Projekt 21168/01

Brettstapel-Beton-Verbund mit integriertem Slim-Floor-Profil

Projektträger

Universität Stuttgart Institut für Konstruktion und Entwurf
Pfaffenwaldring 7
70569 Stuttgart
Telefon: 0711/685-66245

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die ein-axiale Lastabtragung von Brettstapel-Beton-Verbunddecken verhindert eine freie Wahl des Grundrisses und damit die Anwendung des regenerativen Werkstoffs Holz im Mehrfamilienhaus-, Büro und Verwaltungsbau. Durch die Integration von Linienauflagern in Form von Slim-Floor-Profilen in der Decke wird es ermöglicht, punktgestützte Holzdecken mit zu reinen Massivdecken vergleichbarem Schall- und Brandschutz zu errichten. Damit lässt sich der Anteil von regenerativen und natürlichen Werkstoffen auch im Mehrgeschossbau deutlich erhöhen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm das Trag- und Verformungsverhalten von Brettstapel-Beton-Verbunddecken mit integriertem Slim-Floor-Profil zu untersuchen und offene Fragen, wie z. B. der Einfluss des Brettstapel auf die Betondruckzone, Querschubübertragung innerhalb der Betonplatte, generell die Schubkraftabtragung im Querschnitt, etc. zu klären, sollen zum einen theoretische Untersuchungen in Form von FE-Untersuchungen als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden, um die FE-Untersuchungen zu verifizieren. Basierend auf den FE-Untersuchungen und den Versuchen soll ein mechanisches Modell entwickelt werden, mit dem das Trag- und Verformungsverhalten auf der sicheren Seite erfasst werden kann. Dieses Modell soll anschließend für die Bemessung vereinfacht werden. Parallel dazu soll eine Wirtschaft-lichkeitsuntersuchung dieser Verbunddecken im Vergleich zu den konventionellen Deckensystemen durchgeführt werden. Für eine praxisnahe Aufarbeitung sollen zum einen Bemessungstabellen entwickelt werden, aus denen der Anwender in der Praxis für bekannte Lasten und Spannweiten die erforderlichen Querschnittsabmessungen herauslesen kann, zum anderen sollen durch Tools z. T. als Teil kommerzieller Programmsysteme eine einfache Bemessung ermöglicht werden. Hinsichtlich des Schall und Brandschutzes sollen Lösungen vorgeschlagen werden, so dass die Bauweise problemlos angewandt werden kann.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der Untersuchungen wurden die offenen Punkte dieser Bauweise, wie z. B. statisches System, mittragende Breite der Betonplatte, Querkraftabtragung aus der Holz-Beton-Verbunddecke und Tragfähigkeit der Kopfbolzendübel sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass bei dieser Bauweise infolge der Materialstreuungen nicht davon ausgegangen werden kann, dass der Beton über der Stütze in allen Fällen reißt. Im Gegenzug ist aber nur die Bewehrung in der Betonplatte zu weich, um eine Durchlaufwirkung zu garantieren. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, eine Grenzwertbetrachtung für die Bemessung durchzuführen, indem für die Bemessung der Brettstapel-Beton-Verbunddecke von einer gerissenen Betonplatte und für die Bemessung des deckengleichen Stahl-Beton-Verbundträgers von einer ungerissenen Betonplatte ausgegangen wird. Im Hinblick auf die mittragende Breite konnte festgestellt werden, dass die Brettstapel-Beton-Verbunddecke die mittragende Breite nicht beeinflusst, da sich ein Scheibenzustand einstellt.
Die Querkraftabtragung aus der Holz-Beton-Verbunddecke in den Stahl-Beton-Verbundträger erfolgt über den unteren Flansch; d. h. die gleichzeitige Wirkung der Querkrafttragfähigkeit der Betonplatte und des Brettstapels kann nicht berücksichtigt werden, da die Last-Verformungsverschiebungen beider Komponenten zu unterschiedlich sind. Daher wird empfohlen, für die Lastabtragung nur über den Brettstapel anzunehmen.
Im Hinblick auf die Bestimmung der Tragfähigkeit der Kopfbolzendübel zeigt sich, dass der Brettstapel keine ausreichende Querpressung erzeugen kann, so dass ein Spalten des Betons durch die Kopfbolzendübel auftreten kann. Aus diesem Grund sind diese Verbindungsmittel als randnahe Kopfbolzendübel einzustufen, obwohl sie inmitten der Platte eingebaut sind. Durch die Klärung dieser Schnittstellenproblematiken kann eine Bemessung dieser Verbundbauweise basierend auf den jeweiligen Normen erfolgen. Um diese Bemessung zu vereinfachen, wurde einerseits ein Bemessungstool entwickelt, andererseits Bemessungstabellen entwickelt anhand derer eine schnelle Bestimmung der erforderlichen Abmessungen erfolgen kann.
Im Hinblick auf den Brandschutz wurden FE-Berechnungen durchgeführt, um die kritische Temperaturverhältnisse im Bauteil zu bestimmen. Dabei zeigte sich, dass gerade die Kontaktfuge zwischen Brettstapel und Slim-Floor-Profil vor der Feuereinwirkung geschützt werden muss, da die Temperatur in der Fuge derart stark ansteigen kann, so dass die Kontaktfläche beginnt sich thermisch zu zersetzen. Dies hat zur Folge, dass in diesem Fall nicht mehr der Querkraftabtrag sichergestellt werden kann. Basierend auf die-sen Untersuchungen wurden Lösungen entwickelt, mit denen es möglich ist, dieses thermische Zersetzen der Kontaktfuge zu verhindern.
Damit kann diese Bauweise in die Praxis umgesetzt werden. Durch die Entwicklung des Bemessungstools und der Bemessungstabelle werden Hilfsmittel zur Verfügung gestellt die eine einfache Anwendung ermöglichen. So konnte durch das Ingenieurbüro Graf, Schwäbisch Gmünd bereits den Entwurf der Brücke über die Ruhr der Stadt Arnsberg mit Hilfe dieser Bauweise gewonnen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Vorhabens wurde diese Bauweise bereits im Rahmen von Kongressen, wie z. B. der World Timber Conference, Lahti oder der COST Action E29, Florenz vorgestellt. Darüber hinaus wird diese Bauweise in der Lehre vorgestellt, so dass den zukünftigen Ingenieuren die Anwendung von Brettstapel-Beton-Verbunddecken mit integrierten Slim-Floor-Profilen bekannt ist.


Fazit

Insbesondere durch den Schnittstellenbereich zwischen Brettstapel-Beton-Verbunddecke und Stahl-Beton-Verbundträger traten Unbekannte auf, die im Rahmen dieses Vorhabens bestimmt wurden. Damit kann diese Bauweise eingesetzt werden. Wie das Pilotprojekt der Brücke über die Ruhr der Stadt Arnsberg zeigt, können durch diese Bauweise Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen gewonnen werden, so dass der Anteil von regenerativen Baustoffen durch die Verwendung dieses Stahl-Holz-Beton-Verbundsystems erhöht werden kann.