Neue Typenstatik für schlankere Betonwände

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1 Neue Typenstatik für schlankere Betonwände Erkrath, 11. Juli Artikel veröffentlicht in "Baugewerbe" vom Einleitung Die Betonbautechnik reicht geschichtlich bis in die Antike zurück. Bereits die Römer hatten das Bauen mit hydraulisch erhärtenden Bindemitteln zu beeindruckender Reife entwickelt und im Wohnungsbau sowie im Tief- und Wasserbau erfolgreich eingesetzt. Eines der bekannteren antiken Betonbauwerke ist das Pantheon in Rom. Es entstand zwischen 110 und 125 n. Ch. und stellt einen Höhepunkt in der Entwicklung von Architektur und Tragwerkskonstruktion, aber auch von Baubetrieb und Baustofftechnologie dar. Nach dieser frühen Blüte des Bauens mit hydraulischen Baustoffen ging ein großer Teil des Wissens über diese Bauweise in den nachfolgenden Jahrhunderten verloren. Erst durch die Entwicklung der ersten Zemente im Laufe des 18. Jahrhunderts werden die Anfänge des neuzeitlichen Betonbaus geschichtlich erkennbar. Nachdem es im ausgehenden 19. Jahrhundert gelang, Betontragwerke rechnerisch zu bemessen und nachzuweisen, trat der Betonbau in eine rasante Entwicklung. Zwar blickt der Mauerwerksbau auf eine ältere und kontinuierliche Entwicklung seiner Bautechnik zurück, er ist jedoch aufgrund der beschränkten mechanischen und statischen Eigenschaften der Bauweise eher baumeisterlich geprägt und zur Herstellung anspruchsvoller Ingenieurbauwerke kaum geeignet. Der Mauerwerksbau hatte einen Anwendungsschwerpunkt von je her in der Herstellung von Wänden im Wohnungsbau, während der Betonbau in nahezu alle Kategorien des Bauens Eingang gefunden hat. Vor allem die möglichen hohen und gut steuerbaren Festigkeits- und Tragwerkseigenschaften der Stahlbetonbauweise qualifizieren den Beton zum universellen Ingenieurbaustoff. Auch Wände im Hochbau werden aus Beton hergestellt. Anders als beim Mauerwerksbau jedoch wurden Wände aus Beton üblicherweise nach den gleichen Bemessungsgrundlagen bemessen wie Ingenieurbauwerke. Der im Betonbau obligatorische Einbau von Bewehrungsstählen wurde ebenso aus dem Ingenieurbau übernommen, wie die Anordnung relativ hoher Betonfestigkeiten. Dies kann beim Einsatz von Betonwänden als tragende oder aussteifende statische Elemente ein

2 großer Vorteil sein. Für den Wohnungsbau waren die hohen Tragfähigkeits- und Festigkeitseigenschaften oft unnötig, die hohe Festigkeit des Betons wurde beim Bau und in der Nutzung eher als nachteilig aufgefasst. Herstellungstechnisch bedeuteten der baubetriebliche Grundaufwand von Schalen und Bewehren und die bauartbedingten Mindestwanddicken von >20 cm oft einen Kostennachteil gegenüber der Mauerwerksbauweise. Erst durch die Entwicklung von Wandbauweisen aus Fertigteilen und Halbfertigteilen wurde die Betonbauweise in diesem Segment wieder konkurrenzfähig. Der Einsatz von unbewehrten Betonwänden war gegenüber dem Mauerwerksbau durch die geltenden Regelwerke bemessungstechnisch stets benachteiligt, da die traditionell geprägte Modellbildung beim statischen Nachweis von Wänden aus Mauerwerk eine erheblich höhere Ausnutzung der Tragwirkung des Mauerwerks zuließ. Dies erlaubte gegenüber der Betonbauweise geringere Wanddicken und bedeutete einen weiteren Nachteil für die unbewehrte Betonwand. Bemessung nach neuer Typenstatik Zur Annäherung der Bemessungsmodelle des Betonbaus an die des Mauerwerksbaus wurden am Lehrstuhl und Institut für Massivbau der RWTH Aachen im Rahmen eines von der Forschungsgemeinschaft Transportbeton e.v. geförderten Forschungsvorhabens Bemessungsnomogramme für unbewehrte Wände unter vertikaler Auflast mit und ohne zusätzlichen Erddruck entwickelt. Im Ergebnis liegt nun eine bundesweit gültige Typenstatik mit Prüfbescheid des Landes NRW vor, die es erlaubt, unbewehrte Wände schnell über unkomplizierte Nomogramme zu bemessen. Hierbei können die erforderlichen Wanddicken mit Hilfe der Eingangsschnittgrößen direkt aus den Nomogrammen abgelesen werden. Die Bemessungsnomogramme (Bild 1) gelten im allgemeinen Wohnungsbau für erddruckbelastete Kellerwände mit Dicken von cm und für Innenwände mit Dicken von cm. Auf eine Anschlussbewehrung zwischen Wand und Boden- bzw. Deckenplatte ist bei der Ausführung zu verzichten. Es ergibt sich eine deutliche Absenkung der erforderlichen Wanddicken gegenüber den konventionellen Bemessungsverfahren. Selbstverständlich können auch Innenwände in aufgehenden Geschossen mit diesem Verfahren bemessen werden. Unterschiedliche Wandhöhen werden unter Berücksichtigung von aussteifenden Querwänden im Bereich von Knicklängen zwischen 2,00 und 3,00 m nachgewiesen. Alle Nachweise wurden auf Grundlage der hochbautypischen Betonfestigkeitsklassen C 20/25 und C 25/30 durchgeführt, gelten aber ebenso für höherfeste Betone, da die Bauteiltragfähigkeit bei Einsatz höherer Betondruckfestigkeiten nur langsam anwächst.

3 Bei Verwendung der Bemessungsnomogramme werden alle nach DIN erforderlichen Nachweise eingehalten: - Nachweis der Interaktion Moment Normalkraft, einschließlich der Berücksichtigung der Effekte nach Theorie II. Ordnung (DIN , Abschnitt (8.6.7)) - Querkraftnachweis für unbewehrte Betonbauteile (DIN , Abschnitt (10.3.7(4))) - Schubnachweis Fuge Kellerwand - Bodenplatte (DIN , Abschnitt (3)) - Begrenzung der Schlankheit (DIN Abschnitt, (8.6.7(2))) - Sicherstellung der Duktilität (DIN Abschnitt, (5.3.2(4))) - Mindestwanddicke für Ortbeton (DIN , Tabelle 32) Der wesentliche Vorteil einer Bemessung mit den beschriebenen Nomogrammen besteht neben der einfachen Handhabung im Ansatz des statischen Systems für den Interaktionsnachweis von Moment und Normalkraft bei Kelleraußenwänden unter Erddruck. Anders als in einer konventionellen Bemessung nach DIN wird die Verformung einer Kelleraußenwand über die Verdrehung der Wandenden berücksichtigt, so dass sich Rückstellmomente infolge außermittiger Normalkraft am Wandfuß und kopf ergeben (Bild 2). Ähnlich wie bei Mauerwerk, bei dem eine Ausmitte von bis zu h/3 angesetzt werden darf, verfügt auch unbewehrter Beton über eine ausreichende Verformbarkeit, um die beschriebenen Rückstellmomente zu aktivieren. Die Höhe dieser Momente wurde in der Typenstatik wegen fehlender normativer Regelungen durch Ansatz einer maximalen Ausmitte von e = h/6 beschränkt. Durch den Ansatz der rückdrehenden Momente wird das Bemessungsmoment in Feldmitte deutlich verringert (Bild 2) und die rechnerische Traglast unbewehrter Wände unter Normalkraft und Erddruck erhöht. Hieraus ergibt sich bei vorgegebenen Lasten eine Verringerung der erforderlichen Wanddicke. Als Eingangswerte für die Bemessungsnomogramme dienen die am beidseitig gelenkig gelagerten Einfeldträger nach Theorie I. Ordnung ermittelten Schnittgrößen. Dabei sind alle Lastkombinationen nach DIN unter Ansatz der entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerte zu berücksichtigen.

4 Bemessung als Fertigteil Die beschriebene Nachweisführung ist grundsätzlich auf unbewehrte bzw. mit Transportbewehrung schwach bewehrte Fertigteilwände übertragbar. Dabei ist sicherzustellen, dass die Verformbarkeit der Wand unter Erddruck im gleichen Maße gegeben ist wie die einer unbewehrten Ortbetonwand, um die günstigen Rückstellmomente an Wandfuß und kopf zu aktivieren. Zusätzlich muss die Schubübertragung zwischen Wandkopf und Kellerdecke bzw. Wandfuß und Bodenplatte nachgewiesen werden. Eine praxisgerechte Lösung hierzu stellt ein Mörtelbett dar. Wie bei unbewehrten Wänden aus Ortbeton ist auch bei Einsatz von Fertigteilen keine vertikale Anschlussbewehrung an den Wandenden vorzusehen. Es ist zu untersuchen, ob der Teilsicherheitsbeiwert auf der Materialseite je nach Art und Querschnitt der Transportbewehrung von c = 1,8 für unbewehrten Beton auf c = 1,5 verringert werden kann. Die Mindestwanddicke für Fertigteile ist gegenüber Ortbeton um 2 cm geringer. Bemessung in Stahlfaserbeton Eine Bemessung in Stahlfaserbeton ist prinzipiell genauso möglich wie für unbewehrten Beton. Die Berücksichtigung der Zugtragfähigkeit des Stahlfaserbetons ist wie für unbewehrten Beton nicht möglich. 20 h=0,35 h=0,30 h=0,25 h=0,20 h=0, Moment m Ed [knm/m] h=0,35 h=0,30 h=0,15-0,20 h=0, Querkraft v Ed [kn/m] h=0, Normalkraft n Ed [kn/m] Bild 1 Bemessungsnomogramm Kelleraußenwand nach DIN , Knicklänge l 0 = 2,00 m

5 e=h/6 q Gelände Wandkopf (WK) n WK m WK = n WK h/6 ohne Ansatz rückdrehende r Momente h l m Ed,max Wandfuß (WF) e h e q n WF m WF = n WF h/6 e = h/6 m Ed Bild 2 Verformungsfigur einer Kelleraußenwand, statisches System mit Belastung und Momentenverlauf Anwendungsbereich Die Einsatzmöglichkeiten von unbewehrten Wänden beschränken sich nicht alleine auf durch Erddruck belastete Kelleraußenwände, sondern lassen sich auf Innen- und Geschosswände erweitern. Die vorgestellten Bemessungsnomogramme aus der Typenstatik sind jedoch nur für Kelleraußen- und -innenwände gültig. Gegebenenfalls sind insbesondere für eine mögliche Windsogbeanspruchung gesonderte Nachweise zu führen. Voraussetzung für die Aufnahme der Momentenbelastungen an unbewehrten Kelleraußenwänden ist eine ausreichende Normalkraft. Im Bereich von großen Fensteröffnungen im Erdgeschoss oder bei einachsig gespannten Platten fehlt diese Auflast am Wandkopf. Hier kann örtlich begrenzt eine Betonstahlbewehrung angeordnet werden, die dafür sorgt, dass die Momente infolge Erddruckbelastung sicher aufgenommen werden können. Auch eine Kombination mit Fertig- und Teilfertigteilen ist mit einer unbewehrten Ortbetonwand möglich. Die Bauweise kann sehr flexibel eingesetzt werden. Baubetriebliche Vorteile Durch die gegenüber DIN günstigere Bemessung der Wände nach der neuen Typenstatik ergeben sich geringere erforderliche Wanddicken und damit deutliche

6 Kosten- und Raumgewinne. Der Wegfall der Bewehrung bedeutet durch die Einsparung der zeit- und personalaufwendigen Bewehrungsarbeiten und des Materials eine weitere Verringerung der Baukosten. Das Einbringen und Verdichten des Betons wird durch den Wegfall der Bewehrung erheblich erleichtert und das Oberflächenergebnis der Wandbauteile tendenziell verbessert. Bei planmäßiger Ausführung einer entsprechenden Oberflächenqualität an der Nutzungsseite der Wandbauteile kann gegenüber einer Ausführung in Mauerwerk auf eine zusätzliche Putzschicht verzichtet werden. Weiterhin erlaubt die Ausführung gestalterisch hochwertiger Sichtbetonflächen individuelle Gestaltungsmöglichkeiten, die durch Mauerwerk und Innenputz nicht darstellbar sind. Betonaußenwände von Wohn- und Aufenthaltsräumen erhalten üblicherweise zusätzliche Wärmedämmung (DIN4108). Die Wärmedämmung des Gebäudes kann durch den Einsatz eines unbewehrten Leichtbetons geleistet oder unterstützt werden. Die mechanischen Eigenschaften des Leichtbetons entsprechen etwa denen für Normalbeton, so dass das vorgestellte statische System mit den rückdrehenden Momenten an Wandkopf und Wandfuß prinzipiell ebenso angewendet werden kann. Der Gültigkeitsbereich der Typenstatik wird damit jedoch verlassen. Schalungsanker Sturzbewehrung Montagehilfe Fensterelement Schalung Schalungsträger Bild 3 Schnitt durch ein Sturz-Fensterelement mit Schalung Der Einsatz intelligenter Systemschalungen ermöglicht ein leichtes und schnelles Einschalen. So können auch übergeschosshohe Wände in einem Arbeitsgang

7 hergestellt werden. Die Herstellung von Fenster- oder Türöffnungen ist durch Anordnung vorgefertigter Einbauteile und durch den Wegfall der Bewehrungsarbeiten besonders problemlos zu realisieren, da die Einbauteile unmittelbar an der Schalhaut befestigt werden können. Bei Ausnutzung der möglichen hohen Betonfestigkeiten können vor allem Innenwände sehr schlank ausgeführt werden. Wandstärken von cm sind für tragende Innenwände ohne weiteres zu erreichen. Im Mauerwerksbau dagegen sind für tragende Wände Dicken von h 17 5 cm üblich und meist auch erforderlich. Literatur DIN (07.01): Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton Teil 1 Bemessung und Konstruktion. Berlin - Köln, Beuth Verlag. Ausgabe Juli Hegger, J.; Will, N.; Niewels, J.: Kellerwände aus unbewehrtem Beton, Beton- und Stahlbetonbau 99, Heft 2; S , Berlin, Verlag W. Ernst & Sohn Typenstatik Bemessungsnomogramme für Kellerwände aus unbewehrtem Beton im Wohnungsbau (Bemessung nach DIN , Ausgabe 2001), Prüfbescheid Nr. II B , Bundesverband der Deutschen Transportbetonindustrie e.v., Düsseldorfer Straße 50, Duisburg, DIN 4108: Wärmeschutz im Hochbau, Teile 1-5. Berlin - Köln, Beuth Verlag. Ausgabe August Autoren: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger ist Inhaber des Lehrstuhls und Instituts für Massivbau der RWTH Aachen, Dipl.-Ing. Jörg Niewels und Dipl.-Ing. Tobias Dreßen arbeiten dort als wissenschaftliche Mitarbeiter, Dipl.-Ing. Martin Peck, BetonMarketing Süd GmbH Zeichen (Fließtext) Für technische Rückfragen: Dipl.-Ing. Martin Peck, BetonMarketing Süd GmbH T: Ansprechpartner für die Medien: BetonMarketing Deutschland GmbH Michael Buchmann Steinhof 39, Erkrath Tel