Starre Anschlüsse im Betonfertigteilbau – eine neue Generation von Anschlüssen Colmshoe

Die neue Familie von Stützenfüßen Colmshoe ist die Antwort auf die wachsenden Anforderungen des modernen Fertigteilbaus. Sie bietet ein erweitertes Sortiment an Stützenfüßen, eine schnellere und zuverlässigere Montage, Flexibilität in der Anwendung und Sicherheit, wie die Nationale Technische Bewertung des ITB /Institutes der Bautechnik/ bestätigt.

Betonfertigteilbau in industriellen und gemeinnützigen Bauwerken

Betonfertigteile werden in großem Umfang im Industriebau und bei der Errichtung von großflächigen gemeinnützigen Bauwerken oder Lagerhallen eingesetzt [1]. Das Interesse an der Fertigbauweise wird aufgrund der Anforderungen an die Nachhaltigkeit, des Fortschritts in der Baustofftechnik und des Fachkräftemangels auf den Baustellen zweifelsohne zunehmen. Der effektive Einsatz von hoch- und ultrahochfesten Betonen ist unter Einhaltung geeigneter technologischer Rahmenbedingungen möglich, die durch die Herstellung von Bauteilen in einem Fertigteilwerk gewährleistet werden, und die Verbindung von Bauteilen aus solchen Betonen erfordert durchdachte und sichere Lösungen [2].

Steife versus gelenkige Anschlüsse in vorgefertigten Bauteilen

Bei einem vorgefertigten Tragwerk kann zwischen den Konstruktionselementen (Balken, Stützen) und den Verbindungen zwischen ihnen (gelenkig, flexibel oder starr) unterschieden werden. Ein typisches Beispiel für einen starren Anschluss, der Kräfte und Momente überträgt, ist die Verbindung zwischen einer Stütze und dem Fundament. Diese Art der Verbindung wird mit Hilfe von auslaufenden Wehreisen hergestellt, die in den von Wellrohren gebildeten Muffen verankert sind, häufiger werden jedoch vorgespannte Schraubverbindungen, die aus Fundamentankern und Stützenfüßen (engl. Columnshoe) bestehen, vgl. Bild 1.verwendet.

Bild. 1 Schraubverbindung Fundament-Stütze

Vorteile der Schraubverbindungen

Zu den wichtigsten Vorteilen von Schraubverbindungen gehören:

• kürzere Montagezeit der Stützen vor Ort (bis zu 100 % höhere Kapazität),
• wirksamer Anschluss unmittelbar nach der Verschraubung (keine temporären Stützen erforderlich), 
• höhere Zuverlässigkeit des Anschlusses aufgrund der präzisen Montage und der sorgfältigen Überprüfung der Leistungsmerkmale (insbesondere Tragfähigkeit und Feuerbeständigkeit) der Systemanschlüsse.

Vorteile der neuen Generation von Stützenfüßen Colmshoe der PFEIFER

Für die Bemessung der neuen Stützenfußserie wurden moderne Methoden der statischen Festigkeitsberechnung eingesetzt. Die ermittelten analytischen Parameter für die Tragfähigkeit des Anschlusses wurden durch entsprechende Festigkeitsprüfungen bestätigt.

Colmshoe umfasst zwei Gruppen von Anschlüssen (vgl. Abb. 2):

• Eckstützen CoRni
• Seitenstützen SiDi

Mehr über die neuen Stützen: 👉 Neue Familie der Stützenfüße Colmshoe

Jede der Colmshoe-Gruppen umfasst neun Typen von Stützen mit unterschiedlichen Größen und Zug- und Druckkräften, die durch Tragkräfte der einzelnen Bauteile im Bereich von 70 bis 530 kN gekennzeichnet sind. So kann beispielsweise zwischen der Größe 70 für Eckstützen CoRni und der Größe 70 für Seitenstützen SiDi (Stützen mit einer Tragfähigkeit von 70 kN) unterschieden werden.

Bild 2 Neue Generation der Stützenfüße Colmshoe

Innovative Form der SiDi-Anschlüsse zur Vermeidung von Exzentrizität

Die neue Generation von Eckstützen SiDi ist das Ergebnis evolutionärer Änderungen, die nach einer detaillierteren statischen Festigkeitsanalyse dieser Gruppe von Stützen eingeführt wurden.

Besonders hervorzuheben sind jedoch die SiDi-Seitenstützen, die einen völlig neuen, auf dem Baumarkt noch nicht verwendeten Anschlussquerschnitt aufweisen. Es handelt sich dabei um eine bahnbrechende Lösung mit einem Anschluss, der die Verankerungsexzentrizitäten des Stützenfußsockels gegenüber den Ankerstäben des Anschlusses praktisch beseitigt.

 Beide Gruppen von Stützen können getrennt oder in einer gemischten Anordnung verwendet werden, vgl. Bild 3. 

Bild 3 Beispiele für die Anordnung von Seiten- und Eckstützen in einem Fertigteilstützenprofil 

Die Entwicklung der neuen Gruppe von seitlichen Stützen wurde durch ein gründliches Verständnis der statischen Funktionsweise dieses Konstruktionsdetails ermöglicht. Die Exzentrizität zwischen den Achsen des Fundamentankers und der Bewehrungsstäbe führt zu großen Biegemomenten in der Grundfläche und der Rippe der Stütze sowie zur Erzeugung eines Kräftepaares, das beim Stützendruck durch die Druckspannungen auf den Beton und den hinteren Stab übertragen wird, vgl. Abb. 4. Bei den seitlichen Stützen fehlt diese Exzentrizität, wodurch die Dicke der Platten reduziert und auf den Rückenstab verzichtet werden konnte. Eine geringe Exzentrizität kann nur durch die Abweichung der Ankerachse innerhalb der Einbautoleranz auftreten. Die durch diese Exzentrizität verursachten horizontalen Momente und Kräfte sind jedoch gering, und die Standsicherheit der Stütze in horizontaler Richtung ist durch die Ausbildung der Rippe in der charakteristischen Bumerangform gewährleistet.

Bild 4 Vereinfachtes Berechnungsschema für die Colmshoe-Stütze beim Druck    

Moderne FEM-Analysemethoden für die Bemessung von Anschlüssen  

Ein weiterer Aspekt, der die Optimierung der Colmshoe-Stützenfüßen ermöglichte, war die Anwendung moderner statischer Festigkeitsanalysemethoden auf der Grundlage dreidimensionaler Modelle der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die FEM-Analysen berücksichtigten: das elastisch-plastische Werkstoffmodell des Stahls, den Kontakt zwischen der Grundplatte und der Ankerplatte sowie die Möglichkeit, dass sich die Rippe vom Vollbeton löst. Beispiele von FEM-Modellen für eine Stütze der Größe 100 sind in Bild 5 dargestellt. Das Ergebnis der nichtlinearen FEM-Analyse waren Kurven Kraft-Durchbiegung der Grundplatte und Karten der reduzierten Spannungen sowie der plastischen Verformung, die eine genaue Abschätzung der Tragfähigkeit der einzelnen Stützen ermöglichten. Die Richtigkeit der erzielten Ergebnisse wurde durch entsprechende zerstörende Versuche überprüft.

Bild 5 FEM-Modell der Eckstütze und der Seitenstütze  

Auswirkungen moderner Technologie auf die Verringerung des Kohlenstoff-Fußabdrucks

Im genannten Artikel wird eine mögliche Lösung für eine starre Verbindung zwischen Stütze und Fundament unter Verwendung von Schraubverbindungen am Beispiel der neuen Generation von Colmshoe -Stützenfüßen der Firma PFEIFER vorgestellt. Der Planungsprozess dieses Produkts veranschaulicht, wie moderne Analysemethoden, die bisher in der Automobil- oder Luft- und Raumfahrtindustrie üblich waren, eine Optimierung der Anschlüsse für Betonfertigteile ermöglichen. Aufgrund des industriellen Charakters ihrer Herstellung ist dieser Ansatz kosteneffizient und trägt erheblich zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks neuer Fertigteilgebäude und -bauwerke bei.

Literaturverzeichnis

[1] G. Adamczewski, P. Woyciechowski: Prefabrykacja – jakość, trwałość, różnorodność. /Vorfertigung – Qualität, Lebensdauer, Vielfalt/ Heft 1. Verband der Betonhersteller, Warszawa 2014.

[2] K. Janczura: Kierunki dalszego rozwoju konstrukcji z betonów prefabrykowanych – od B15 do C 110/115. / Richtungen der Weiterentwicklung von Betonfertigteilbauten – von B15 bis C 110/115/ Betontage 2014, Wisła 13-15. Oktober 2014.