Zum Verbundverhalten ausbetonierter Hohlprofilstützen mit massivem Stahlkern im Brandfall

Abstract

An die vertikalen Tragelemente eines Gebäudes werden häufig konkurrierende Anforderungen hinsichtlich der architektonischen Gestaltung, der abzutragenden Lasten, der notwendigen Feuerwiderstandsdauer und nicht zuletzt der Wirtschaftlichkeit gestellt. Eine attraktive Möglichkeit schlanke Stützen auch bei hohen einwirkenden Lasten zu realisieren und gleichzeitig hohe Anforderungen an den Feuerwiderstand zu erfüllen, stellen ausbetonierte Hohlprofilstützen mit massivem Stahlkern (AHPMS-Stützen) dar. Durch die vorteilhafte Anordnung der Materialien Stahl und Beton im Querschnitt wird das wesentliche Tragglied – der Stahlkern im Inneren der Verbundstütze – im Brandfall effektiv durch den umgebenden Beton vor thermischen Einwirkungen geschützt und bleibt somit lange tragfähig. Trotz der vorteilhaften Bauweise werden AHPMS-Stützen bisher jedoch nur von wenigen Unternehmen in der Baupraxis verwendet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Bemessung auf Grundlage der aktuellen Normung nicht möglich ist und die Genehmigung stattdessen über allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen oder Zustimmungen im Einzelfall erfolgen muss. Dass die derzeitigen Normen keine Bemessungsansätze für AHPMS-Stützen beinhalten, resultiert daraus, dass bisher keine ausreichende experimentelle Datengrundlage vorhanden ist. Daher kann das Tragverhalten dieses Stützentyps bei Raumtemperaturbedingungen und insbesondere im Brandfall nicht allgemeingültig in Bemessungsverfahren beschrieben und das Verbundverhalten der Querschnittskomponenten im Lasteinleitungsbereich nicht quantifiziert werden. Um ein tief gehendes Verständnis für die Charakteristiken der Bauweise von AHPMS-Stützen und das Verbundverhalten dieser Stützen bei Raumtemperaturbedingungen und im Brandfall zu erhalten sowie darauf basierend Ansätze für die baupraktische Bemessung abzuleiten, werden in dieser Forschungsarbeit experimentelle, numerische und bemessungstechnische Untersuchungen durchgeführt und beschrieben. Die experimentellen Untersuchungen dienen der Quantifizierung der Verbundfestigkeit von AHPMS-Stützen bei Raumtemperaturbedingungen sowie bei hohen Temperaturen. In 48 Push-out-Versuchen wird dabei der Einfluss der geometrischen Querschnittsabmessungen, dynamischer Vorbelastungen, Oberflächenbeschaffenheiten sowie homogener und inhomogener Querschnittstemperaturen ermittelt. Bei Raumtemperaturbedingungen weist die Verbundfestigkeit demnach eine maßgebliche Abhängigkeit von der untersuchten Querschnittsgeometrie auf. In Kombination mit theoretischen Herleitungen wird aus den gemessenen Daten ein analytischer Zusammenhang zwischen den Stahlkern- und Stahlhohlprofilabmessungen und der Verbundfestigkeit von AHPMS-Stützen abgeleitet. Bei hohen Temperaturen wird anhand der Versuchsergebnisse hingegen eine signifikante Abhängigkeit der gemessenen Verbundfestigkeit von der Temperaturverteilung im Querschnitt und den einhergehenden thermischen Dehnungen der Querschnittskomponenten nachgewiesen. Die experimentell ermittelten Erkenntnisse werden zudem in numerische Ansätze zur temperaturabhängigen Kontaktformulierung für Simulationen des Trag- und Verbundverhaltens von AHPMS-Stützen überführt. Dabei wird eine numerische Formulierung entwickelt, die unabhängig von der untersuchten Querschnittsgeometrie, für beliebige thermische Einwirkungen und auf Grundlage etablierter Materialformulierungen nach DIN EN 1994-1-2 zur numerischen Abbildung des Verbundverhaltens von AHPMS-Stützen genutzt werden kann. Zudem wird eine Subroutine implementiert, die es ermöglicht, das in den experimentellen Untersuchungen beobachtete Verbundverhalten auch im Bereich großer Relativverschiebungen zwischen dem Stahlkern und dem Beton realitätsnah abzubilden. Zum Ergebnistransfer in die Praxis werden zum einen die Ergebnisse der Push-out-Versuche bei Raumtemperaturbedingungen in einen Bemessungswert der Verbundfestigkeit überführt. Zum anderen wird für die Bemessung im Brandfall ein ganzheitlicher Ansatz entwickelt, der eine analytische Berechnung der Stahlkerntemperatur sowie eine Traglastberechnung für definierte Feuerwiderstandsdauern beinhaltet. Demnach können AHPMS-Stützen im Brandfall vereinfacht als Stahlkernstützen bemessen werden, die thermisch durch die Betondeckung geschützt sind. Für übliche Stützenabmessungen, Materialien und Einwirkungen erfordert dieser vereinfachte Nachweis keine Beschränkung des Lastausnutzungsgrads bei Raumtemperaturbedingungen, um die Stützen auch für den Brandfall nachweisen zu können. Auf Grundlage der Erkenntnisse dieser Arbeit werden ferner die in der Praxis etablierten Lasteinleitungsarten in Bezug auf die Bemessung im Brandfall bewertet. Demnach kann bei einer Lasteinleitung mittels einer starren Kopfplatte oder mittels Stahlformstücken, die die Lasten direkt in den Stahlkern einleiten, auf die Anordnung von Verbundmitteln im Lasteinleitungsbereich von AHPMS-Stützen verzichtet werden, obwohl beim Erreichen relevanter Feuerwiderstandsdauern keine Verbundwirkung zwischen den Querschnittskomponenten mehr vorhanden ist. Werden Dübelbleche und Kopfbolzendübel zur Kraftübertragung auf den Stahlkern verwendet, muss die Anzahl der Verbundmittel so bemessen werden, dass die im Brandfall einwirkende Last vollständig in den Stahlkern eingeleitet werden kann.