3.3 Mehrgeschossige Skelettbauten Allgemeines

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1 Seite Mehrgeschossige Skelettbauten Allgemeines Der vorrangige Anwendungsbereich von Skelettbauten aus Fertigteilen sind Büro- und Verwaltungsgebäude mit regelmäßigen Grundrissen. Unflexible Bausysteme haben wegen der eingeschränkten Gestaltungsmöglichkeiten heute praktisch keine Bedeutung mehr. Deshalb sind Kenntnisse zum Zusammenwirken unterschiedlicher Fertigteile beim wirtschaftlichen Entwurf im modernen Skelettbau erforderlich. Skelettbauwerke sind in der Regel mehrgeschossige Hochbauten, die aufgrund ihrer regelmäßigen Systematik aus Betonfertigteilen hergestellt werden können. Einsatzgebiete sind Büro- und Verwaltungsgebäude-, Schul- und Universitätsgebäude, Krankenhäuser, Einkaufsmärkte, Parkhäuser sowie der Geschosswohnungsbau. Im Unterschied zur Schottbauweise werden die Vertikallasten in erster Linie durch Stützen abgetragen. Die bauphysikalischen Vorteile der Massivbauweise insbesondere beim Brandschutz haben in Deutschland zu einer fast ausschließlichen Anwendung von Stahlbeton im Skelettbau geführt. Ziele sind eine hohe Ausführungsqualität und kurze Bauzeit durch rationelle Vorfertigung. Durch die Vorfertigung ergibt sich jedoch im Vergleich zur teilweise durch einen erhöhten Planungsaufwand aufgewogen. Entscheidend ist daher ein fertigteilgerechter Entwurf, um das Zeit- und Kosten-Potenzial der Vorfertigung zu nutzen. Hierbei ist zu erwarten, dass die neuen Möglichkeiten der Informationstechnologie z.b. zur Vernetzung der Planer unterschiedlicher Gewerke und moderne Architekturkonzepte mit erhöhten Anforderungen zu einer breiteren Anwendung der Vorfertigung führen Tragsysteme und Lastabtragung Als wesentliche Konstruktionselemente sind Deckenelemente, Stützungselemente und die Gründung zu nennen. Als Tragsysteme werden Bauwerke mit durchgehenden oder eingeschossigen Stützen, die Großtafelbauweise und Raumzellenbauweise unterschieden. In Bild 3-26 sind Beispiele dargestellt. Die wesentlichen Einwirkungen sind Eigengewicht, Nutzlasten, Windlasten und Schneelasten. Die Abtragung von Horizontallasten erfolgt nur bei Gebäuden mit bis zu 2 Stockwerken in der Regel über eingespannte Stützen. Bei höheren Bauwerken werden zur horizontalen Lastabtragung Wandscheiben, Treppenhauskerne oder Rahmen herangezogen. Aus Nutzungsgründen (Fluchtwege, Brandschutz) ist die Anordnung von Kernen die Regelausführung. Mögliche Anordnungen der Kerne und die zugehörige Bewertung zeigt Bild 3-27.

2 Seite 30 a) Durchgehende Stützen b) Großtafelbauweise c) Eingeschossige Stützen d) Raumzellbauweise Bild 3-26: Tragsystem von Skelettbauten aus Betonfertigteilen (Quelle: FDB) a) gut b) ungünstig wegen großer Torsionsbeanspruchung c) ungünstig wegen Zwängungen zwischen den Kernen Bild 3-27: Anordnung und Bewertung von Aussteifungskernen in Skelettbauten aus Betonfertigteilen (Quelle: FDB) Die vertikale Lastabtragung in Skelettbauten erfolgt über Deckenplatten (TT-, Trog-, Hohlplatten, vorgefertigte Filigranplatten), Unterzüge (ev. Nebenunterzüge ), Stützen und Fundamente. Bei Verwendung von weitgespannten Trogplatten kann u.u. auf Unterzüge verzichtet werden. Das Bild 3-28 zeigt einige im Skelettbau übliche Konstruktionslösungen.

3 Seite 31 a) Konstruktion mit TT Deckenplatten, Unterzug mit Linienkonsole und 2-geschossigen Stützen; Ortbetonverguss zw. den Platten und über dem Unterzug b) Konstruktion mit TT - Deckenplatten, Unterzug mit umgekehrtem Trogquerschnitt und 1- geschossigen Stützen; Ortbetonverguss zwischen den Platten c) Konstruktion mit Trogdeckenplatten mit direkter Lagerung auf den Stützenkonsolen; Ortbetonverguss zw. den Platten d) Konstruktion mit vorgefertigten (Filigran-) Deckenplatten, Neben- und Hauptunterzügen, Stützen 1- oder mehrgeschossig; Ortbetonverguss der gesamten Decke e) Konstruktion mit Ortbeton- oder vorgefertigten (Filigran-) Deckenplatten auf Hauptunterzügen und mehrgeschossigen Stützen f) Konstruktion mit Ortbeton- oder vorgefertigten (Filigran-) Deckenplatten auf durchlaufenden Gerber Unterzügen und mehrgeschossigen Stützen Bild 3-28: Beispiele von mehrgeschossigen Skelettkonstruktionen Wesentliche Bauteile für die Lastabtragung sind somit Deckenplatten, Unterzüge und Stützen. Die Deckenplatten mit und ohne Ortbetonergänzung werden fast immer einachsig gespannt. Kennzeichnend für ein Tragwerk sind die Verbindungen von 1. Deckenplatte Unterzug 2. Unterzug Stütze 3. Stütze Stütze (Stützenstoß) Während für 1) und 2) zahlreiche Varianten üblich sind, hat sich für c) im Industrie- und Gewerbebau die über möglichst viele Geschosse durchlaufende Stütze als Standardlösung herausgebildet. Die Unterzüge werden dabei als Einfeldträger auf Konsolen aufgelagert.

4 Seite 32 Wenn im Falle großer Rastermaße und großer Nutzlasten die Standardlösung mit ausgeklinkten Unterzügen aus Schubspannungsgründen nicht möglich ist, muss der Unterzug in voller Höhe auf die Stützenkonsole geführt werden oder der Unterzug ist über die eingeschossige Stütze durchlaufend auszubilden. In den folgenden Abschnitten werden einzelne Fragen zur Bemessung und konstruktiver Ausbildung von Unterzügen und Stützen bei mehrgeschossigen Skelettbauten behandelt. Unterschiedliche Deckensysteme werden ausführlich in Abschnitt 4 erläutert. Für die Bemessung und konstruktive Durchbildung von Einzelfundamenten gilt Abschnitt Unterzüge Bei mehrgeschossigen Skelettbauten kommen Unterzüge mit unterschiedlichen Querschnittsformen zur Anwendung. Die wichtigsten Ausbildungsformen von Fertigteilunterzügen mit ihren Vor- und Nachteilen sind in der Tabelle 3.3 zusammengestellt. Tabelle 3.3: Zusammenstellung der wichtigsten Querschnittsformen von Unterzügen mit ihren Vor- und Nachteilen Unterzüge werden in der Regel als Einfeldträger gelenkig auf Konsolen zwischen den durchlaufenden Stützen aufgelagert. Wegen der Konsolen im Eckbereich werden die Unterzüge häufig ausgeklinkt. Bei der konsolfreien Auflagerung auf geschosshohen Stützen kann der Unterzug als statisch bestimmte Durchlaufträger (Kragträgerkette) ausgebildet werden. Hierzu werden die Unterzüge mit Kragarm neben der Stütze ausgeklinkt. Der jeweils anschließende Unterzug wird gelenkig eingehängt.

5 Seite 33 Bei der Ausbildung ohne Konsolen können die Unterzüge auch über den Stützen gestoßen werden. Das statisch unbestimmte Durchlaufsystem ergibt sich durch den Ortbetonverguss im Stützenbereich und eine obere Stützbewehrung die z.b. im ergänzten Ortbeton der Deckenplatte eingelegt wird. Im Bauzustand ist hierbei eine Montageabstützung des Unterzuges erforderlich. Die einfachste Querschnittsform stellt der Rechteckquerschnitt dar, ist jedoch aus fertigungstechnischen Gründen nach Möglichkeit durch einen Trapezquerschnitt (starre Schalung) zu ersetzen. Unterzüge können aber auch mit und ohne Ortbetonergänzung hergestellt werden. Bei der Ausbildung als Halbfertigteilunterzug mit Ortbetonergänzung kann die Decke ebenfalls als Durchlaufsystem ausgebildet werden. Gleichzeitig wirkt der Unterzug durch die monolithisch angeschlossenen Deckenplatte als statisch günstigerer Plattenbalkenquerschnitt. Bild 3-29 Plattenbalkendecke aus Fertigteilträger, Gitterträgerdecke und nachträglich ergänzter Ortbetonschicht Unterzüge werden durch relativ große Querkräfte beansprucht. Schwächungen durch Installationsöffnungen und Ausklinkungen am Lager können daher zu kritischen Punkten werden. Bei ausgeklinkten Halbfertigteilunterzügen ist besonders zu beachten, dass im Bauzustand der Fertigteilquerschnitt im Konsolbereich wegen der fehlenden Ortbetonergänzung klein ist. Hier ist häufig eine Montageabstützung erforderlich. Alternativ kann der Halbfertigteilunterzug im Konsolbereich vollständig als Fertigteil hergestellt werden. Die Ausbildung der Knotenpunkte ist an eine Vielzahl von Anforderungen geknüpft. Neben der statisch - konstruktiven Gesichtspunkte sind Randbedingungen der Fertigung und Montage zu berücksichtigen. Weiterhin beeinflussen gestalterische und bauphysikalische Randbedingungen wie auch Anforderungen der Installationsführung die Knotenpunktgestaltung. Die prinzipiellen Möglichkeiten der Installationsführung bei unterschiedlicher Knotenausbildung stellt das Bild Bild 3-30 dar.

6 Seite 34 Bild 3-30: Möglichkeiten der Zuordnung von Tragwerk und Installation Für die Auflagerung der Bauteile finden je nach Verwendungszweck und Beanspruchung verschiedene Zwischenlagen Verwendung (z.b. Elastomerlager oder -streifen), um Bauteilverformungen, z.b. aus Durchbiegung, auszugleichen und die Auflagerkraft planmäßig zu übertragen. In vielen Fällen, z.b. beim Stoß von Stützen oder von Wandelementen, wird auch ein Mörtelbett ausgebildet, um die kraftschlüssige Auflagerung ohne Kantenabplatzung sicherzustellen. Um die Konstruktionshöhe klein zu halten werden häufig Rechteckträger mit einem beidseitigen unteren Konsolband angewendet (Bild 3-31). Diese Querschnittsform ist zwar fertigungstechnisch schwierig, sie ist jedoch häufig nicht zu umgehen. Das untere Konsolband zur Auflagerung von Deckenplatten erfordert eine zusätzliche Aufhängebewehrung im Steg. Seine Abmessungen sollten cm nicht unterschreiten.

7 Seite 35 a) b) Bild 3-31: Rechteckquerschnitt mit einem unteren Konsolband nach dem Typenprogramm Fertigteilbau In einigen Skelettsystemen findet der umgekehrte Trogquerschnitt Anwendung. Die Trogträger lagern auf seitlichen Stützenkonsolen (vgl. Bild 3-28b) und Bild 3-32). Zwischen den beiden Stegen besteht die Möglichkeit der Installationsführung. Bei Anwendung von TT-Platten, die über ausgeklinkte Auflager oder über den Spiegel gelagert sind, können niedrige Konstruktionshöhen erreicht werden. Bild 3-32: Anschluss umgekehrter Trogträger an eine Mittelstütze Konstruktive Details der Anschlusspunkte von Unterzügen zeigen Bild 3-33 und Bild 3-34.

8 Seite 36 a) b) Bild 3-33: Ausbildung der Auflagerbereiche von Unterzügen Bild 3-34: Möglichkeiten der Herstellung torsionssteifer Auflagerung von Unterzügen

9 Seite 37 In Fertigteilbauten werden Unterzüge in der Regel als statisch bestimmt gelagerte Einfeldträger ausgebildet. Bei Deckenkonstruktionen mit einer nachträglichen Ortbetonergänzung können jedoch auch Durchlaufträger oder biegesteife Rahmenecken hergestellt werden. Bei Anwendung von z.b. Gitterträgerdecken (vgl. Bild 3-29) kann eine durchlaufende Stützbewehrung problemlos eingebaut werden, so dass für die Abtragung der Ausbau- und Verkehrslasten ein durchlaufendes statisches System vorhanden ist. Eine Möglichkeit der Herstellung einer biegesteifen Einspannung in einer Stütze zeigt das Bild Hier wird die Bewehrung des Unterzuges über Schraubverbindungen an die Bewehrung der Fertigteilstütze angeschlossen. Bei der Anordnung der Schraubverbindungen auf beiden Seiten einer Mittelstütze kann eine Durchlaufwirkung der angrenzenden Unterzüge hergestellt werden. Bild 3-35: Beispiel eines biegesteifen Anschlusses eines Unterzuges mit Ortbetonergänzung an eine Fertigteilstütze Stützen Allgemeines Der Standardquerschnitt von Fertigteilstützen aus Stahlbeton ist der Rechteckquerschnitt. Jedes Abweichen von der Rechteckform hat zusätzliche Kosten bei Herstellung, Transport und Montage zur Folge. Aus gestalterischen Gründen ist es jedoch auch üblich, Fertigteilstützen als Rundstützen auszubilden. Konsolen sind möglichst nur an zwei gegenüberliegenden Seiten anzuordnen. Drei- oder vierseitige Konsolen sind wegen der erschwerten Fertigung nur in begründeten Ausnahmefällen vorzusehen. Einige Beispiele zeigt Bild 3-36.

10 Seite 38 a) eingeschossig b) mehrgeschossig (durchlaufend) Bild 3-36: Beispiele für Betonfertigteilstützen im Skelettbau (Quelle: FDB) Im Skelettbau sind über mehrere Geschosse durchlaufende Stützen besonders wirtschaftlich. Vorteilhaft sind hierbei: statisch günstiges System (Tragreserven bei Überbeanspruchung) geringe Anzahl von Hub- und Justiervorgängen Nachteilig sind: große Länge und hohes Transportgewicht der Stützen zusätzlicher Stahlverbrauch für Transport und Montage Bei höheren Gebäuden mit mehr als drei Geschossen müssen die Stützen gestoßen werden. Zur Verbesserung der Montageaussteifung sollten die Stützenstöße versetzt werden. Bei Systemen mit durchlaufenden Unterzügen werden auch geschosshohe Stützen verwendet. Vorteilhaft sind hierbei: geringe Länge und niedriges Transportgewicht der Stützen großer Wiederholungsfaktor Nachteilig sind: eine Vielzahl zu montierender und justierender Einzelteile die Stützen benötigen in jedem Geschoss eine seitliche Montageabstützung

11 Seite 39 Für die Einspannung im Bauzustand werden Köcher- und Blockfundamente verwendet, in welche die Stützen mit 1,5 d bis 2,0 d (d = Stützenbreite) einbinden. Zur Vertikallastübertragung werden die Stützen im Einbindebereich häufig profiliert. Bei Fundamentgrößen kleiner als 3,50 m können die Stützen auch mit angeformten Fundamenten im Werk hergestellt werden. Bei mehrgeschossigen Skelettbauten wird i.a. die rechteckige Querschnittsform bevorzugt und ein konstanter Querschnitt über alle Geschosse angestrebt (einheitliche Auflagerungsund Anschlusspunkte). Stützen mit einem runden Querschnitt sind grundsätzlich möglich, müssen jedoch in der Regel in einer stehenden Schalung gefertigt werden, wodurch die Stützenhöhe begrenzt wird. Eine andere Möglichkeit der Herstellung runder Stützen stellen Schleuderverfahren dar, sie erfordern allerdings spezielle Einrichtungen im Fertigteilwerk. Bei Außenstützen, die einen Bestandteil der Fassade bilden, können auch architektonisch gestaltete aufwendigere Querschnitte verwendet werden. Geschossbauten mit bis zu 5 Stockwerken werden in der Regel mit durchgehenden Stützen ausgeführt. Bei höheren Bauwerken mit gestoßenen Stützen sollten die Stöße Geschossweise versetzt werden. Bei der Bemessung von Fertigteilstützen sind unterschiedliche Lagerungsbedingungen bei Transport- und Montagezuständen zu berücksichtigen Stützenstöße Fertigteilstützen können trocken oder über ein Mörtelbett gestoßen werden. Die sog. trockenen Fugen ohne Zwischenlagen können angewendet werden, wenn die mittlere Betondruckspannung den Wert 0,4 f cd nicht überschritten und die erforderliche Qualität der Bauausführung im Werk und auf der Baustelle erreicht wird. Bei derartigen Fugen ist allerdings die Anordnung einer zusätzlichen Zwischenlage z.b. einer Weichfaserplatte o.ä. empfehlenswert. In der Ausbildung der Druckfugen unterscheidet man entsprechend Bild 3-37 weich- und hartgebettete Fugen. Weichgebettete Fugen liegen vor, wenn der E-Modul des Fugenmaterials 70 % des E- Moduls der angrenzenden Bauteile nicht überschreitet. Hier entstehen in den gestoßenen Bauteilen Stirnzugkräfte infolge seitlichen Ausweichens des Fugenmaterials, die durch entsprechende Bewehrung in den Bauteilen und ggf. in der Fuge selbst abzudecken sind. Bei hartgebetteten Fugen (E-Modul des Fugenmaterials Å 70 % des E-Moduls der angrenzenden Bauteile) werden Querzugspannungen im Lasteintragungsbereich der benachbarten Bauteile geweckt. Diese sind durch eine Spaltzugbewehrung abzudecken.

12 Seite 40 a) weichgebettete Fuge, Querzugspannungen durch seitliches Ausweichen des Fugenmaterials b) hartgebettete eingeschnürte Fuge, Querzugspannungen durch Einschnürung c) hartgebettete vollflächige Fuge, Querzugspannungen durch Umlenkung des Traganteils der Längsstäbe und des Betonmantels Bild 3-37: Lagerungsarten von Druckfugen Bei hartgebetteten Stützenstößen sollte die Druckfestigkeit des Fugenmaterials mindestens das Doppelte der Festigkeit der angrenzenden Bauteile betragen. Das Verhältnis der Fugendicke h j zur Fugenbreite b j sollte den Wert 1 / 7 nicht überschreiten. Für die Fugendicke gelten außerdem folgende Bedingungen: h j Ç 2 cm bei unbewehrten Fugen h j Ç 4 cm, h j Ç 1 / 7 b j bei bewehrten Fugen mit einer mittig liegenden Matte (Ø 5 mm, a = 50 mm). Die bei einem vollflächigen hartgebetteten Stoß maximal aufnehmbare Stützennormalkraft N Rd beträgt N Rd É á Å Ö Ö f cd Ö A Ü c f yd Ö A s Ñ mit: Å Abminderungsfaktor nach Bild 3-38 A c Querschnittsfläche des Betons A s Querschnittsfläche der Stützenbewehrung à f cd = 0,85 f cd Langzeitbetonfestigkeit f yd Bemessungswert der Stahlfestigkeit (f yd = 400 N/mm² bei S 500) (3.17)

13 Seite 41 Bild 3-38: Abminderungsfaktor Å für die aufnehmbare Bemessungskraft zentrisch belasteter Stützenstöße in Abhängigkeit vom Längsbewehrungsgrad Ç l und der Mörtelfugendicke h j Die erforderliche Querzugbewehrung am Stützenfuß ergibt sich bei symmetrisch bewehrten Querschnitten und Bewehrung mit Stahlmatten zu: A s,q = É 0,21Ö Ö f cd Ö A f yd M Ü f yd Ö A s Ñ, (3.18) wobei die Mantelfläche A M nach Bild 3-39 bestimmt wird. Bei einer Querzugbewehrung A s,q mit Bügeln sollte diese wegen der Verteilung am Stützenfuß um 20 % erhöht werden.

14 Seite 42 a) b) a) dünne Fugen mit d m 2 ü A M = 2 ü (d + b 2 ü) b) dicke Fugen mit d m > 2 ü A M = d m (d + b d m ) Bild 3-39: Bestimmung der Mantelfläche A M Die Querbewehrung A s,q sollte im Bereich des Stützenfußes nach Bild 3-40 verteilt werden. Bild 3-40: Verteilung der Querbewehrung A s,q im Stützenfuß

15 Seite 43 Auf eine besondere Querzugbewehrung bei hartgebetteten vollflächigen Stützenstößen kann verzichtet werden, wenn: N Ed Ç A Ö Ö f. c cd mit: N Ed Bemessungswert der Stützenlängskraft A c Querschnittsfläche des Betons â f cd Langzeitbetonfestigkeit (= 0,85 f cd ) Weitere Informationen zur Ausbildung von hartgebetteten Stützenstößen finden sich im DAfStb Heft 316. Zur Ausbildung von Stößen mit Elastomerlagern siehe DAfStb Heft Stützenkonsolen Konsolen sollten nach Möglichkeit an zwei gegenüber liegenden Seiten der Stütze angeordnet werden (einfache Schalung). Eine oben aufgesetzte dritte Konsole ist möglich. Vierseitige Stützenkonsolen sollten aufgrund der erschwerten Herstellung nur in Ausnahmefällen vorgesehen werden. Das Bild 3-41 zeigt die Kraftübertragung und Bewehrungsführung bei einer einseitigen Stützenkonsole. a) Bild 3-41: Ausbildung einer einseitigen Stützenkonsole b) Zur Erzielung eines ausreichenden Auflagers beträgt die Länge der Stützenkonsole mindestens 20 cm. Die Höhe der Konsole richtet sich nach den jeweiligen statischen Erfordernissen. Die Höhe am Stützenanschnitt sollte jedenfalls 20 cm nicht unterschreiten. Bei ausgeklinkten

16 Seite 44 Unterzügen (untere Lösung) sollte die Konsolhöhe d/2 betragen. Eine kleinere Höhe als d/2 ist in vielen Fällen aus statischen Gründen nicht möglich. Wenn ein durchlaufendes Konsolband zur Plattenauflagerung notwendig ist, kann eine umlaufende Kranzkonsole an der Stütze erforderlich werden. Detaillierte Informationen zur Bemessung und konstruktiver Durchbildung von Konsolen sind im Umdruck Massivbau II enthalten Fassaden Fassaden haben sowohl gestalterische Aspekte als auch konstruktive und bauphysikalische Randbedingungen zu erfüllen. Dabei ist zwischen tragenden und nichttragenden Fassaden zu unterscheiden. Tragende Fassaden müssen neben den bauphysikalischen und gestalterischen Aufgaben auch Vertikal und Horizontallasten in den Baugrund übertragen. Bei den tragenden Fassaden sind zu nennen: Bandfassade Lochfassade Beispiel zeigt Bild a) Tragende Lochfassade b) Bandfassade Bild 3-42: Beispiel für Fassaden aus Fertigteilen (Quelle: FDB)

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