

Personen

Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger

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