Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800

FachthemenHorst FalknerDominique GerritzenDieter JungwirthLutz SparowitzDOI: 10.1002/best.200800614Das neue Bewehrungssystem; Druckgliedermit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Teil I: Entwicklung, Versuche, Bemessung und KonstruktionDer herkömmliche Stahlbetonbau wird durch ein neuartiges, innovativesStahlbetondruckglied erweitert. Es kommt ein von derAnnahütte entwickelter Gewindestahl SAS 670/800 bis Durchmesser75 mm, mit Muffenverbindungen und Endankern zur Anwendung.Diese Druckglieder lassen sich mit Bewehrungsgehaltenbis 20 % und kleinen Abmessungen wirtschaftlich in hoherQualität herstellen. Unter Berücksichtigung des Kriechens undSchwindens des Betons oder/und der Verwendung faserbewehrterduktiler Betone lassen sich diese hochfesten BetonstähleSAS 670/800, deren Quetschgrenze über der Stauchungsgrenzeε c2 liegt, voll ausnutzen.Dem stehen nach gültiger Norm eine Ausnutzung des BetonstahlsBSt 500 mit ~2 ‰, Durchmesser bis ≤ 40 mm und zulässigeBewehrungsgrade im Übergreifungsbereich von max. 9%gegenüber.Im Teil I wird auf Grundlage des Eurocodes über modifizierteBemessungs- und Konstruktionskonzepte sowie durchgeführteVersuche berichtet. Im Teil II werden u. a. die Megastützen desOpernturms Frankfurt vorgestellt, die mit diesem Konzept übereiner Zustimmung im Einzelfall ausgeführt wurden.Das System ist/wird derzeit in verschiedenen Ländern, wieUSA, Russland, Österreich und Europa, allgemein bauaufsichtlichzugelassen.The New Reinforcement System; Compression MembersWith High Strength Reinforcement SAS 670/800The conventional family of reinforced concrete constructions isbeing extended by a new and innovative concrete compressionmember. Threaded bars SAS 670/800 with a maximum diameter of75 mm, developed by Annahütte, are implemented in combinationwith couplers and end anchors. These compression memberscan be manufactured economically in small dimensions and highquality with a percentage of reinforcement of up to 20%. Consideringthe concrete behaviour of creep and shrinkage or/andusing ductile fibre reinforced concretes the high strength steelSAS 670/800, with a compressive strain beyond the compressivestrain point ε c2 , can be fully utilised.The valid design code however only allows utilisationdegrees of 2‰ for a reinforcing steel BSt 500, diameters up to40 mm and a maximum percentage of reinforcement in lappedslices of 9%.Part I will be commenting on modified design and constructionconcepts based on the Euro Code fundamentals and on carriedout tests. The mega columns of the Opernturm in Frankfurtwhich where accomplished using this concept in an approval ofthe individual case, will be presented, amongst others, in Part II.Currently this system is, or soon will be, generally approvedin several countries such as the USA, Russia and Europe.1 EntwicklungsgeschichteLeonhardt/Teichen haben bereits 1972 [1], gefolgt vonFalkner [2], [3], Spannstäbe als Druckbewehrung getestet,verwendet und dabei bis zur Stauchgrenze ausgenutzt(Abschn. 5.1.).Der Eurocode und die davon abgeleiteten nationalenBemessungsvorschriften lassen, hohe Belastungsgeschwindigkeitunterstellend, in Stützen nur eine Bruchstauchungvon ~2‰ zu und begrenzen die Stabdurchmesserauf 40 mm und den Bewehrungsgrad auf 9% imStoßbereich. In den USA wird im ACI-Code 318-05 dagegeneine Bruchstauchung von 3‰ zugelassen.Die Annahütte hat den schraubbaren GewindestahlBSt-500 bis hin zum SAS 670/800, kurz S 670, ∅ 18 bis75 mm weiterentwickelt und seit Jahren erfolgreich in derGeotechnik als Pfahl, Nagel oder Anker eingesetzt. Es lagnahe, mit Unterstützung der Verfasser, das System mitStößen und Endankern sinnvoll in die Bewehrungstechnikzu übernehmen und somit deren Grenzen zu erweitern(Bild 1).Der Ansatz von Kriech- und Schwindumlagerungenoder die Verwendung faserbewehrten Betons ermöglichenes, die hochfesten Betonstähle S 670 bis zur Stauchgrenzevon 670 N/mm 2 auszunutzen.Bild 1. Erweiterung des Stands der TechnikFig. 1. Extension to state of the art304 © 2008 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

2 Das neue Bewehrungssystem; Vorteile, Tragverhaltenund Anwendungsbereich2.1 Die VorteileH. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Bild 2 zeigt wirtschaftliche Vorteile von S 670 als Substitutund bei Querschnittsminimierung. Der leicht zu montierendeGewindestahl, vorzugsweise mit Druckmuffengestoßen, liegt im Preisleistungsverhältnis günstiger als dermit Übergreifung gestoßene Betonstahl BSt 500. Das führtbei vorgegebener Stahlbetonstütze im Substitut durchS 670 zu ca. 10% preiswerteren Stützen (Tabelle 1a).Nutzt man die Bewehrungsgradgrenze von ca. 20%bei S 670 und vergleicht mit einer mit 6% (im ungestoßenenBereich) BSt 500 bewehrten Stütze, so liegt man imPreis zwar um 10% höher, spart aber ca. 50% Gewichtund ca. 55% Fläche (Tabelle 1b).Die Stützen mit SAS 670/800 bringen einen deutlichenKostenvorteil und erhöhte gestalterische Freiheit.Werden für diese 55% Nutzflächenerhöhung dieMieteinnahmen von 30 Jahren zu 10.000 €/m 2 angesetzt,würde man für ein durchgerechnetes Hochhaus, vergleichbarmit dem Opernturm Frankfurt mehr als 3% Kostenersparniserzielen. Ein weiterer großer Vorteil liegt darin,dass eine bereits minimierte Stütze aus hochfestemBeton bewehrt mit BSt 500, durch eine Stütze mit preiswerteremNormalbeton gleicher Abmessungen, aber mitS 670 bewehrt, wirtschaftlich ersetzt werden kann.Des Weiteren wird dem Architekt eine größere gestalterischeFreiheit durch den besseren Einsatz konstanterGrundrisse über mehrere Stockwerke ermöglicht. Durchdie Vermeidung von Übergreifungsstößen lassen sichS 670-bewehrte Stützen leicht betonieren. Der Wegfallvon Spaltzug- und Stirndruckkräften im Stoßbereich hebtdie Qualität an.Bild 2. Querschnittsreduktion durch Einsatz des S 670 undder Erhöhung des Bewehrungsgrads bei gleicher Tragfähigkeit;C35/45; 50% StoßFig. 2. Reducing the cross section due to the S 670 and increasingthe percentage of reinforcement, retaining the samecarrying capacity; C35/45; 50% jointTabelle 1a. Stahl- und Lohnersparnis bei gleichen Abmessungen(S 670 ersetzt BSt 500)Table 1a. Saving of steel and wages with constant dimensions(S 670 replaces BSt 500)2.2 Das TragverhaltenEine Möglichkeit, den Stahl im Bruchzustand bis zurStauchgrenze voll auszunutzen, ist die Berücksichtigungdes meist ohnehin vorhandenen Kriechens und Schwindensvon Beton. Einen damit verbundenen typischen zeitabhängigeninneren Kräftefluss im Druckglied zeigtBild 3. Zunächst trägt bei Lastaufbringung der Beton etwa2/3 und der Stahl 1/3 der Last. Nach der Umlagerung ausKriechen und Schwinden verbleibt 1/3 im Beton und 2/3im Stahl des mittlerweile im Betrieb befindlichen Bauwerks.Im rechnerischen Bruchzustand übernehmen dannder Beton und der Stahl zu etwa gleichen Teilen dieBruchschnittgrößen. Durch die Entlastung im Gebrauchszustandgewinnt der Beton Reserven gegenüber z. B. Erdbeben.Tabelle 1b. Kostenvorteil pro Stütze bei QuerschnittsminimierungTable 1b. Economical advantages reducing the cross sectionarea2.3 Der AnwendungsbereichAls Anwendungsbereich kommt in erster Linie jede Artvon Druckgliedern in C25/30 bis C100/115 oder höher,vorwiegend ruhend und nicht ruhend sowie erdbebenbeansprucht,in Frage. Dicke Platten sowie mäßig auf Zugund Biegung beanspruchte Bauteile, können mit S 670 bewehrtwerden. Die volle Ausnutzung auf Zug, besondersBeton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5305

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Tabelle 2. Mechanische Kennwerte S 670 (keine Verwechslungmit anderen Gewindestählen, da Rechtsgewinde undandere Steigung)Table 2. Mechanical properties of S 670 (no confusion withother threaded rods due to right handed thread and differentrib inclination)Bild 3. Kriech- und Schwindumlagerung vom Rohbau biszum Bruchzustand (C45/55, μ~13%, ϕ = 1,5, ε s = 0,3‰) –Traganteile Beton und StahlFig. 3. Redistribution of creep and shrinkage from constructionuntil state of failure (C45/55, μ~13%, ϕ = 1.5,ε s = 0.3‰) – Load shares in concrete and steelbei großen Durchmessern, ist wegen großer Verformungenund unzulässigen Rissbreiten nur eingeschränkt möglich[4].3 Stahl S 670 und Zubehör3.1 Stahl 1Der robuste, tempcorisierte, wasservergütete BetonstahlS 670 entspricht DIN 488 bzw. EN 10080 und damit denin DIN 1045-1 und im Eurocode genannten Anforderungenan Betonstahl. Die erforderlichen Zulassungsversuchenach EN ISO 15630-1 wurden durchgeführt. Die Durchmesserreichen von ∅18 bis 75 mm. Die mechanischenKennwerte sind in Tabelle 2 zusammengestellt.Der Stahl S 670 weist mit f R ≥ 0,075 eine größere bezogeneRippenfläche als ein Betonstahl nach DIN 1045-1auf. Die Verbundcharakteristik eines Gewindestabs S 670im guten Verbundbereich ist Bild 4 zu entnehmen. Darauslassen sich mittels Differenzenmethode Lasteintragungslängenund Verschiebung Stahl/Beton nach [5] bestimmenbzw. die EC 2 und DIN 1045-1 entsprechenden mittlerenVerbundspannungen f bd , siehe Bild 4, Tabelle. Nachdemsich der Durchmessereinfluss in Grenzen hält, wurdeder Mittelwert aller Durchmesser, mit einem Variationskoeffizientvon 20% zugrunde gelegt.3.2 Zubehör 1Als Stoßelement auf Druck kommt die handgekonterteKontaktmuffe zur Verwendung, die statisch und dynamischbei einem Schlupf im Gebrauchszustand von< 0,2 mm voll tragfähig ist. Der Stab kann auch überStumpfstoß seine Last auf eine Stahlplatte abgeben, diestahlbaumäßig bzw. nach DIN 1045-1 zu bemessen ist.1 Technische Daten von Stahl und Verfahren (Zubehör) unddie Zulassungen können von der Annahütte D-83404 Ainringangefordert werden.Gekonterte Ankerstücke (Endverankerungen) geben Kräfteauf Zug bzw. Druck an den Beton ab. Achs- und Randabständeenthält Bild 5.Bei mäßiger Zugbeanspruchung kommen gekonterte,weitgehend schlupffreie Muffenstöße zum Einsatz. Übergangsmuffenermöglichen den Lasttransfer auf einen kleinerenDurchmesser.Endverankerung und gekonterter Muffenstoß sind fürErdbebenbeanspruchung nach EC 2 und EC 8 geeignet.Das genannte Zubehör wurde nach deutschen und europäischenRichtlinien geprüft, wie ETAG013, ISO/DIS15835-1 bis 2 (z. B. Lowcycle fatigue). Verschiedene nationaleZulassungen liegen dafür vor.306Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Bild 4. Verbundspannungen in Abhängigkeit von der Relativverschiebungnach [6]Fig. 4. Bond stresses depending on the relative translationaccording to [6]Bild 6. Spannungs- und Dehnungslinien für Normalbetonnach [7]Fig. 6. Stress-strain for normal strength concrete accordingto [7]Bild 5. Muffen und EndverankerungenFig. 5. Sleeve splicings and end anchors4 Grundsätzliches zum Verbundtragverhalten Beton/Stahlbei Druckgliedern4.1 Der BetonDie Grenzlinien der Spannungs-Dehnungsdehnungslinienfür Normalbeton für verschiedene Belastungsgeschwindigkeitenund Dauerlast (Kriechen) zeigt Bild 6 [7].Darin sind als Parameter die hohe Belastungsgeschwindigkeitt = 2 min zu erkennen, die zu einer Bruchstauchungvon 2‰ und eine langsame t = 100 min, die zu> 3‰ führt. Schnell belastet, mit einer längeren Kriechphasebei 0,4 · σ c /f c , zyl führt ebenfalls zu einer Bruchstauchungvon ~3‰.Faserbewehrte Betone weisen keine nennenswert höhereBruchstauchung als Normalbeton auf. Sie sind jedochduktiler.Das Verhalten beim Brand kann EN 1992-1-2 oderDIN 4102 entnommen werden.4.2 Der StahlIm relevanten Bereich als bi-linear verhaltend, wird bei670/205000 = 0,00327 = 3,27‰ die Streck-/StauchgrenzeBild 7. Spannungs-Dehnungs-/Stauchungslinie S 670Fig. 7. Stress-strain/compression-tension diagram of S 670erreicht. Die Arbeitslinie auf Druck kann der auf Zuggleichgesetzt werden (Bild 7).Das Brandverhalten entspricht dem von Tempcorestahlund kann ebenfalls EN 1992-1-2 bzw. DIN 4102 entnommenwerden. Genauere Werte siehe [8].4.3 Das zentrisch belastete StahlbetondruckgliedUnter Kurzzeitbelastung tritt im Stahl σ S die n 0 -fache Betonspannungσ C auf (Ebenbleiben der Querschnitte nachBernoulli).n 0 = E s /E c (1)Über die ideelle Fläche A i = A c + n 0 · A s (2)lassen sich Beton- und Stahlspannung ermitteln.Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5307

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800σ c = P/A i (3)σ s = n 0· σ c (4)Zeitabhängig lagern sich die Spannungen von Beton aufStahl um. Dies lässt sich über Kriech- und Schwindfunktionen[9] z. B. nach Trost oder vereinfacht über den VerformungsmodulE ct = E c /(1 + ϕ) (5)mit:n t · σ c ermitteln.n t = E s · (1 + ϕ)/E c (6)Dabei ist ϕ die Kriechzahl.Im rechnerischen Bruchzustand werden die Traglastenvon Beton und Stahl addiert, wobei lt. DIN 1045-1 beivollständig überdrückten Querschnitten der Stahl nurmit einer Stauchung von 2 bis 2,2‰ ausgenutzt werdendarf und das unabhängig von der Stahlgüte, z. B.σ su = 0,002 · 205000 = 410 N/mm 2 . Die Bruchtragfähigkeitlautet somit im Regelfall:Bild 8. Kraftverlauf während der gesamten Belastungsgeschichteunter zentrischem Druck bis zum Bruch bei schnellbelasteter Stütze und langsam belasteter Stütze mit KriechphaseFig. 8. Load trend during the entire load history under centricpressure until failure at fast loaded and slow loadedcolumns with creep phase.zul. Betontragfähigkeit = α · f ck· A c /(γ c· γ c′ ) (7.1)plus Stahlanteil = ε c2 · E s· A s /γ s (7.2)mit:α = Langzeiteinfluss 0,85f ck = charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des BetonsA c = Netto - BetonquerschnittA s = Stahlquerschnittε c2 = Bruchstauchung bei überdrücktem Beton = 2,0‰,von C55 auf C100 prop. auf 2,2‰ zunehmendE s = E-Modul Stahl 205000 N/mm 2E c = E-Modul Beton (n. DIN 1045-1)γ c = Teilsicherheitsbeiwert Beton 1,5γ c′ = Zusätzlich ab Beton = C55 = 1/(1.1 – f ck /500)γ s = Teilsicherheitsbeiwert Stahl 1,15Mit einem Nachweis der zeitabhängigen Umlagerung imGebrauchszustand oder Verwendung eines Betons mitnachweislich verbessertem Nachbruchverhalten könnenauch Stähle höherer Festigkeit auf Druck voll ausgenutztwerden. Bei der Umlagerung nimmt die Beanspruchungdes Stahls zu, der Beton wird entlastet. Das entsprichteiner „Druckvorspannung“ in der Bewehrung, die sichwährend des Kriechvorgangs selbstständig einstellt.Durch Kriech- und Schwindumlagerungen wird dieBruchstauchung des Betons verschoben. Der Betonwird entlastet und gewinnt Tragreserven.Bild 9. Verhältnis der Beton- und Stahlkräfte unter zentrischemDruck bei unterschiedlichen Bewehrungsgraden mitS 670 (Nachbruchverhalten)Fig. 9. Ratio of concrete and steel forces under centric pressurewith different percentages of reinforcement with S 670(Behaviour after Failure)Bild 8 zeigt die Lastanteile Beton und Stahl (Bewehrungsgradμ~13%, C55) vom Gebrauchs- bis zum Bruchzustandbei schneller Lastaufbringung (gestrichelt) undlangsamer mit Kriechphase (durchgehender Strich), sieheauch Abschn. 5, Versuche. Deutlich gehen daraus die Verformungsunterschiedeε 1 + ε 2 + ε 3 hervor, die zur Erhöhungder Bruchstauchung im Stahl genutzt werden können:Δε s = ε 1 + ε 2 + ε 3 (8)ε 1 = Kriech- und Schwindverformungε 2 = Wiederbelastbarkeit des Betons nach Kriech- undSchwindabfall/Aufatmenε 3 = Verformungsunterschied durch unterschiedlicheBelastungsgeschwindigkeit (wird später i. d. R. vernachlässigt)Ähnliche Verhältnisse treten bei Relaxationsversuchen(Abschn. 5.2) auf.Das angesprochene Nachbruchverhalten von Betonist deutlich in Bild 9 zu erkennen. Seine Auswirkunghängt vom Bewehrungsgrad ab und zeigt bei kleinem308Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800μ~5% das Versagen kurz nach Erreichen der maximalenBetontragfähigkeit, wenn die Traglast im Beton stärker abfälltals die Zunahme im Stahl.Bei hohem Bewehrungsgrad tritt dieser Zustand desMaximums später ein, so dass die Streckgrenzenlast imStahl erreicht wird und damit eine hohe Gesamtbruchlastauch ohne Kriechumlagerung. Man spricht in diesem Fallevon stützender Wirkung durch die Bewehrung bei hohemBewehrungsgrad. Selbstverständlich wäre die Gesamtbruchlastin beiden Fällen mittels Ansatz der Kriechumlagerungennoch steigerungsfähig, was aus den rotenLinien hervorgeht.Bei Betonstahl BSt 500 kommen diese Mechanismennur abgeschwächt zur Wirkung. Faseranteile im Beton erhöhendiesen Effekt.4.4 Kriechumlagerung in Abhängigkeit vomBewehrungsgrad μDa mit der neuen Bewehrungstechnik auch der Bereichmit Bewehrungsgrad μ >6% abgedeckt werden soll, istdessen Einfluss auf die Umlagerung interessant. Bild 10zeigt diese Abhängigkeit. Bei kleinem μ wird rasch dieStreck-/Stauchgrenze erreicht, die Umlagerungskraft istaber gering. Mit zunehmenden μ sind die Spannungserhöhungenim Stahl zwar geringer, der Beton wird jedochstark entlastet, die Umlagerungskraft nimmt zu.4.5 Exzentrisch beanspruchte DruckgliederBild 10. Einfluss des Bewehrungsgrads auf die Umlagerungbei konstanter äußerer Last P (im Vergleich zu Bild 16)Fig. 10. Influence of the reinforcement percentage on theredistribution under constant external load P (in comparisonto Fig. 16)Die vorstehenden Betrachtungen gelten – leicht verständlich– für zentrische Druckbeanspruchung (einfach innerlichstatisch unbestimmtes System, Bild 15). Bei zusätzlicherBiegebeanspruchung und komplizierterer Querschnittsform(zwei- und mehrfach innerlich statisch unbestimmt)kann mit dem Kriechfaserverfahren nachBusemann [9] das System entkoppelt und auf zwei zentrischbeanspruchte Stützen zurückgeführt werden, die inden beiden Kriechfasern KI und KII angeordnet sind(Bild 11). Ähnlich der Methode der Kernpunktmomentebeeinflussen sich die beiden Fasern/Stützen nicht. DenFasern KI und KII werden nach dem Hebelgesetz anteiligBeton- und Stahlflächen sowie Schnittgrößen aus Normalkraftund Moment (Kräftepaar M/c) zugeordnet. Inden jeweiligen, zentrisch beanspruchten Stützen lassensich die zeitabhängigen Umlagerungen Δε S im Gebrauchs-Bild 11. Entkoppelung nach Busemann in zwei zentrisch beanspruchte Druckglieder [9] KI und KIIFig. 11. Decoupling according to Busemann in two centric stressed compression members [9] KI and KIIBeton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5309

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800zustand wieder einfach bestimmen und als Druckvorspannungin die Bruchbemessung einführen.Neben dieser analytisch sauberen, durchgängigen Lösungwerden Vereinfachungen empfohlen, z. B. UmlagerungΔε S nur aus zentrischen Normalkraftanteil und Verschiebungdes Parabel-/Rechteck-Spannungsdiagrammsnach DIN 1045-1 um Δε S , siehe Abschn. 6.2.3.. Auf einegenauere, höhere Ausnutzung der Umlagerung kann verzichtetwerden (sichere Seite), da im Biegedruckbereichder Beton auch ohne Umlagerung bis 3,5‰ gestauchtwird und damit der Stahl in vielen Fällen ohnehin dieStauchgrenze erreicht. Erreicht der Stahl bei einer angesetztenBetonrandstauchung von 3,5‰ die Stauchgrenzenicht, sollten die Umlagerungen jedoch näher nachgewiesenwerden. Die erforderliche Bewehrung reduziert sichgegenüber einer Stützenbemessung mit BSt 500 im Verhältnisder Streckgrenzen.5 Versuche5.1 Rückliegende VersucheLeonhardt und Teichen untersuchten bereits im Jahre1972 Stützen, die aus einem Beton βw = 50 N/mm 2 undhochfesten Stahl St 600/900 bestanden [1]. Die Versuchsstützenwiesen Bewehrungsgrade zwischen 13 und 16%auf. Hier wurde, wie bei der Stütze mit S 670, das zeitabhängigeVerhalten des Betons berücksichtigt. Leonhardtund Teichen belasteten die Stützen 20 × 20 × 250 cm zentrischund exzentrisch, mit dem ständigen Anteil der Gebrauchslast,und ließen sie über einen längeren Zeitraumzwischen 70 Tagen und einem Jahr unter dieser Last stehen.Beim anschließenden Bruchversuch zeigte sich, dassder Beton ohne Schädigungen, wie Rissbildungen oderAbplatzungen, bis zur Quetschgrenze des hochfestenStahls belastet werden konnte. Bei der Bemessung wurdeder Beton nicht mit angesetzt. Er hatte jedoch die Aufgabe,den Korrosionsschutz der Bewehrung sicherzustellen,die Bewehrungsstäbe mit den Bügeln vor dem Ausknickenzu sichern und die Feuerwiderstandsdauer auf daserforderliche Maß zu vergrößern.Ein ähnliches Stützenkonzept kam im Jahr 2000 beimHerriot’s Hochhaus in Frankfurt zum Einsatz. Hier wurdevon Falkner et al. ein hochfester Beton C100/115, beiBewehrungsgraden von ca. 10% mit einem SonderstahlSt 750/1200 kombiniert. Für die dabei erforderliche Zustimmungim Einzelfall wurden Versuche zur Bestimmungdes Gebrauchs- und Bruchtragverhaltens sowie der Feuerwiderstandsdauerdurchgeführt [2].Bei diesen Stützen war die gegenüber DIN 1045 angehobeneBruchstauchung des Betons mit 2,75‰ immernoch kleiner als die Quetschgrenze des Stahls mit750/205 = 3,66‰. Das zeitabhängige Verhalten des Betonsblieb unberücksichtigt. Stattdessen wurde durch einenFasercocktail aus Polypropylen- und Stahlfasern derBeton duktiler gemacht. Auch bei schneller Belastung imBereich der Bruchstauchung des Betons waren so keineAbplatzungen oder Ablösungen möglich. Bei der Bemessungwurde oberhalb der Stauchungsgrenze desBetons die leicht abfallende Betonarbeitslinie berücksichtigt.Die Versuche zeigten, dass aufgrund des hohen Stahlanteilsbei schon abfallender Betonarbeitslinie noch einduktiles Tragverhalten der Stützen vorlag (Abschn. 4.3,Bild 9).5.2 Versuche an Stützen mit S 670 und PrismenversucheZur Prüfung der neuen Druckglieder wurden unter Einbezugvon älteren Versuchen acht Stützenstummel von 1 mLänge untersucht. Dabei sind im Wesentlichen die Laststandzeitenbzw. die Belastungsgeschichte der Versuchsstützenvariiert worden. Ergänzend wurden verschiedenePrismenversuche durchgeführt, um zur Analyse der Versucheweitere Anhaltspunkte zum Tragverhalten des Betonszu bekommen. Im Folgenden wird auf die prägnantestenVersuche näher eingegangen.Die Stützen waren mit einem mittig liegenden BewehrungsstabS 670 Durchmesser 75 mm und vier außenliegendenBewehrungsstäben BSt 500 Durchmesser10 mm bewehrt. Es waren 14 Bügeln mit Durchmesser6 mm angeordnet (Bild 12). Der Beton wies die FestigkeitsklasseC50/60 auf. Aus Gründen des Brandschutzeswaren 1,5 kg Polypropylenfasern pro m 3 Beton beigemischt.Der Beton enthielt quarzhaltigen Zuschlag miteiner Körnung 0/16 mm und einen Zement CEM II/A –S 42,5 R.Mit diesen Versuchen, bei denen zur Simulation deszeitabhängigen Betonverhaltens, d. h. der Kriech- undSchwindumlagerungen, unterschiedlich hohe Belastungs-Bild 12. Bewehrung und Querschnitt(20 x 20 cm) einer VersuchsstützeFig. 12. Reinforcement and cross section(20 x 20 cm) of a test column310Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800stufen weg- und kraftgeregelt gehalten wurden, sollten folgendezentrale Fragen geklärt werden:– Ist es möglich, bei entsprechenden Kriech- bzw. Relaxations-und Schwindumlagerungen den hochfesten Stahlvoll auszunutzen?– Wie verhält sich das Verbundsystem aus hochfestemStahl, hohem Bewehrungsverhältnis von μ = 13,4% undnormalfestem Beton, wenn der Beton seine Bruchstauchungbereits überschritten hat, sich also im Nachbruchbereichbefindet?– Wie verhält sich das System bei schneller Belastung,wenn keine zeitabhängigen Kriech- und Schwindumlagerungenstattfinden können?Im Folgenden werden die wichtigsten durchgeführtenStützenversuche tabellarisch zusammengefasst. Ausführlichsind die Versuche in [10] dokumentiert.Beim Versuch S5 wurde eine relativ hohe Dauerlastund eine Relaxationszeit von 20 Tagen gewählt, damitvergleichbare Kriechumlagerungen wie bei einer in derPraxis auftretenden geringeren Last und längerer Standzeitsimuliert wurden. Es konnte gezeigt werden, dass dieBruchstauchungen des Betons deutlich über das erforderlicheMaß von 670/(205 ×γ s ) = 2,84‰ verschoben werdenkönnen (Bild 13). Selbst 1 ‰ oberhalb dieser Bruchstauchungkam es zu fast keinen Betonablösungen. Erstbei sehr großen Stauchungen von etwa 4,5 bis 7‰ löstesich der Beton ab (Bild 14). Die Druckmuffe in S6 zeigtebei Erreichen der Streckgrenze eine zusätzliche Verformungvon nur 0,4 mm.Alle Versuche ergaben, dass durch Ausnutzung deszeitabhängigen Betonverhaltens der hochfeste Stahl S 670voll ausgenutzt werden kann und die beiden Materialien,Stahl und Beton, sogar unter Anwendung des größtenStahldurchmessers bis 75 mm, eine sehr gute Verträglichkeitaufweisen. Bei hohen Belastungsgeschwindigkeitenstellte sich eine Bruchstauchung von 2,8‰ im Beton ein.Auch hier wirkten im Nachbruchbereich des Betons beideTragkomponenten gut zusammen.Bei allen durchgeführten Kriech- bzw. Relaxversuchenkonnte der hochfeste Stahl voll ausgenutztwerden; es zeigt sich ein äußerst duktiles Tragverhalten.An Prismen aus gleichem Beton wie die Stützen wurdenvergleichende Kurzzeit-, Kriech- und Relaxationsversuchegemacht [10]. Hierbei hat sich nach der Standzeitbei Wiederbelastung der Beton etwas steifer als zuvor verhalten.Dies kann zum einen mit weitergehenden Hydratationsprozessender relativ jungen Betonprobe erklärtwerden, zum anderen könnte unter der Dauerlast eine gewisseVerdichtung des Betongefüges eingetreten sein, wasden geringen Anstieg des E-Moduls mit bewirkte. Auf dersicheren Seite liegend wird daher in der Bemessung(Abschn. 6.2) der Wiederbelastungsanteil ε 2 (Abschn. 4.3)nur zu 75% angesetzt.5.3 BrandversucheWegen der im Vergleich zu Stützen nach DIN 1045-1 geändertenParameter, wie der Bewehrungsdurchmesser undder höhere Bewehrungsgrad, ist es notwendig gewesen,das Brandverhalten der Stützen mit hochfestem S 670 experimentellund analytisch zu prüfen [11]. Bei der erstenpraktischen Anwendung im Opernturm Frankfurt machteninsbesondere die große Schlankheit und Stützenlängesowie eine sehr hohe Lastausnutzung besondere Untersuchungennotwendig.Da die durchgeführten Versuche direkt im Zusammenhangmit der Anwendung Opernturm Frankfurt stehen,wird im Teil II dieser Veröffentlichung, die in wenigenMonaten erscheint, näheres berichtet. Vorab kann gesagtwerden, dass sich der S 670 wie Tempcore-Betonstahlverhält. Die vermutete höhere Abplatzgefahr, die aufgrundBild 13. Traglast und Nachbruchverhalten von Stütze S5(Beispiel)Fig. 13. Carrying capacity and behaviour after failure of columnS5 (example)Bild 14. Zustand der Stützen S5 bei einer Stauchung von4,5‰, erste Ablösungen unten links (eingekreist)Fig. 14. Condition of column S5 at compressive strain of4,5‰, first spallings lower left (encircled)Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5311

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Tabelle 3. Die wichtigsten Eckdaten der Versuche (F a = Bruchlast Beton + Streckgrenzenlast Stahl)Table 3. The most important key data of the tests (F a = ultimate load concrete + yield load steel)Versuchs- Querschnitt Relaxationslast/Laststufen Bruchstauchung des Versuchartkörper Bewehrung Standzeiten Betons/QuerschnittsVersuchsablaufBruchlastS5 siehe Bild 12 ≈ 3300 kN = 60% F u Analytisch ermittelt: Relaxationsversuch480 Stunden 3,3 ‰ +F a = 5.160 kNweggesteuerter⇒ weggesteuerter 3,39 ‰ (Versuch) DruckversuchBruchversuch F u = 5.492 kN – zentrisch –S6 siehe Bild 12, ≈ 3300 kN = 60% F u Analytisch ermittelt: Relaxationsversuchgestoßen mit einer 24 Stunden 3,3‰ +Kontaktmuffe F a = 5.160 kN weggesteuerterweggesteuerter 3,92‰ (Versuch) DruckversuchBruchversuch F u = 5.219 kN – zentrisch –S7 siehe Bild 12 Schnell belastet bis zum Analytisch ermittelt: weggesteuerterBruch, weggesteuert 3,3‰ Druckversuch0,002 mm/s F a = 5.160 kNWeggesteuerter 2,8‰BruchversuchF u = 5.120 kN (Versuch)S8 siehe Bild 12 In Stufen innerhalb eines Analytisch ermittelt: Relaxation u.Tages belastet 3,3‰ weggesteuerter639 kN – 2h F a = 5.160 kN Druckversuch1278 kN – 2h 3,2‰1917 kN – 2h F u = 5.320 kN (Versuch)2555 kN – 2h3194 kN – 2h3833 kN – 2h⇒ Bruchversuchder großen Bewehrungsdurchmesser befürchtet wurde,trat bei den Versuchsstützen, die 1,5 kg Polypropylenfasernpro m 3 Beton aufwiesen, nicht ein. Genauso konnteeine reduzierte Feuerwiderstandsdauer, die sich möglicherweiseebenfalls aufgrund der höheren Bewehrungskonzentrationund der Wärmeleitfähigkeit des Stahls ergibt,nicht festgestellt werden.6 Bemessung des Druckglieds im GebrauchsundBruchzustand6.1 Bemessung nach EC2 und DIN 1045-1Wird zunächst vom einfachsten Fall der Pendelstütze derLänge ohne planmäßige Momentenbeanspruchung ausgegangen,so ist nach DIN 1045-1 Ziff. 8.6.3 und 8.6.4 unterbestimmten Randbedingungen ein Moment infolge einerungewollten Ausmitte e a zur Berücksichtigung vonImperfektionen mit in die Bemessung einzubeziehen.e a = α a1 · /2 (9)α a1 = 1/(100 · = 1/200 (10)Bei geringen Schlankheiten bzw. einen λ = /i (i = Trägheitsradius)bis 25 sind der Biegeanteil sowie die Zusatzbeanspruchungenaus Theorie II. Ordnung bei der Bemessungeiner Pendelstütze von untergeordneter Bedeutung.Es liegt ein voll überdrückter Querschnitt vor, die maßgebendeGröße für die Bemessung der Stütze ist der zentrischeDruck.Für den Fall der weitgehend zentrischen gedrücktenStütze ist die Stauchung ε c2 zu begrenzen. Diese Stauchungdarf im Punkt C (DIN 1045-1, Bild 30) des Querschnittsnicht überschritten werden.Bei einer Stauchung ε c2 , die bis zur BetonfestigkeitC50/60 2‰ beträgt und bis zur FestigkeitsklasseC100/115 stetig auf 2,2‰ ansteigt, ist es bis zur BetonfestigkeitsklasseC80/95 nicht ohne weiteres möglich, dieBetonstahlbewehrung aus BSt 500 vollständig bis zurQuetschgrenze ε yd = 500/(205 × 1,15) = 2,17‰ auszunutzen.Bei voll überdrückten Querschnitten und geringenAusmitten e d /h = 0,1 darf jedoch für Normalbeton einε c2 = 2,2‰ zugelassen werden, wodurch die volle Ausnutzungdes herkömmlichen Bewehrungsstahls BSt 500 ermöglichtwird. Grundlage dieses etwas größeren Stauchungswertesε c2 sind immer stattfindende Kriech- undSchwindstauchungen.Bei größeren Schlankheiten bzw. λ crit zwischen 25und 75 tritt der Einfluss der ungewollten Ausmitte in Abhängigkeitvon der Knicklänge, die sich aus den Lagerungsbedingungender Stützen ergibt, zunehmend in denVordergrund, so dass die Interaktion zwischen Normalkraftund Biegemoment, genauso wie bei planmäßigen zusätzlichenMomentenbeanspruchungen für die Bemessungrelevant ist. Die Bemessung hat unter Berücksichti-312Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800gung der in DIN 1045-1 gezeigten Arbeitslinien und derVerformungen nach Theorie II. Ordnung zu erfolgen. Inder Regel werden Langzeiteffekte, wie Kriechen undSchwinden dabei vernachlässigt. Bei der bevorstehendenNeuauflage der DIN 1045-1 wird jedoch die Berücksichtigungder Kriechausmitte k ϕ bei λ >50 vorgeschrieben. AufGrundlage des EC 2 sind dabei alle Dehnungswerte desBetons mit 1 + ϕeff, wobei ϕeff = ϕ ×M 1perm /M 1Ed ist, zumultiplizieren:M 1perm = Biegemoment nach Theorie I. Ordnung unterquasi ständiger Einwirkungskombination inkl.Imperfektion (Gebrauchstauglichkeit).M 1Ed= Biegemoment nach Theorie I. Ordnung unterder Bemessungs- Einwirkungskombinationinkl. Imperfektion (Bruchtragfähigkeit).Beim Einsatz des hochfesten Stahls S 670 sind aufgrundder höheren Quetschgrenze (Bild 7), insbesondere bei geringenSchlankheiten bei weitgehend zentrischem Druckgrößere Betonstauchungen zur vollen wirtschaftlichenAusnutzung des Stahls erforderlich. Wie schon angedeutet,wird daher nachfolgend das Bemessungskonzept desEC 2 bzw. DIN 1045-1 entsprechend angepasst.Dabei ist, wenn dem zeitabhängigen Einfluss günstigeBedeutung zukommt, mit eher unteren Kriech- undSchwindbeiwerten zur rechnen. Nicht lineares Kriechenist dem Heft 525 des DAfStb zu entnehmen.6.2 Modifizierte Bemessung beim Einsatz des S 670 durchAnsatz von K+S und/oder der Berücksichtigung desNachbruchverhaltens bei erhöhter Duktilität des Betons6.2.1 Allgemeines, ÜberblickDie Randbedingungen zur Ausnutzung des S 670 lassensich entsprechend vorstehender Ausführungen wie folgtzusammenfassen:– Ermittlung der Umlagerungen Δε S des Betons im Gebrauchszustandwährend der Bauphase (Abschn. 4.3,4.5 und 6.2.2).– Die Umlagerung Δε S geht als Druckvorspannung/Vorstauchung(analog Zugvordehnung im Spannbetonbau,siehe [12]) bei der Bruchbemessung ein.– Alternativ kann der Stauchungsgewinn Δε S auch der Betonstauchungzugeschlagen werden (Bild 18). Ansonstengilt die normale Stahlbetonbemessung.– Sollte der S 670 nach Berechnung der Umlagerung Δε Snicht vollständig ausgenutzt werden können, kann beihohem Bewehrungsgehalt zusätzlich die stützende Wirkungdes Stahls beim Nachbruchverhalten des Betonsberücksichtigt werden (Abschn. 4.3). Dies gilt umsomehr, wenn die Duktilität des Betons durch Fasern erhöhtwird.– Der Rechenablauf erfolgt in Zeitstufen, zweckmäßig miteinem Rechenprogramm (Abschn. 6.2.3)6.2.2 Ausnutzung von Kriechen und Schwindenbei der Bemessung mit ZahlenbeispielKennwerte: δ 1s = 1/(A s E s ) (11); δ 1c = 1/(A c E c ) (12); n = E s /E c (1); μ = A s /A c (13);α = δ 1c /(δ 1c + δ 1s ) = n · μ/(1 + nμ) = n · A s /A i (14); A i = A c + n · A s (2)Für ein Hochhaus werden zweckmäßig mehrere Stockwerkegebündelt, um die jeweiligen Zeit- und Laststufenzu untersuchen. Nachfolgend werden Ansätze und einvereinfachtes Zahlenbeispiel für nur eine Last- und Zeitstufeeiner zentrisch beanspruchten Stütze aufgezeigt(Bild 15):Gebrauchszustand vor k + s:Zahlen-Beispiel: P = 25138 kNN s = α · P (15); σ Ps = N s /A s = n · σ Pc (16) C50/60, A s = 319 cm 2 ,A c = 4681 cm 2N c = (1 – α)P (17); σ pc = N c /A c = P · /A i (18) n = 205000/36800 = 5,57σ εss = (1 – α) · ε s · E e (19) μ = 319/4681 = 0,0681σ εsc = –σ εs · μ (20) A i = 6458 cm 2 , α = 0,275Nach k + s: redϕ = 1, redε s = 15 · 10 –5Umlagerung nach Trost [9]:Umlagerung mit Verformungsmodul:Zurzeit t = 0:σ c0 = 25138 kN/6458 cm 2 = 38,93 N/mm 2σ s0 = σ c0 · n = 216,84 N/mm 2c d = 1 + (1 – α) · ϕ/(1 + α · ρ · ϕ) = 1,594 (21) E cϕ = E c /(1 + ϕ) = 18400 N/mm 2ρ = 0,8 Relaxationskoeff. n ϕ = (1 + ϕ) · n = 11,14c s = 1/(1 + α · ρ · ϕ) = 0,82 (22) A iϕ = 4681 + 11,14 · 319 = 8235 cm 2α ϕ = 11,14 · 319/8235 = 0,43σ st = σ s0 · c d + ε s · E s · c s (1 – α) (23) σ ct = 25138/8235 – 17,5 · 0,0681 == 345,6 + 18,3 = 363,9 N/mm 2 = 30,53 – 1,19 = 29,34 N/mm 2σ ct = (P – σ st · A s )/A c = 30,2 – 1,3 = 28,9 N/mm 2 (24) σ st = 11,14 · 30,53 + (1 – 0,43) · 15 · 10 –5 · 205000 == 340,1 + 17,5 = 357,6 N/mm 2Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5313

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Bild 16. Einfluss des Bewehrungsgrads auf die UmlagerungΔε S am Beispiel OpernturmFig. 16. Influence of the reinforcement percentage on the redistributionΔε s on the example OperturmBild 15. Einfach innerlich statisch unbestimmtes DruckgliedFig. 15. Compression member, statically indeterminate tofirst degreeDie Übereinstimmung der beiden Rechenverfahren istsehr zufriedenstellend.Umlagerung Stahlε 1 = (σ st – σ s0 )/E s = 0,000717 (25)Wiederbelastbarkeit/Aufatmen Betonε 2 = 0,75 · (σ c0 – σ ct )/E c = 0,000204 (26)Druckvorspannung/UmlagerungΔε s = ε 1 + ε 2 = 0,000717 + 0,000204 = 0,000921 → 0,921‰Mit dieser Druckstauchung Δε s kann der normale Bruchsicherheitsnachweisgeführt werden. Bei einer zentrischenBetonstauchung nach DIN 1045-1 von 2‰ wird derStahl mit insgesamt 2,921‰ Stauchung entspricht205 · 2,921 = 599 N/mm 2 > 670/1,15 = 583 N/mm 2 vollausgenutzt.In Bild 16 wurden beispielhaft die Umlagerungen unddamit die Ausnutzung des S 670 für verschieden auftretendeBewehrungsgrade ermittelt. Auch hier bestätigt sich dienahezu volle Ausnutzung des hochfesten Bewehrungsstahlsmittels k+s ohne Hinzuziehung weiterer Maßnahmen.Im Gegensatz zu Bild 10 werden hier die Querschnittevoll ausgenutzt. Stützen aus hochfestem Betonstahlmit hohen Bewehrungsgraden können im Gebrauchszustandvor Eintritt von Kriechen und Schwindenzu hohen Betonspannungen führen. In solchen Fällen istein Gebrauchsspannungsnachweis zu führen und die Betonspannungmit 0,45 × f ck zu begrenzen. Für den Biegeknicknachweisgilt DIN 1045-1 unter Einbezug der Stauchungaus der Druckvorspannung Δε S.Bild 17. Exemplarischer Belastungs-Zeitverlauf und Bildungvon Belastungsstufen zur BerechnungFig. 17. Exemplarily loading-time-trend and creation of loadincrements6.2.3 Rechenprogramm, VereinfachungFür die sukzessive Belastung während der Bauphase müssenmehrere Belastungsstufen gebildet werden (Bild 17),für die die Stauchungszuwächse bis zum Zeitpunkt derFertigstellung separat berechnet werden müssen. Es giltdas Superpositionsgesetz, jedoch sollten die Berechnungenzur Vereinfachung mit Hilfe eines Computerprogrammsdurchgeführt werden.Mittels geeigneter Masken wird die Eingabe erleichtert.Mit diesem Programm soll in Zukunft eine Matrix erstelltwerden, aus der die Umlagerung in Abhängigkeit vonfolgenden Parametern zu entnehmen ist:– Bewehrungsgrad– Dauerlasthöhe– Umlagerungsdauer– BetongüteMit dieser Kenntnis erübrigen sich zusätzliche Umlagerungsberechnungenim Bereich gewisser „Fenster“. Darüberhinaus werden Aussagen gemacht, ab wann bei größe-314Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800S 670 wie normaler Betonstahl. Es gelten daher zunächstdie Bemessungsgrundsätze des normalen Stahlbetonbaus[13]. Das Brandverhalten der Stützen mit S 670 ist im Zusammenhangmit der Zustimmung im Einzelfall für denOpernturm Frankfurt versuchstechnisch und analytischvon Prof. Hosser und Dr. Richter [11] untersucht worden.Die Stützen zeigten ein sehr günstiges Brandverhalten.Weitere Details sind in Teil II dieses Beitrags zum Opernturmzu finden. Um Betonabplatzungen zu vermeiden,sollte man bei hohen Feuerwiderstandsklassen allerdingsstets geringe Mengen von PP-Fasern zugeben.7 Konstruktive Durchbildung7.1 EinführungBild 18. Modifizierte Betonarbeitslinie zur Berücksichtigungdes Stauchungszuwachses Δε S zur Ausnutzung des hochfestenStahls S 670Fig. 18. Modified tensile test diagram to consider the increaseof compression a strain Δε s for utilisation of the highstrength steel S 670ren Schlankheiten eine Bemessung mit üblichen Stützenbemessungsprogrammenbei Reduzierung der Bewehrungim Verhältnis der Streckgrenzen möglich ist.Es werden Bemessungstabellen erarbeitet, mit denenbei weitgehend zentrisch beanspruchten Stützen eineeinfache Handbemessung und bei stärker exzentrischbeanspruchten Stützen mit üblichen Stützenbemessungsprogrammendie Bewehrung berechnet werdenkann.Als Vereinfachung (siehe Abschn. 4.5.) geht in dasProgramm ein, dass nur die Umlagerung aus zentrischerNormalkraft berücksichtigt wird, nicht aber die überdie Querschnittshöhe veränderliche Umlagerung Δε S(Bild 11). Außerdem wird Δε S nicht über die Druckvorspannungberücksichtigt, sondern der Betonstauchung zugeschlagen(Bild 18), was die gleiche Auswirkung hat.6.2.4 Erhöhung der Duktilität des BetonsWie schon erwähnt, kann durch Faserzusatz die Duktilitätdes Betons, auch ohne Ansatz von Umlagerungen, vergrößertwerden. Damit wird auch der Effekt des Nachbruchverhaltensdes Betons (Bild 9) verbessert. EntsprechendeVersuche werden zukünftig durchgeführt. DesWeiteren wäre auch durch Versuche zu klären, inwiefernin Abhängigkeit von verschiedenen hohen Bewehrungsgradendie Bruchstauchung des Betons ohne Einfluss vonKriechen und Schwinden auch bei schneller Belastungansteigt. Über diese aktive stützende Wirkung könnte einfrühzeitiger Abfall der Betontragfähigkeit nach Bild 9 gebremstwerden.6.3 Heiße BemessungEbenso wie die kalte Bemessung ist die heiße Bemessungvon Bedeutung. Wie bereits erwähnt, verhält sich derGrundsätzlich gilt EC 2 bzw. die nationalen Anpassungen.Folgende Eurocodenahen Einschränkungen bzw. Erweiterungensind vorzusehen:– Übergreifungsstöße auf Druck oder Zug sind nicht vorgesehen,damit sind Verbundbeanspruchungen und derenFolgen gering.– Mäßiger Zug bei großen Durchmessern bedeutet geringereAusnutzung als BSt 500, wegen zu großer Verformungbzw. zu breiten Rissen.– Betondeckung wegen Längsrissgefahr aus unterschiedlicherQuerdehnung zwischen Stahl und Beton und wegendes Brandschutzes ≥ 0,8 · ∅.– Max. Bewehrungsgrad μ ≤ 20%, Stabdurchmesser bis75 mm, Stahlgüte St 670/800.– Verringerte Bügeldurchmesser < 1 / 4 der Längsbewehrungbei knicksteifen Durchmessern des S 670 (Abschn.7.5).7.2 Stöße auf Druck und ZugZwar auf die volle Bruchtragfähigkeit ausgelegt, empfiehltes sich die Stöße um ca. 15 · ∅ bei C45/55 zu versetzen.Bei höheren Betongüten kann der Versatz um(45/f ck )(27) verringert werden. Damit liegt ein 50%-Stoß vor. Der Kontaktstoß kann auf Zug nicht beanspruchtwerden. Wegen des genannten Stoßversatzes läuftdaneben ein Stab ungestoßen durch, der dafür voll ausgenutztwerden kann.7.3 EndverankerungenMittels Ankerstück oder Ankerplatte und Verbundvorlängekann bei ausreichender Betonabmessung die Kraft mit zulässigemSchlupf (< 0,2 mm) auf Zug und Druck abgetragenwerden. Bei hoher Bewehrungskonzentration empfiehltsich die Durchführung eines Druck-Stumpfstoßes (ähnlichKontaktstoß) auf einer dicken Stahlplatte, die nach Stahlbau-und Stahlbetongesichtspunkten zu bemessen ist.7.4 Verbundspannungen aus Lasteintragungund KriechumlagerungenIm Regelfall werden unter und über der Decke die Bügelabständelt. DIN 1045-1 auf 60% der freien Länge verringert.Damit werden Störungen in der KraftverteilungBeton/Bewehrung und Lasteintragung aus den Deckenaufgenommen.Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5315

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800Die hier besonders bedeutsamen Umlagerungen führenzu nicht vernachlässigbaren Verbundbeanspruchungen.Diese sind von einer zur anderen Stütze eher klein, danur die Differenzumlagerung eingetragen werden muss.An den Enden einer Stützenreihe können diese Verbundspannungenauch größer sein und führen zu VerschiebungenStahl/Beton und Spaltzugkräften und sollten gesondertnachgewiesen werden.Durch die Verschiebung aus Lasteintragung entziehtsich der Stahl der Beanspruchung und der Beton wird dortüberbeansprucht. Wie in [14] zusammengefasst wird, erhöhtaber die dort vorgesehene konzentrierte Bügelbewehrungüber mehrachsige Beanspruchung die Betonfestigkeitin Längsrichtung mehr als die Lasterhöhungdurch Lastentzug der gleitenden Längsbewehrung. DieserEffekt tritt verringert auch bei normalem Stahlbetonbauauf. Daher ist eine Spaltzug-/Verbundsicherungsbewehrungim Eintragungsbereich in Form von Bügeln einzulegen,die die Verbundspannungen aus Deckenlasten undaus den Umlagerungen aufnehmen können.7.5 Bügeldurchmesser zur Knickverhinderunggroßer DurchmesserDie Normen schreiben einen Bügeldurchmesser von≥∅ L /4 vor und leiten dies aus der Knickgefahr von üblicherweisekleinerem Durchmesser der Längsbewehrung∅ L ab. Die Streckgrenzen-Knicklänge nach Eulerfall I beträgtbeim ∅ L = 75 mm S 670: 1,04 m und beim∅ L = 40 mm BSt 500: 0,64 m. Es genügt daher bei S 670bis ∅ L = 43 mm den Bügeldurchmesser zu ∅ L /4 anzusetzenund dann linear abnehmend auf ∅ L /6 beim∅ L = 75 mm; damit wird sogar eine größere effektiveBügelmenge längs der Knicklänge sichergestellt als nachDIN 1045-1.7.6 Durchdringung hochfeste Stütze/niederfesterDeckenbetonAuch hier wirkt der mehrachsige Spannungszustand inder Decke günstig, so dass laut [15] die Festigkeitsklassedes Deckenbetons bis zu 1/3 der des Stützenbetons betragenkann, ohne besondere Nachweise führen zu müssen.Anderenfalls kann die Kraftabtragung über eine durchgehendeBewehrung günstig angesetzt werden (Bild 19).7.7 Weitere konstruktive Details, wie DurchstanzenEs gelten die üblichen Konstruktionsdetails des Standsder Stahlbeton-Technik. Nachdem die Stützen, bewehrtmit S 670 eher geringere Querschnitte als üblich aufweisen,ist dem Durchstanzen besonderes Augenmerk zu widmen.8 Ausführung, ReferenzenDie Gewindestähle und die Komponenten unterliegen einerEigen- und Fremdüberwachung. Die Schnittstellendes Kontaktstoßes müssen planparallel mit einer maximalenAbweichung von 0,5° erfolgen. Transport, Lagerungund Montage, sowie Betonage und Nachbehandlung sindin Handbüchern festzuschreiben und von qualifiziertemBild 19. Durchdringung hochfeste Stütze – niederfesterDeckenbetonFig. 19. Penetration, high strength columns – low strengthconcrete slabPersonal qualitätsgesichert auszuführen. Mehr darüber imTeil II dieses Beitrags.Bisher wurden zwei Hochhäuser in den USA und derOpernturm in Frankfurt (siehe Teil II) mit der neuen Bewehrungstechnikerstellt, sowie kleinere Projekte in Moskau.Verschiedene Objekte sind in Planung.9 Zusammenfassung, AusblickMit dem vorgestellten neuen Bewehrungssystem fürDruckglieder aus SAS 670/800 wird der Anwendungsbereichdes EC 2 bzw. der DIN 1045-1 unter Qualitäts- undKostenverbesserung erweitert. Durch die aufgezeigte Verwendungdes hochfesten Stahls lassen sich Stützen herstellen,die bis zu ∼ 50% kleiner Querschnitte aufweisen.Dabei wird auf den im Beton- und Spannbetonbau (EC 2,DIN 1045-1, usw.) bekannten Regeln aufgebaut.Zeitabhängige Umlagerungen im Bauzustand ausKriechen und Schwinden des Betons, das Nachbruchverhaltenund/oder ein duktileres Verhalten von faserbewehrtenBeton werden berücksichtigt, um den hochfestenStahl bis zur Stauchgrenze auszunutzen.Es liegen mittlerweile mehrer Praxiserprobungen vor.Darüber hinaus sind Zulassungen in verschiedenen Länderninzwischen vorhanden. Eine europäische Zulassungmit der Berücksichtigung von Brandeinwirkungen befindetsich in Bearbeitung.Literatur[1] Leonhardt, F. und Teichen, K.-T.: Druckstoße von Bewehrungsstäbenund Stahlbetonstützen mit hochfestem StahlSt90; Heft 222 des DAfStb, Berlin 1972.[2] Eierle, B., Gabel, N. und Stenzel, G.: Fertigteilstützen ausHochleistungsbeton B125 für das Hochhaus HERRIOT’s inFrankfurt am Main; Betonwerk + Fertigkeit-Technik, Heft3/2003, 69 Jahrgang.[3] Falkner, H.: Trends und Entwicklungen im Bauwesen – HHStützen –, Braunschweiger Bauseminar 2000, ISBN 3-89288-131-6.[4] Wechtitsch, M.: GEWI-Stahl SAS 670 als Betonstahl; TechnischeUniversität Graz, Lehrstuhl für Massivbau, 2006.316Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5

H. Falkner/D. Gerritzen/D. Jungwirth/L. Sparowitz · Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800[5] Martin, H.: Zusammenhang zwischen Oberflächenbeschaffenheit,Verbund und Sprengwirkung von Bewehrungsstählen,DAfStb. Heft 228, Berlin 1973.[6] Hegger, J.: Pull Out Versuche N° 119/2004 vom 22.12.2004,TU Aachen.[7] Rüsch, H.: Stahlbeton Spannbeton, Band 1, Werner Verlag1972.[8] Rußwurm, D.: Beton und Stähle für den Stahlbetonbau,Bauverlag 1993.[9] Rüsch, H., Jungwirth, D. and Hilsdorf, H.: Creep and Shrinkage,Springer Verlag 1983, New York/Heidelberg.[10] Falkner, H., Gerritzen, D. und Grunert, J.: Stützenversuchemit SAS 670 ∅75 mm, Untersuchungsbericht N° 06S1315-a,2007, TU Braunschweig, sowie vergleichende Prismenversuche.[11] Hosser, D.: Brandversuche TU Braunschweig mit SAS 670,N° G 07011, 2007.[12] Bemessung von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen:Zilch, Rogge, Betonkalender 2002, T1 oder Grasser, Kupfer,Pratsch, Feix Betonkalender 1996, T1.[13] Fingerloos, F.: Heißbemessung von Stahlbetonstützennach DIN 4102, Fortbildungsveranstaltung Deutsche BetonundBautechnikverein, Heft 14, 2007.[14] Jungwirth, F.: Untersuchung zur Krafteinleitung über Zwischenverankerungenbei externen Spanngliedern, DissertationTU Leipzig 2003.[15] Weiske, R.: Durchleitung hoher Stützlasten bei Stahlbetonflachdecken;Dissertation TU Braunschweig 2004, ISBN3-89288-161-8.Dr.-Ing. Dominique GerritzenIBF-Ingenieurbüro Dr. FalknerUntere Walsplätze 2170569 Stuttgartd.gerritzen@ibf-falkner.deProf. Dr.-Ing. Dieter JungwirthKonstruktiver IngenieurbauLudwig-Thoma-Ring 2083670 Bad Heilbrunndieter.jungwirth@gmx.deProf. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Horst FalknerTechnische Universität BraunschweigInstitut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)Beethovenstraße 5238106 Braunschweigh.falkner@tu-bs-deProf. Dipl.-Ing. Dr. techn. Lutz SparowitzTechnische Universität GrazInstitut für BetonbauLessingstraße 258010 Grazlutz.sparowitz@TUGraz.atAktuellesErfolgreiche AuszubildendeDas Berufsförderungswerk für die Beton-und Fertigteilhersteller e.V. (BBF)hat die bundesweit besten Auszubildendender Betonfertigteilbranche ausgezeichnet.Peter Aicheler, Vorsitzender des BBF,gratulierte den Absolventen zu ihrenLeistungen und überreichte Urkundenund Geldpreise im Wert von jeweils250 €. In seiner Rede wies er auf die Bedeutungder Berufsausbildung für Wirtschaftund Gesellschaft hin. „Ausbildenschafft Zukunft, und nach dieser Devisebilden viele Unternehmen junge Leuteaus. Damit übernehmen sie nicht nurgesellschaftliche Verantwortung, sonderninvestieren auch in die eigene Zukunft“,betonte er vor rund 600 Gästenbei den Feierlichkeiten im Rahmen derAbendveranstaltung der 52. Betontage.Die Auszeichnung als beste Auszubildendeerhielten die BetonfertigteilbauerJoachim Kern, Lahr, Silvio Köhler,Nuthe-Urstromtal und Marco Uslaub,Wachenroth.Th.Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5317