Müller, Corinna Nachhaltige Hochbaustützen. - iBMB

Nachhaltige Hochbaustützen
Sustainable concrete columns
Empelmann, Martin; Müller, Corinna
Abstract
On the basis of a parameter study, the potential of highstrength
concrete columns in combination with highstrength
steel reinforcement and larger diameters in
regard to cost-effectiveness and sustainability is shown.
1. Einführung
Der Trend zu filigranen Tragwerken ist ungebrochen
(Bild 1). Der ästhetische Anspruch an schlanke Stützenkonstruktionen
im Bereich des Hochbaus wächst stetig
und kann nun durch die Weiterentwicklung hochtragfähiger
Materialien realisiert werden.
BILD 1 Post-Tower in Bonn als Beispiel für derzeitige
Hochhauslösungen und Stützenausbildungen
Am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
(iBMB), Fachgebiet Massivbau, der TU Braunschweig
wurden im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse Potentiale
für hochtragfähige und kostengünstige Hochbaustützen
mit geringen Abmessungen untersucht. Neben
den ökonomischen und energetischen Gesichtspunkten
wurde in diesem Zusammenhang auch die Einsatzmöglichkeiten
von Betonstählen außerhalb der Regelungen
der DIN 488 /1/ betrachtet.
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
(iBMB) der Technischen Universität Braunschweig
Materialprüfanstalt (MPA) für das Bauwesen
2. Ausgangsbedingungen
Beethovenstraße 52
38106 Braunschweig
Tel.: +49 (0) 531 391 5400
Fax: +49 (0) 531 391 5900
© 2008 Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig – Materialprüfanstalt für das Bauwesen Braunschweig
Untersucht wurden Druckglieder aus normal- und hochfestem
Beton mit unterschiedlichen Längsbewehrungsgehalten
im Rahmen der DIN 1045-1 /2/ und darüber
hinaus.
Die für die Parameterstudie angesetzten Materialpreise
können Tabelle 1 entnommen werden. Zusätzliche Kosten
infolge erforderlicher Allgemeiner Bauaufsichtlicher
Zulassungen für Baustoffe (C100/115, S670/800) bzw.
der Realisierung erhöhter Bewehrungsgehalte (> 9 %)
wurden innerhalb der Wirtschaftlichkeitsanalyse nicht
berücksichtigt.
TABELLE 1 Materialpreise der Baustoffe
Baustoff Materialpreis
C20/25 110 €/m³
C30/37 130 €/m³
C50/60 150 €/m³
C80/95 200 €/m³
C100/115 300 €/m³
BSt 500S 1200 €/t
S670/800 1440 €/t
In Bild 2 ist der angesetzte kumulierte Energiebedarfe
(KEA) zur Herstellung der Betone und zum Vergleich für
Stahl dargestellt, der aus /3/ ermittelt wurde.
KEA [MJ/m³]
100.000
80.000
60.000
40.000
20.000
0
1.242 MJ/m³
1.555 MJ/m³
1.776 MJ/m³
BILD 2 Kumulierter Energiebedarfe (KEA) zur Herstellung
von Betonen und Stahl
1.711 MJ/m³
C 20/25 C 30/37 C 50/60 C 80/95 C 100/115 B4Q-3 Stahl
2.608 MJ/m³
8.511 MJ/m³
107.617 MJ/m³
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3. Parameterstudie und Ergebnisse
Ausgehend von einer Querschnittstragfähigkeit von
NEd = 20 MN und einem Mindestbewehrungsgehalt nach
DIN 1045-1 wurden in einer Parameterstudie die Stützenabmessung
unter sukzessiver Erhöhung des Längsbewehrungsgehaltes
minimiert und für jede sich ergebene
Querschnittsausbildung die Gesamtmaterialkosten
ermittelt. Einflüsse infolge vergrößerter Schlankheit
blieben innerhalb dieser Studie unberücksichtigt.
In Bild 3 sind die Gesamtmaterialkosten des Querschnitts
für normal- und hochfeste Betone unter Verwendung
von Betonstählen BSt 500S bis zu einem maximalen
Bewehrungsgehalt von 9 % aufgetragen. Bei
Verwendung eines Betons der Festigkeitsklasse C80/95
stellt sich – unter den Annahmen in Tabelle 1 – ein absolutes
Kostenminimum ein.
Materialkosten [€/m]
BILD 3 Materialkosten für verschiedene Betone und
Bewehrungsgehalten (BSt 500S) unter Variation
der Stützenabmessung bei NEd = 20 MN
In Bild 4 wurden Bewehrungsgehalte von bis zu 20 %
sowie ein hochfester Betonstahl S670/800 in die Untersuchung
einbezogen.
Materialkosten [€/m]
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
ρ s,max = 9%
C100/115
ρ s = 20%
C80/95
C50/60
Stützenabmessungen [cm]
ρ s = 9%
C80/95
ρ s = 4,5%
C50/60
C30/37
C20/25
120
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
BILD 4 Materialkosten in Abhängigkeit von Beton- und
Bewehrungsfestigkeit (BSt 500S,S670/800) bei
Variation der Stützenabmessung (NEd = 20 MN)
ρ s,min
Stützenabmessungen [cm]
C30/37 - S670/800
ρ s,min
C30/37 - BSt 500S
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Für einen hochfesten Beton C80/95 in Kombination mit
Betonstahl BSt 500 S lässt sich bei Erhöhung des Bewehrungsgehaltes
auf 20 % die Stützenabmessung auf
ca. 40/40 cm reduzieren. Dabei wird etwa das Kostenniveau
einer C30/37-Stütze (60/60 cm) mit einem Bewehrungsgehalt
von 9 % erreicht. Durch die Verwendung
von Betonstahl S670/800 können die Stützenabmessungen
und die Gesamtmaterialkosten weiter reduziert
werden. Für einen Beton C80/95 lässt sich eine minimale
Stützenabmessung von 37/37 cm realisieren.
In Bild 5 ist der Energieverbrauch von Druckgliedern mit
NEd = 20 MN dargestellt und zeigt einen klaren Vorteil
bei Stützen aus ultra-hochfesten Betonen. Aber auch
Stützen aus hochfesten Betonen weisen – unter den hier
gemachten Annahmen – energetische Vorteile gegenüber
Verbund- und Stahlstützen auf.
Energieverbrauch [MJ/m]
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
BILD 5 Energieverbrauch von Stützen mit NEd = 20 MN
4. Fazit
4230
2650
Unter Ansatz der in Tabelle 1 und Bild 2 aufgeführten
Materialpreise und kumulierten Energiebedarfe (KEA)
lassen sich hochtragfähige Hochbaustützen aus Beton
herstellen. Dabei zeigt ein Beton der Festigkeitsklasse
C80/95 unter Kombination mit hochfestem Betonstahl
ein Kostenoptimum, wobei auch das Einsatzpotential
von Betonstählen mit großen Durchmessern bei hohen
Bewehrungsgehalten deutlich wird. Unter energetischen
Gesichtspunkten haben ultrahochfeste Betone aufgrund
der geringen Querschnittsabmessungen Vorteile.
5. Literaturverzeichnis
/1/ DIN 488-2: Betonstahl, Teil 2: Betonstabstahl, Maße
und Gewichte
/2/ DIN 1045-1:2001-07: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton
und Spannbeton, Teil 1: Bemessung und
Konstruktion
/3/ Schießl, P. & Stengel, T.: Der kumulierte Energieaufwand
(KEA) ausgewählter Baustoffe, 2007.
www.cbm.bv.tum.de
2450
C 100/115 UHPC 160 UHPFRC 160 Verbund Stahl S 355
5370
5460
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