Innovatives Verbundmittel für integrierte Deckenträger, CoSFB-Betondübel

Auszeichnung
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015
Kategorie Hochbau

Matthias Braun (ArcelorMittal Technische Beratung, Esch)
Innovatives Verbundmittel für integrierte Deckenträger, CoSFB-Betondübel

Die CoSFB-Betondübel sind ein einfach zu fertigendes Verbundmittel für in Flachdecken integrierte Verbund-Deckenträger. Basierend auf der altbekannten Perfobondleiste stellen die CoSFB-Betondübel eine Weiterentwicklung und direkt anwendbare technische Innovation für den Verbundbau und besonders für Verbundflachdecken dar. Mit CoSFB Betondübeln als Verbundmittel kann nahezu die gesamte Deckenhöhe für integrierten Träger ausgenutzt werden. Durch die so gesteigerte statische Tragfähigkeit werden auch mögliche Spannweiten sowie Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz verbessert.
Die technische Idee wurde bis zur allgemeinen Umsetzbarkeit mit Hilfe einer Zulassung verfolgt und somit der Weg zur breiten Anwendung für CoSFB-Betondübel geebnet.

Erläuterungsbericht von Matthias Braun | ArcelorMittal Europe zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues:

Aufgabenstellung

Die Integration von Walzprofilen in die Decke wird bereits seit der Entwicklung der Walzprofile Ende des 19. Jahrhunderts angewendet (Kappendecke). Noch heute besteht manch alte Decke aus diesen Trägern. Die Vorteile dieser sogenannten Slim-Floor Decken liegen auf der Hand. So ermöglicht die Integration des Trägers in die Decke schlanke Tragkonstruktionen ohne störende Unterzüge. Hierdurch kann, im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionen, auf zur Installation der Haustechnik notwendige Trägerdurchbrüche gänzlich verzichtet werden.

Foto: Matthias Braun

Auch ist der Träger im Brandfall zumindest teilweise durch die Decke geschützt, was zu einer nennenswerten Erhöhung der Feuerwiderstandsdauer der Träger führt. Allerdings wird die wirtschaftliche Spannweite dieser Deckenträger in Stahlbauweise, durch die geringe zur Verfügung stehende Konstruktionshöhe (= Deckenstärke) und ihre somit begrenzte Tragfähigkeit und Steifigkeit, üblicherweise auf ca. 7m begrenzt, was den möglichen Anwendungsbereich der Slim-Floor Bauweise deutlich einschränkt.
Um eine Vergrößerung der Trägerspannweiten auf bis zu 14m (bei einem gleichzeitigen Trägerabstand von bis zu 10m) und somit eine weite Verbreitung der Slim-Floor Bauweise bemüht, suchte ArcelorMittal nach Methoden eine Verbundtragwirkung zwischen Stahlprofil und Ortbeton zu erzielen. 
Herkömmliche auf den Trägeroberflansch aufgeschweißte Kopfbolzendübel sind hierzu nur bedingt geeignet, da hierzu eine Mindestbetonüberdeckung über dem Trägeroberflansch von ca. 10cm erforderlich wäre. Folglich müsste entweder die Höhe des Stahlprofils reduziert oder aber die Deckenstärke erhöht werden. Eine Erhöhung der Deckenstärke würde jedoch zu einer Erhöhung der Baukosten führen und vor allem der Philosophie der Slim-Floor Bauweise, möglichst schlank zu bauen, widersprechen. Eine Verringerung der Trägerhöhe würde, trotz der Aktivierung der Verbundtragwirkung, nicht zu dem gewünschten Zuwachs an Tragfähigkeit und Steifigkeit führen (Bild 2).
Die Aufgabenstellung bestand somit darin, eine neue Methode zur Erzielung einer planmäßigen Verbundtragwirkung zu entwickeln, die für die Anwendung bei integrierten Deckenträgern geeignet ist.

Lösungsweg

Die eingangs beschriebenen Randbedingungen, die zur Verfügung stehende Konstruktionshöhe mit dem Stahlprofil maximal auszunutzen und gleichzeitig eine Verbundtragwirkung zu erzielen, sowie die Erkenntnis, dass auf den Oberflansch aufgeschweißte Kopfbolzendübel für die vorgesehene Anwendung ungeeignet sind, machte die Suche nach einem neuen Verbundmittel erforderlich.
Hierzu wurde zunächst eine Vielzahl an Berechnungen zur Festlegung der notwendigen Tragfähigkeit des Verbundmittels zum Erreichen der oben beschriebenen Ziele (Trägerspannweite bis zu 14m, bei 10m Trägerabstand) durchgeführt. Schnell zeigte sich auch, dass im anvisierten Spannweitenbereich nicht mehr der Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT), sondern der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) bemessungsrelevant wird. Und hierbei weniger die Trägerdurchbiegung, als vielmehr das Schwingungsverhalten des Trägers und des Deckenfeldes. Durch Einbeziehung der in [1] gewonnen Erkenntnisse und Berechnungsmethoden, konnte die erforderliche Steifigkeit des neuen Slim-Floor Verbundträgers bestimmt werden. Da kleine Trägerabstände zu einem relativ großen Trägergewicht je Quadratmeter Deckenfläche und somit zu einer unwirtschaftlichen Lösung führen würden, sollte der Trägerabstand möglichst groß sein. Auch würden kleine Trägerabstände eine nur geringe Spannweite der Decke bedeuten und zu einer geringen Konstruktionshöhe führen, was ebenfalls zu einer Begrenzung der Trägerspannweite führen würde. Die Anwendbarkeit der Regelungen aus DIN EN 1994-1-1, Abschnitt 5.4.1.2 [2] bzgl. der mittragenden Breite des Betongurtes für das zu entwickelnde Verbundmittel vorausgesetzt, ergibt sich die rechnerische mittragende Breite beff stets aus der Trägerlänge. Somit konnte aus der erforderlichen Trägersteifigkeit und beff die minimal erforderliche Dicke des Ortbetons zu 13cm bestimmt werden. D.h., wird eine Ortbetonschicht von mindestens 13cm gewählt, sind Trägerspannweiten bis zu 14m möglich, wobei stets alle Anforderungen im GZT und GZG eingehalten werden. Dies genügt zur Anwendung für übliche Hochbauten und entsprechende zugehörige Belastungen. Das zu findende Verbundmittel muss somit den Anschluss der seitlichen Betongurte an den Trägersteg ermöglichen, eine relativ große Tragfähigkeit besitzen, sich duktil bis zum Versagen verhalten und im GZG über eine hohe Steifigkeit verfügen. Zusätzlich sollte es weder in der Fertigung noch auf der Baustelle die Komplexität der Abläufe erhöhen und gleichzeitig kostengünstig sein. Mit diesen Festlegungen wurden verschiedene Möglichkeiten identifiziert und genauer untersucht. Durch Transfer und Erweiterung rezenter Verbundmitteltechnologien, konnte schnell die optimale Lösung bestimmt werden: die Verwendung von Betondübeln.
Die gewählten Betondübel bestehen aus in den Trägersteg gebohrten Öffnungen, durch die bauseits handelsübliche gerade Bewehrungsstäbe mit einem Mindestdurchmesser von 12mm geführt werden. Anschließend werden diese und die Kammer des Stahlprofils beim Betonieren der Decke mit vergossen.

Als Durchmesser der Stegbohrungen wurde der Bereich von 25mm bis zu 40mm festgelegt, was eine sehr kostengünstige Anarbeitung der Stahlträger, vor allem im Vergleich zu Kopfbolzendübeln, ermöglicht. Ist die Verwendung dieser Betondübel im Brückenbau als WiB Bauweise (WiB, Walzträger im Beton), bereits seit Jahrzehnten etabliert und bewährt, so sind die in [3] angegebenen Bemessungsregeln rein empirisch und die aufgeführten Anwendungsgrenzen für eine direkte Übertragung auf die Slim-Floor Bauweise ungeeignet. Folglich mussten zur Bestimmung der Dübeltragfähigkeit Push-out Versuche und zur Bestimmung des globalen Tragverhaltens (wie z.B. die Aktivierung der mittragenden Breite des Betongurtes), Trägerversuche durchgeführt werden (Bild 4). Erste Vorversuche fanden 2009 an der Materialprüfanstalt der Universität Stuttgart, unter Leitung von Frau Prof. Kuhlmann (Leiterin des Instituts für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart) statt. Die vielversprechenden Ergebnisse belegten das Potential dieser neuen Technologie und ArcelorMittal beschloss, diese der Allgemeinheit durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (Zulassung) zur Verfügung zu stellen. Durch die frühzeitige Einbeziehung des DIBt zur Abstimmung des zur Erteilung der Zulassung erforderlichen Versuchsprogramms, konnte alles Notwendige in einer größeren Versuchsserie geklärt werden [4]. Einen Überblick über die durchgeführten Push-out Versuche gibt Tabelle 1.

Foto: Matthias Braun

Im Sommer 2014 erfolgte schließlich die Erteilung der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung „CoSFB-Betondübel“ [5]. Ihr können direkt Werte der Tragfähigkeit des CoSFB-Betondübels entnommen werden (Tabelle 2). Da die Versuche die Annahme eines duktilen Verbundmittels bestätigt haben, können die CoSFB (CoSFB = composite slim-floor beam) auch nach der Teilverbundtheorie bemessen werden, wobei ein Mindestverdübelungsgrad einzuhalten ist. Um eine sichere Anwendung dieser neuen Technologie zu gewährleisten, werden neben Regeln zur Bemessung der Verbundfuge auch Anwendungsgrenzen und Regeln zur Ausführung gegeben. So ist z.B. die Kammer des Stahlprofils stets vollständig auszubetonieren und die, durch die Auflagerung der Decke auf der angeschweißten Platte hervorgerufene Querbiegung, ist bei der Ermittlung der Biegetragfähigkeit des Querschnittes zu berücksichtigen. Die Zulassung lässt auch eine nur teilweise Integration des Trägers in die Decke zu. Weitere Details können direkt der Zulassung entnommen werden.
Grundsätzlich ist diese CoSFB-Bauweise unabhängig von der Decke, d.h. es können sowohl Betonfertigteile mit späterer Ortbetonergänzung, als auch zugelassene Verbund- oder Profilbleche verwendet werden (z.B. Cofraplus 220 [6]). Hauptanwendungsgebiet der CoSFB ist der allgemeine Hochbau, so u.a. Bürogebäude, Hotels oder mehrgeschossige Lagergebäude. Aufgrund seiner hohen Tragfähigkeit und Steifigkeit sind Trägerspannweiten bis zu 14m, bei einem Trägerabstand von 10m und einer Trägerhöhe von lediglich L/35 optimal (L = Stützweite des Trägers und h = Trägerhöhe). Projekte mit einer Schlankheit L/h von über 40 wurden bereits erfolgreich realisiert.

Foto: Matthias Braun

Zusätzlich verfügt der Träger aufgrund seiner Integration in die Decke über einen erhöhten Feuerwiderstand. So können Konstruktionen bis R60 stets ohne zusätzlichen passiven Brandschutz (wie z.B. Beschichten oder Verkleiden) ausgeführt werden. Die Anforderungen der Feuerwiderstandsklasse R90 können durch die Wahl eines größeren Walzprofils meist ebenfalls ungeschützt ausgeführt werden. Sollte passiver Brandschutz dennoch erforderlich sein, so kann dieser ebenfalls sehr kostengünstig ausgeführt werden, da ja lediglich die unter der Decke herausstehende Auflagerplatte zu schützen ist.

Zusammenfassung

Die Übertragung der Betondübeltechnologie vom Brückenbau auf die Slim-Floor Bauweise führt aufgrund der optimalen Verwendung der Baustoffe Stahl und Beton, zu einer signifikanten Erweiterung des Anwendungsbereiches dieser Bauweise. Durch die statische Aktivierung des Ortbetons wird sowohl die Tragfähigkeit als auch die Steifigkeit der integrierten Deckenträger signifikant erhöht, was insgesamt zu einer optimierten Bemessung führt und u.a. eine deutliche Vergrößerung der wirtschaftlichen Trägerspannweiten ermöglicht. Aufgrund der Verwendung von Betondübeln kann die Betonüberdeckung über dem Trägeroberflansch auf ein Minimum reduziert werden, wodurch die zur Verfügung stehende Deckenstärke optimal vom Träger ausgenutzt wird. Dies führt zu einer äußerst materialsparenden, nachhaltigen und wirtschaftlichen Bauweise.

Foto: Matthias Braun

So wird u.a. in [7] der mögliche Zuwachs der Trägerspannweite durch die Aktivierung der Verbundtragwirkung, bei gleichem Trägerquerschnitt und ansonsten gleichen Randbedingungen, zu ca. 30% angegeben (von 8.1m auf 11m). Spannweiten von integrierten Deckenträgern bis zu 14m und einem Trägerabstand bis zu 10m können nun wirtschaftlich umgesetzt werden. Der optimale Anwendungsbereich dieser CoSFB dürfte etwa im Spannweitenbereich von 6m bis 12m liegen. Der Trägerabstand sollte stets möglichst groß gewählt werden und mindestens 5m betragen. Für übliche Hochbauten beträgt der Stahlverbrauch, d.h. das Trägergewicht bezogen auf die Deckenfläche, lediglich 25kg/m2. Ist die Anwendung der CoSFB-Betondübel zwar nicht auf ein bestimmtes Deckensystem begrenzt, so ist doch die Verwendung von Decken mit einem möglichst geringen Eigengewicht, wie etwa Cofraplus® 220, zu bevorzugen. Der integrierte Feuerwiderstand der CoSFB trägt maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit dieser neuen Bauweise bei. Die Kombination von großen Spannweiten mit einer gleichzeitig sehr schlanken Konstruktion führt zu großen, stützenfreien Räumen mit einer hohen Flächeneffizienz, welche selbst höchsten architektonischen Ansprüchen gerecht wird.
Die optimale Verwendung der Rohstoffe führt nicht nur zu einer sehr wirtschaftlichen Bauweise. Bedingt durch die hohe Ressourceneffizienz ist die CoSFB-Bauweise zwangsläufig auch in ihrer ganzheitlichen Bewertung äußert nachhaltig [8].
Die bereits in verschiedenen europäischen Ländern ausgeführten Projekte belegen, dass es sich um eine erprobte Bauweise handelt. Siehe Bild 5 und Bild 7 stellvertretend für eine Vielzahl von bereits in Luxembourg und vor allem in Frankreich ausgeführten Projekten. In Deutschland wird sich die CoSFB-Bauweise durch die im Sommer 2014 erfolgte Erteilung der Zulassung sicherlich ebenfalls schnell etablieren. Da die Zulassung auch eine nur teilweise Integration des Trägers in die Decke zulässt, ist die Anwendung der CoSFB-Betondübel nicht auf Slim-Floor Träger begrenzt, womit sich ihr Anwendungsbereich deutlich erweitert. Von einer Patentierung der CoSFB-Betondübel wurde bewusst abgesehen. Diese neue Technologie steht somit der Allgemeinheit zur Verfügung.

Literaturverzeichnis
[1] Feldmann, M., Heinemeyer, Ch., Völling, B.: Design Guide for Floor Vibrations, Second Edition, ArcelorMittal Commercial Sections, , 66 rue de Luxembourg, L-4009 Esch-sur-Alzette.
[2] DIN EN 1994-1-1: Eurocode: Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Dezember 2010. CEN
[3] DIN- Fachbericht 104: Verbundbrücken, Anhang K. Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin. März 2009.
[4] Braun, M et al.: Experimentelle Untersuchungen von Slim-Floor Trägern in Verbundbauweise - Anwendung von tiefliegenden Betondübeln bei Slim-Floor-Konstruktionen - CoSFB. Stahlbau 83 (2014), S.741 - 749.
[5] Deutsches Institut für Bautechnik: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung – CoSFB-Betondübel, ArcelorMittal Belval & Differdange S.A., Zulassungsnummer Z-26.4-59, Berlin 2014.
[6] Deutsches Institut für Bautechnik: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung – ArcelorMittal Systemdecke Cofraplus 220. Zulassungsnummer Nr. Z-26.1-55, Berlin 2013.
[7] Braun, M., Obiala, R., Odenbreit, Chr., Hechler, O.: CoSFB – Design and Application of a New Generation of Slim-Floor Construction. 7th European Conference on Steel and Composite Structures (Eurosteel). Naples, Italy, 2014.
[8] Braun, M., Hechler, O., Hauf, G., Kuhlmann, U.: Embodied energy optimization by innovative structural systems. Final Conference of the COST Action C25: Sustainability of Constructions – Towards a better built environment. Innsbruck, Austria, 2011.