Verbundstützen im Hochbau - Vorteile, Nachteile, Feuerwiderstandsdauern

Autoren: Sascha Debbertin, Björn Schrader (W S WESTPHAL Ingenieurbüro für Bautechnik GmbH, Braunschweig)

(NL/8334714184) Neben dem klassischen Stahl- und Massivbau kommt der Verbundbau auf vielen Baustellen immer häufiger zum Einsatz. Vor allem im Bereich von hohen und multifunktionalen Gebäuden hat sich dieser aufgrund seiner Vorzüge, schlanke und hochtragfähige Bauteile, etabliert. Man unterscheidet im Verbundbau die Verbunddecke, die Verbundträger und die Verbundstützen. Dabei sind für die Verbundstützen die bereits angesprochenen Vorzüge, schlank und hochtragfähig, ein ganz entscheidendes Kriterium für deren Einsatz. Aufgrund dessen soll auf diese nachfolgend etwas näher eingegangen werden.

Die anzuwendende Norm für Verbundstützen ist die DIN EN 1994 (EC 4). In dieser Norm sind zum einen die unterschiedlichen Ausführungsvarianten von Verbundstützen geregelt und zum anderen ist festgelegt, wie diese zu bemessen sind. Die nachfolgenden Verbundstützenquerschnitte (Bild: http://ws-statik.de/blog.htm) sind demnach ausführbar:

- Vollständig einbetonierte Querschnitte,
- teilweise einbetonierte Querschnitte (Kammerbeton),
- betongefüllte Querschnitte,
- in Hohlprofile einbetonierte Stahlprofile.

Durch das Zusammenwirken der drei Baustoffe Baustahl, Beton und Betonstahl (nicht zwingend) werden die Vorteile der beiden Bauweisen Stahlbeton und Stahlbau vereint. Große Lasten können so über kleine Querschnitte abgetragen und die Brandwiderstandsdauer erhöht werden.
Vorteile von Verbundstützen:

- Erhöhung der Tragfähigkeit oder Verringerung der Abmessungen gegenüber einer reinen Bauweise in Stahl oder Stahlbeton,
- es ergeben sich zahlreiche Abstufungsmöglichkeiten, um die Tragfähigkeit den unterschiedlichen Belastungen in den verschieden Geschossen anzupassen (so sind im Kellergeschoss und Dachgeschoss gleiche Stützenabmessungen ausführbar),
- Feuerwiderstandsdauer verbessert (sehr hohe Feuerwiderstandsdauer von R 180 möglich),
- einfache Herstellung,
- Stahlflächen können sichtbar bleiben, keine Verkleidung oder Anstrich zur Erfüllung des Brandschutzes notwendig,
- stahlbaumäßige Anschlussdetails weiterhin ausführbar,
- schnelle Montage,
- bei ausbetonierten Hohlprofilen dient der Stahlmantel als verlorene Schalung (wirtschaftlich).

Nachteile von Verbundstützen:

- Höhere Schalungskosten bei vollständig einbetonierten Stahlträgern,
- anspruchsvolle konstruktive Ausbildung der Anschlüsse bei vollständig einbetonierten Stahlträgern.

Ein Beispiel zur Verdeutlichung eines der entscheidenden Vorteile, "erhöhte Tragfähigkeit bzw. Verringerung der Abmessungen gegenüber einer reinen Bauweise" finden Sie unter http://ws-statik.de/blog.htm.

Der zweite - ganz entscheidende - Aspekt für den Einsatz von Verbundstützen ist die erhöhte Brandwiderstandsdauer.

Feuerwiderstandsdauer von Verbundstützen im Hochbau

Verbundbauteile vereinen die Vorteile des Stahlbaus mit denen des Betonbaus. Dies gilt besonders für das Brandverhalten.

Ungeschützte herkömmliche Stahlkonstruktionen erreichen im Brandfall nur eine Feuerwiderstandsdauer zwischen 10 und 20 Minuten. Für eine Einstufung in eine Feuerwiderstandsklasse nach DIN 4102 Teil 4 müssen sie deshalb z. B. durch eine feuerfeste Bekleidung mit entsprechender Dicke geschützt werden. Bei Stützen betragen die Bekleidungsdicken je nach Feuerwiderstandsklasse mehrere cm. Die von Architekten bevorzugten schlanken Stützenquerschnitte lassen sich mit Bekleidungen daher kaum erreichen. Brandschutzanstriche bieten zwar einen Ausweg, haben allerdings nur geringen mechanischen Widerstand (nur ein lückenloser Feuerschutzanstrich ist wirkungsvoll) und eine optisch wenig überzeugende Oberflächenqualität.

Dagegen kann bei Stahlbetonstützen auf zusätzliche Bekleidungen verzichtet werden, wenn Mindestquerschnittsabmessungen und Mindestbetonüberdeckungen der tragenden Bewehrung eingehalten sind. Durch das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten eines Verbundbauteiles (Stahl, Beton und Bewehrung) können für Verbundstützen Feuerwiderstandsdauern von mehr als 180 Minuten (Feuerwiderstandsklasse R180) - ohne weitere Schutzmaßnahmen wie Bekleiden oder Beschichten - erreicht werden. Alle Querschnittskomponenten werden zur gemeinsamen Lastabtragung herangezogen. Während der Beton lediglich einen kleineren Anteil an der Gesamttragfähigkeit beisteuert, werden die gegenüber Brandeinwirkung empfindlichen Stahlquerschnitte durch den Beton im Brandfall geschützt.

Um für die Betonage der Stütze eine Schalung bereitzustellen und eine ansprechende Oberfläche zu schaffen, ist es häufig sinnvoll, bei Verbundstützen ein außen liegendes Stahlrohr zu verwenden. Als Verbundstützenquerschnitt liegt damit ein ausbetoniertes Hohlprofil vor (vgl. Beitrag März 2014). Neben der hohen Tragfähigkeit haben also auch gestalterische und baupraktische Gründe zu einer besonders großen Verbreitung dieses Verbundstützentyps beigetragen.

Die Tragfähigkeit von Verbundstützen aus rechteckigen oder runden betongefüllten Hohlprofilen bei Raumtemperatur hängt im Wesentlichen von der Wanddicke und der Stahlgüte der Profile ab. Obgleich das außen liegende Stahlrohr im Brandfall schnell an Tragfähigkeit verliert, trägt es zum Lastabtrag bei. Größere Wanddicken oder höherwertige Baustähle bringen bei Brandanforderungen keine Vorteile. Nur durch Einlegen einer nennenswerten Längsbewehrung mit ausreichender Betondeckung kann die Tragfähigkeit des betongefüllten Hohlprofiles wirksam gesteigert werden.

Der Nachweis der Feuerwiderstandsdauer der betongefüllten Hohlprofile erfolgt in erster Linie über Bemessungstabellen. Tabelle 4.7 der DIN EN 1994-1-2 gibt die Mindestanforderungen für die betongefüllten Hohlprofile je nach Feuerwiderstandsklasse an. Die in der Tabelle angegebenen Mindestabmessungen sind in etwa vergleichbar mit den Abmessungen reiner Stahlbetonstützen. Das verwundert nicht, da das Hohlprofil im Brandfall keinen Tragfähigkeitsbeitrag liefert.

DIN EN 1994-1-2 enthält ein vereinfachtes Berechnungsverfahren, das zum Nachweis der Feuerwiderstandsdauer betongefüllter Hohlprofile angewendet werden darf. Dieses ist für Handrechnung allerdings schlecht geeignet. Es ist aber zu erwarten, dass in zukünftigen Normenüberarbeitungen hier sicherlich Ergänzungen zu erwarten sind.

Alternativ besteht derzeit auch die Möglichkeit die Feuerwiderstandsdauer der Verbundstütze nach DIN EN 1992 (EC2-1-2) als Stahlbetonstütze unter Vernachlässigung des umgebenden Stahlprofils nachzuweisen.
Das Ingenieurbüro für Bautechnik ist seit 1952 ein kompetenter Partner für wirtschaftliche Tragwerkslösungen. Als leistungsstarkes Ingenieurbüro auf dem Gebiet der Bautechnik bietet das Büro ein durchgängiges Leistungsspektrum im statisch-konstruktiven Hoch- und Ingenieurbau, insbesondere für Büro- und Verwaltungs-Neubauten für Forschungs-, Versuchs- und Laboreinrichtungen.
1952 gründete Dr.-Ing. Robert Träger ein Büro für Baustatik, in dem überwiegend Konstruktionen des Stahlbeton- und Massivhaus berechnet wurden, u.a. 1957 einen Normalwindkanal für die Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt DLR. Ab 1966 unterstützte Dipl.-Ing. Hans-Dieter Nolte Dr. Träger als Partner. 1977 schied Dr. Träger aus Altersgründen aus - Herr Nolte führte das Büro alleine weiter. 1992 trat Dipl.-Ing. Hans-Georg Westphal als Partner in die Büroleitung ein, ab 1996 als alleiniger Inhaber. 1994 beginnt Dipl.-Ing. Holger Schliesenski im Büro und wird 2010 Mit-Geschäftsführer der neu gegründeten W S WESTPHAL Ingenieurbüro für Bautechnik GmbH. Damit wurden in guter Tradition wieder frühzeitig die Weichen für einen Fortbestand des Büros in der Zukunft gestellt: Der designierte Nachfolger tritt in die Büroleitung ein - lange bevor der bisherige Inhaber zum "alten Eisen" zählt.
Seit April 2011 ist das Büro durch TÜV Rheinland zertifiziert nach dem renommierten QualitätsStandard Planer am Bau.
W S WESTPHAL Ingenieurbüro für Bautechnik GmbH
Dipl.-Ing. H.-G. Westphal
Karlstraße 92
38106 Braunschweig
marhold@ws-statik.de
49 531 238090
http://www.ws-statik.de

Autoren: Sascha Debbertin, Björn Schrader (W S WESTPHAL Ingenieurbüro für Bautechnik GmbH, Braunschweig)

(NL/8334714184) Neben dem klassischen Stahl- und Massivbau kommt der Verbundbau auf vielen Baustellen immer häufiger zum Einsatz. Vor allem im Bereich von hohen und multifunktionalen Gebäuden hat sich dieser aufgrund seiner Vorzüge, schlanke und hochtragfähige Bauteile, etabliert. Man unterscheidet im Verbundbau die Verbunddecke, die Verbundträger und die Verbundstützen. Dabei sind für die Verbundstützen die bereits angesprochenen Vorzüge, schlank und hochtragfähig, ein ganz entscheidendes Kriterium für deren Einsatz. Aufgrund dessen soll auf diese nachfolgend etwas näher eingegangen werden.

Die anzuwendende Norm für Verbundstützen ist die DIN EN 1994 (EC 4). In dieser Norm sind zum einen die unterschiedlichen Ausführungsvarianten von Verbundstützen geregelt und zum anderen ist festgelegt, wie diese zu bemessen sind. Die nachfolgenden Verbundstützenquerschnitte (Bild: http://ws-statik.de/blog.htm) sind demnach ausführbar:

- Vollständig einbetonierte Querschnitte,
- teilweise einbetonierte Querschnitte (Kammerbeton),
- betongefüllte Querschnitte,
- in Hohlprofile einbetonierte Stahlprofile.

Durch das Zusammenwirken der drei Baustoffe Baustahl, Beton und Betonstahl (nicht zwingend) werden die Vorteile der beiden Bauweisen Stahlbeton und Stahlbau vereint. Große Lasten können so über kleine Querschnitte abgetragen und die Brandwiderstandsdauer erhöht werden.
Vorteile von Verbundstützen:

- Erhöhung der Tragfähigkeit oder Verringerung der Abmessungen gegenüber einer reinen Bauweise in Stahl oder Stahlbeton,
- es ergeben sich zahlreiche Abstufungsmöglichkeiten, um die Tragfähigkeit den unterschiedlichen Belastungen in den verschieden Geschossen anzupassen (so sind im Kellergeschoss und Dachgeschoss gleiche Stützenabmessungen ausführbar),
- Feuerwiderstandsdauer verbessert (sehr hohe Feuerwiderstandsdauer von R 180 möglich),
- einfache Herstellung,
- Stahlflächen können sichtbar bleiben, keine Verkleidung oder Anstrich zur Erfüllung des Brandschutzes notwendig,
- stahlbaumäßige Anschlussdetails weiterhin ausführbar,
- schnelle Montage,
- bei ausbetonierten Hohlprofilen dient der Stahlmantel als verlorene Schalung (wirtschaftlich).

Nachteile von Verbundstützen:

- Höhere Schalungskosten bei vollständig einbetonierten Stahlträgern,
- anspruchsvolle konstruktive Ausbildung der Anschlüsse bei vollständig einbetonierten Stahlträgern.

Ein Beispiel zur Verdeutlichung eines der entscheidenden Vorteile, "erhöhte Tragfähigkeit bzw. Verringerung der Abmessungen gegenüber einer reinen Bauweise" finden Sie unter http://ws-statik.de/blog.htm.

Der zweite - ganz entscheidende - Aspekt für den Einsatz von Verbundstützen ist die erhöhte Brandwiderstandsdauer.

Feuerwiderstandsdauer von Verbundstützen im Hochbau

Verbundbauteile vereinen die Vorteile des Stahlbaus mit denen des Betonbaus. Dies gilt besonders für das Brandverhalten.

Ungeschützte herkömmliche Stahlkonstruktionen erreichen im Brandfall nur eine Feuerwiderstandsdauer zwischen 10 und 20 Minuten. Für eine Einstufung in eine Feuerwiderstandsklasse nach DIN 4102 Teil 4 müssen sie deshalb z. B. durch eine feuerfeste Bekleidung mit entsprechender Dicke geschützt werden. Bei Stützen betragen die Bekleidungsdicken je nach Feuerwiderstandsklasse mehrere cm. Die von Architekten bevorzugten schlanken Stützenquerschnitte lassen sich mit Bekleidungen daher kaum erreichen. Brandschutzanstriche bieten zwar einen Ausweg, haben allerdings nur geringen mechanischen Widerstand (nur ein lückenloser Feuerschutzanstrich ist wirkungsvoll) und eine optisch wenig überzeugende Oberflächenqualität.

Dagegen kann bei Stahlbetonstützen auf zusätzliche Bekleidungen verzichtet werden, wenn Mindestquerschnittsabmessungen und Mindestbetonüberdeckungen der tragenden Bewehrung eingehalten sind. Durch das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten eines Verbundbauteiles (Stahl, Beton und Bewehrung) können für Verbundstützen Feuerwiderstandsdauern von mehr als 180 Minuten (Feuerwiderstandsklasse R180) - ohne weitere Schutzmaßnahmen wie Bekleiden oder Beschichten - erreicht werden. Alle Querschnittskomponenten werden zur gemeinsamen Lastabtragung herangezogen. Während der Beton lediglich einen kleineren Anteil an der Gesamttragfähigkeit beisteuert, werden die gegenüber Brandeinwirkung empfindlichen Stahlquerschnitte durch den Beton im Brandfall geschützt.

Um für die Betonage der Stütze eine Schalung bereitzustellen und eine ansprechende Oberfläche zu schaffen, ist es häufig sinnvoll, bei Verbundstützen ein außen liegendes Stahlrohr zu verwenden. Als Verbundstützenquerschnitt liegt damit ein ausbetoniertes Hohlprofil vor (vgl. Beitrag März 2014). Neben der hohen Tragfähigkeit haben also auch gestalterische und baupraktische Gründe zu einer besonders großen Verbreitung dieses Verbundstützentyps beigetragen.

Die Tragfähigkeit von Verbundstützen aus rechteckigen oder runden betongefüllten Hohlprofilen bei Raumtemperatur hängt im Wesentlichen von der Wanddicke und der Stahlgüte der Profile ab. Obgleich das außen liegende Stahlrohr im Brandfall schnell an Tragfähigkeit verliert, trägt es zum Lastabtrag bei. Größere Wanddicken oder höherwertige Baustähle bringen bei Brandanforderungen keine Vorteile. Nur durch Einlegen einer nennenswerten Längsbewehrung mit ausreichender Betondeckung kann die Tragfähigkeit des betongefüllten Hohlprofiles wirksam gesteigert werden.

Der Nachweis der Feuerwiderstandsdauer der betongefüllten Hohlprofile erfolgt in erster Linie über Bemessungstabellen. Tabelle 4.7 der DIN EN 1994-1-2 gibt die Mindestanforderungen für die betongefüllten Hohlprofile je nach Feuerwiderstandsklasse an. Die in der Tabelle angegebenen Mindestabmessungen sind in etwa vergleichbar mit den Abmessungen reiner Stahlbetonstützen. Das verwundert nicht, da das Hohlprofil im Brandfall keinen Tragfähigkeitsbeitrag liefert.

DIN EN 1994-1-2 enthält ein vereinfachtes Berechnungsverfahren, das zum Nachweis der Feuerwiderstandsdauer betongefüllter Hohlprofile angewendet werden darf. Dieses ist für Handrechnung allerdings schlecht geeignet. Es ist aber zu erwarten, dass in zukünftigen Normenüberarbeitungen hier sicherlich Ergänzungen zu erwarten sind.

Alternativ besteht derzeit auch die Möglichkeit die Feuerwiderstandsdauer der Verbundstütze nach DIN EN 1992 (EC2-1-2) als Stahlbetonstütze unter Vernachlässigung des umgebenden Stahlprofils nachzuweisen.
Das Ingenieurbüro für Bautechnik ist seit 1952 ein kompetenter Partner für wirtschaftliche Tragwerkslösungen. Als leistungsstarkes Ingenieurbüro auf dem Gebiet der Bautechnik bietet das Büro ein durchgängiges Leistungsspektrum im statisch-konstruktiven Hoch- und Ingenieurbau, insbesondere für Büro- und Verwaltungs-Neubauten für Forschungs-, Versuchs- und Laboreinrichtungen.
1952 gründete Dr.-Ing. Robert Träger ein Büro für Baustatik, in dem überwiegend Konstruktionen des Stahlbeton- und Massivhaus berechnet wurden, u.a. 1957 einen Normalwindkanal für die Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt DLR. Ab 1966 unterstützte Dipl.-Ing. Hans-Dieter Nolte Dr. Träger als Partner. 1977 schied Dr. Träger aus Altersgründen aus - Herr Nolte führte das Büro alleine weiter. 1992 trat Dipl.-Ing. Hans-Georg Westphal als Partner in die Büroleitung ein, ab 1996 als alleiniger Inhaber. 1994 beginnt Dipl.-Ing. Holger Schliesenski im Büro und wird 2010 Mit-Geschäftsführer der neu gegründeten W S WESTPHAL Ingenieurbüro für Bautechnik GmbH. Damit wurden in guter Tradition wieder frühzeitig die Weichen für einen Fortbestand des Büros in der Zukunft gestellt: Der designierte Nachfolger tritt in die Büroleitung ein - lange bevor der bisherige Inhaber zum "alten Eisen" zählt.
Seit April 2011 ist das Büro durch TÜV Rheinland zertifiziert nach dem renommierten QualitätsStandard Planer am Bau.
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Dipl.-Ing. H.-G. Westphal
Karlstraße 92
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49 531 238090
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