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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Betonverbundstütze mit
einem Stützenkern
aus Hochleistungsbeton, vorzugsweise ultrahochfestem Beton, und
einer Mantelschicht aus normalfestem Beton für hochbeanspruchte Druckglieder
des Hoch-, Industrie- und Brückenbaus.
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Herkömmliche
Stahlbetonstützen
bestehen entweder aus normalfestem oder hochfestem Beton sowie einer
in Längs-
und Querrichtung der Stütze angeordneten
Bewehrung aus Betonstahl. Insbesondere bei überwiegender Normalkraftbeanspruchung werden
Stahlbetonstützen
häufig
sehr vorteilhaft im Hoch-, Industrie- und Brückenbau eingesetzt.
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Stahlbetonstützen aus
normalfestem Beton sind auf Grund der relativ geringen Betondruckfestigkeit
nicht zur Aufnahme sehr hoher Normalkräfte, wie sie z. B. im Hochhausbau
auftreten, geeignet, da sich zu große Querschnittsabmessungen
ergeben, die die Wirtschaftlichkeit, Gestaltung und Nachhaltigkeit
der Stütze
stark beeinträchtigen.
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Ein
wesentlicher Vorteil von Stützen
aus normalfestem Beton ist der hohe Brandwiderstand. Im Brandfall
geht bei Temperaturen von über
100°C das im
Festbeton gebundene Poren- und Kristallwasser in den dampfförmigen Aggregatzustand über. Das Porenvolumen
und die Porenstruktur sind aber in der Lage, den entstehenden Dampfdruck
zu begrenzen bzw. den Wasserdampf teilweise aus der Stütze abzuführen. Dadurch
treten bei Stützen
aus normalfestem Beton keine oder nur sehr geringe Gefügeschädigungen
oder Betonabplatzungen auf, die den tragenden Betonquerschnitt schwächen. Weiterhin
wird die hinter der Betondeckung liegende Betonstahlbewehrung wirkungsvoll
gegen die Brandeinwirkung geschützt.
Infolgedessen tritt bei Stützen
aus normalfestem Beton im Brandfall nur eine geringe Tragfähigkeitsreduzierung
ein.
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Stahlbetonstützen aus
Hochleistungsbeton können
bei gleichen Querschnittsabmessungen deutlich größere Druckkräfte als
Stützen
aus normalfestem Beton aufnehmen. Dadurch können auch hochbelastete Stützen mit
geringen Stützenabmes sungen
realisiert werden und das Anwendungsspektrum von Stahlbetonstützen wird
maßgeblich
erweitert. Hochleistungsbeton besitzt jedoch eine deutlich sprödere Versagenscharakteristik
als Normalbetonbeton. Deshalb müssen
Stützen
aus Hochleistungsbeton zur Sicherstellung eines duktilen Tragverhaltens
mit einer Wendel- oder Bügelbewehrung
umschnürt
werden. Da die Umschnürungsbewehrung auf
Grund der zu gewährleistenden
Betondeckung nicht direkt an der Stützenaußenseite angeordnet werden
kann, wird nicht der gesamte tragende Stützenquerschnitt umschnürt. Dadurch
reduziert sich effektiv nutzbare Tragfähigkeit des Stützenquerschnitts.
Eine weitere Möglichkeit
die Duktilität
von Hochleistungsbeton zur verbessern sind Faserzusätze, meistens
Stahlfasern, die in den Beton eingemischt werden. Allerdings werden
dadurch die Frischbetoneigenschaften verschlechtert und die Materialkosten
gegenüber
einem ungefaserten Beton deutlich erhöht.
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Das
Brandverhalten von Stützen
aus Hochleistungsbeton ist wesentlich ungünstiger als das von Stützen aus
normalfestem Beton. Ursache hierfür ist das sehr dichte Gefüge des hochfesten
Betons, durch das der im Brandfall entstehende Wasserdampf nur schwer
entweichen kann. Der Porendruck führt zu Zugspannungen und Mikrorissen,
die die Bauteiltragfähigkeit
reduzieren. Dadurch kommt es an der Bauteiloberfläche zu deutlichen
Betonabplatzungen, die den Stützenquerschnitt
schwächen
und die Betonstahlbewehrung freilegen. Dadurch entsteht insbesondere
bei schlanken Stützen
ein stark exzentrisch belasteter Stützenquerschnitt und damit eine
erhebliche Reduktion der Tragfähigkeit.
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Zur
Verbesserung des Brandverhaltens können dem Beton Fasern aus Polypropylen
zugesetzt werden, die im Brandfall schmelzen und dadurch Poren und
Kanäle
freigeben, die den Porendampfdruck reduzieren. Da die Fasern wegen
ihrer geringen Steifigkeit und Festigkeit als Störstellen in der Betonmatrix
wirken, sinkt jedoch mit steigendem Fasergehalt die nutzbare Betondruckfestigkeit
merklich. Darüber hinaus
wirkt sich die Faserzugabe negativ auf die Frischbetoneigenschaften
aus.
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Herkömmliche
Stahlbetonstützen
müssen entweder
vollständig
auf der Baustelle oder vollständig
im Werk hergestellt werden. Insbesondere bei größeren Stützenabmessungen ergeben sich
dadurch zum Teil sehr hohe Transport- und Montagegewichte, die die
wirtschaftlichen Vorteile von vorgefertigten Stahlbetonstützen reduzieren.
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Zur Übertragung
hoher Lasten eignen sich auch Kernprofilstützen. Hierbei handelt es sich
um Stützen,
die aus einem ausbetonierten Stahlhohlprofil mit einem zentrisch
angeordneten massiven Stahlkern bestehen. Vorteil der Kernprofilstützen ist
die hohe Tragfähigkeit
der Stütze,
die auch im Brandfall weitgehend erhalten bleibt. Weiterhin kann
die Kernprofilstütze
komponentenweise zur Baustelle gebracht werden, wodurch sich die
Transport- und Montagegewichte reduzieren lassen.
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Wesentlicher
Nachteil der Kernprofilstützen sind
die kostenintensiven Stahlkerne, die darüber hinaus oft schlechte verfügbar sind
und lange Lieferzeit erfordern. Außerdem muss sich der Anwender
von Kernprofilstützen
auf wenige Anbieter beschränken, da
für die
Bemessung der Stützen
nicht frei zugängliche
herstellerspezifische Informationen notwendig sind.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine schlanke Stütze aus Beton zu konzipieren,
die sowohl eine hohe Tragfähigkeit
und Duktilität
als auch einen hohen Brandwiderstand besitzt, ohne dabei die nachteiligen
Faserzusätze
zu benötigen.
Gleichzeitig soll die Stütze
einen hohen Vorfertigungsgrad ermöglichen und einfach herzustellen
und zu transportieren sein.
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Die
Aufgabe wird durch eine Betonverbundstütze mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Stütze besitzt
einen beliebigen meist jedoch kreisförmigen oder viereckigen Querschnitt.
Die Stütze
kann sowohl vorwiegend durch Normalkräfte als auch durch Normalkräfte und Biegemomente
beansprucht werden. Zentrisch im Stützenquerschnitt wird ein Stützenkern
aus Hochleistungsbeton, vorzugsweise ultrahochfestem Beton, angeordnet.
Der Stützenkern
ist von einer Mantelschicht aus normalfestem Beton umschlossen.
Sowohl der Stützenkern
als auch die Mantelschicht können
mit einer Bewehrung aus Betonstahl umschürt bzw. verstärkt werden.
Die Umschnürungsbewehrung
für den
Stützenkern
kann unmittelbar am Querschnittsrand des Kerns angeordnet werden
und wirkt deshalb höchst
effizient. Zusätzlich
kann sowohl um den Stützenkern
als auch um die Mantelschicht ein Hohlprofil aus einem zugfesten
Material, z. B. aus Stahl, vorgesehen werden.
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Durch
die Kombination eines Stützenkerns aus
Hochleistungsbeton, vorzugsweise ultrahochfestem Beton, der im wesentlichen
die Druckkräfte überträgt, mit
einer Mantelschicht aus normalfestem Beton, die zum einen als Umschnürung für den Stützenkern
dient und ihn zum anderen wirkungsvoll vor Brandeinwirkungen schützt, können in
dem so gebildeten Verbundsystem die materialspezifischen Vorteile
des Hochleistungsbetons mit denen des normalfesten Betons in idealer
Weise verknüpft
werden und führen
zu einer hochleistungsfähigen
Betonverbundstütze.
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Der
Stützenkern
besteht aus Hochleistungsbeton mit einer Druckfestigkeit von mindestens
100 N/mm2. Vorzugsweise wird ultrahochfester
Beton mit einer Druckfestigkeit von mehr als 150 N/mm2 verwendet,
die sich durch eine gezielte Wärmebehandlung
bis auf etwa 300 N/mm2 steigern lässt. Durch
die extrem hohe Druckfestigkeit des Stützenkerns kann die Betonverbundstütze sehr
hohe Lasten mit geringen Querschnittsabmessungen übertragen.
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Der
Stützenkern
kann auf der Baustelle in Ortbetonbauweise hergestellt oder in einem
Werk vorgefertigt werden. Bei einer Vorfertigung des Stützenkerns
kann dieser kostenoptimiert in größeren Abschnittslängen produziert
werden. Durch nachträgliches
Zuschneiden wird die Länge
der Stützenkerne
an die jeweils benötigte
Länge angepasst.
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Mit
Hilfe einer unmittelbar am Querschnittsrand des Stützenkerns
angeordneten Längs-
und Wendel- bzw. Bügelbewehrung
aus Betonstahl wird eine höchst
wirkungsvolle Umschnürung
des hochbelasteten Kerns erreicht und dadurch ein schlagartiges
Versagen des festen, aber auch sehr spröden, hochfesten bzw. ultrahochfesten
Betons verhindert. Dadurch sind keine Faserzusätze für die Sicherstellung der Duktilität erforderlich.
Die Wendel- bzw. Bügelbewehrung
führt weiterhin
zu einer Behinderung der Querdehnung des Kerns und damit zu einem räumlichen
Spannungszustand, der die nutzbare Betondruckfestigkeit des Betons
und damit die Tragfähigkeit
der Stütze
weiter steigert. Darüber
hinaus wird durch die weit außen
liegende Bewehrung Beschädigungen
des stoßempfindlichen
Stützenkerns
wirkungsvoll vorgebeugt.
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Die
Mantelschicht aus einem normalfesten Beton übernimmt zum einen eine tragfähigkeitssteigernde
Umschnürungsfunktion
für den
Stützenkern. Gleichzeitig schützt der
Betonmantel den temperaturempfindlichen Stützenkern bei Brandeinwirkung
wirkungsvoll gegen direkte Beflammung und schnelle Aufheizung. Dadurch
wird auch im Brandfall eine hohe Tragfähigkeit der Betonverbundstütze sichergestellt.
Im Stützenkern
kann auf Polypropylenfasern zur Sicherstellung des Brandwiderstandes
verzichtet werden, wodurch keine Reduzierung Betondruckfestigkeit
und damit der Tragfähigkeit
der Stütze
auftritt. Die Tragfähigkeit
und der Brandwiderstand der Mantelschicht können mit Hilfe einer Längs- und
Wendel- bzw. Bügelbewehrung
aus Betonstahl erhöht
werden. Alternativ oder ergänzend
kann die Mantelschicht in Längsrichtung
mit Litzen aus Spannstahl vorgespannt werden. Durch die Bewehrung
in der Mantelschicht kann die Betonverbundstütze Biegemomente auf Grund
der großen
statischen Höhe
sehr effizient aufnehmen. Weiterhin kann die Mantelschicht als Schalung
für den
Stützenkern
eingesetzt werden.
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Die
Herstellung der Mantelschicht kann entweder auf der Baustelle oder
in einem Fertigteilwerk erfolgen. Wird die Mantelschicht als Rohr
vorgefertigt, so kann dieses zunächst
kostengünstig
in größeren Längen hergestellt
werden. Die Anpassung auf die jeweils erforderliche Länge erfolgt
durch nachträgliches
Zuschneiden.
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Um
den Stützenkern
und/oder die Mantelschicht können
je nach Anforderung an die Tragfähigkeit
und Ansichtsfläche
der Stütze
Hohlprofile aus einem zugfesten Material, z. B. Stahl, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
oder glasfaseverstärktem Kunststoff,
angeordnet werden, die ebenfalls als Umschnürung wirken und in Abhängigkeit
von der Wandstärke
auch Normalkräfte
und Biegemomente aufnehmen können.
Die Hohlprofile können
alternativ oder ergänzend
zur Betonstahlbewehrung im Stützenkern
bzw. der Mantelschicht eingesetzt werden. Daneben können die
Hohlprofile als Schalung für
den Stützenkern
und/oder die Mantelschicht genutzt werden.
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Alternativ
zu den Hohlprofilen können
auch Lamellen aus kohlenstoff- oder glasfaserverstärktem Kunststoff
zur Umschnürung
des Stützenkerns
bzw. der Mantelschicht verwendet werden.
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Der
komponentenartige Aufbau der erfindungsgemäßen Betonverbundstütze gestattet
es, die Stütze
entweder vollständig
auf der Baustelle oder vollständig
im Fertigteilwerk oder teilweise im Fertigteilwerk und auf der Baustelle
herzustellen. Dadurch ist eine hohe Flexibilität bei der Herstellung, dem Transport
und der Montage gegeben. So werden die Transport- und Montagegewichte
auch bei größeren Stützen klein
ge halten. Damit werden im Vergleich zu herkömmlichen Fertigteilstützen aus
Stahlbeton die Anwendungsmöglichkeiten
und die Wirtschaftlichkeit der Betonverbundstütze wesentlich verbessert.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden
Ausführungsvarianten
beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
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1, 2 und 3 mögliche Ausführungsvarianten
der Betonverbundstütze
im Längs- und
Querschnitt,
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4 mögliche Querschnittsformen
der Betonverbundstütze.
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1 zeigt
die Ausführungsvariante
I der Betonverbundstütze
mit dem Stützenkern 1 aus Hochleistungsbeton,
vorzugsweise ultrahochfestem Beton, der von einer Längs- und
Wendelbewehrung 2 aus Betonstahl umschürt wird. Eine Mantelschicht 3 aus
normalfestem Beton umgibt den Stützenkern 1. Die
Innenseite der Mantelschicht 3 kann glatt oder, zur Verbesserung
des Verbundes zwischen dem Stützenkern 1 und
der Mantelschicht 3, profiliert ausgebildet werden. Durch
eine Längs-
und Wendelbewehrung 4 aus Betonstahl wird die Mantelschicht 3 verstärkt.
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Die
Herstellung der Ausführungsvariante
I erfolgt, indem zuerst die Mantelschicht 3 inklusive der Bewehrung 4 hergestellt
wird. Danach wird die Bewehrung 2 für den Stützenkern 1 in die
Stütze
eingestellt. Abschließend
wird der Stützenkern 1 betoniert, wobei
die Mantelschicht 3 vorteilhaft als Schalung für den Stützenkern 1 genutzt
wird. Die Ausführungsvariante
I ist besonders geeignet, wenn der Stützenkern 1 auf der
Baustelle in Ortbetonbauweise realisiert und die Mantelschicht 3 als
Rohr werksmäßig vorgefertigt
werden soll.
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2 verdeutlicht
die Ausführungsvariante
II der Betonverbundstütze.
Die Stütze
besteht aus dem Stützenkern 1 aus
Hochleistungsbeton, vorzugsweise ultrahochfestem Beton, der ihn
umschnürenden Längs- und
Wendelbewehrung 2 aus Betonstahl und der Mantelschicht 3 aus
normalfestem Beton. Die Außenseite
des Stützenkerns 1 kann
glatt oder mit einer Profilierung zur Verbesserung des Verbunds
zwischen dem Kern 1 und der Mantelschicht 3 ausgeführt werden.
Abweichend zur Ausführungsvariante
I wird an der Außenseite
der Stütze
ein Hohlprofil 5 aus einem zugfesten Material, z. B. Stahl,
vorgesehen. Dadurch ist es möglich,
wie in der rechten Stützenhälfte dargestellt,
auf die Bewehrung 4 in der Mantelschicht 3 zu
verzichten. Wird die Mantelschicht 3 mit einer Längs- und
Wendelbewehrung 4 aus Betonstahl ausgeführt, kann dadurch die Tragfähigkeit
der Mantelschicht 3 weiter gesteigert werden. Diese Ausführung ist
in der linken Stützenhälfte gezeigt.
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Bei
der Ausführungsvariante
II wird zuerst der Stützenkern 1 inklusive
der Bewehrung 2 hergestellt. Anschließend wird der Stützenkern 1 mit
der Bewehrung 2 in das Hohlprofil 5 eingestellt.
Nachdem ggf. noch die Bewehrung 4 ergänzt wurde, wird die Mantelschicht 3 betoniert.
Hierbei können
der Stützenkern 1 als
innere und das Hohlprofil 5 als äußere Schalung genutzt werden.
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Die
Herstellungsvariante II lässt
sich besonders vorteilhaft anwenden, wenn der Stützenkern 1 im Werk
vorgefertigt werden soll und die Mantelschicht 3 auf der
Baustelle in Ortbetonbauweise realisiert wird.
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3 stellt
die Ausführungsvariante
III der Betonverbundstütze
dar. Die Stütze
besteht aus dem Stützenkern 1 aus
Hochleistungsbeton, vorzugsweise ultrahochfestem Beton, der Mantelschicht 3 aus normalfestem
Beton und dem an der Außenseite
der Stütze
angeordneten Hohlprofil 5 aus einem zugfesten Material,
z. B. aus Stahl, besteht. Wie bei der Ausführungsvariante II kann die
Mantelschicht 3 wahlweise mit oder ohne Längs- und
Wendelbewehrung 4 aus Betonstahl ausgebildet werden. Zusätzlich zur
Ausführungsvariante
II wird um den Stützenkern 1 ein
weiteres Hohlprofil 6 angeordnet, das ebenfalls aus einem
zugfesten Material, z. B. Stahl, besteht. Das Hohlprofil 6 kann
glatt oder, zur Verbesserung des Verbundes zwischen dem Kern 1 und
der Mantelschicht 3, profiliert oder mit stiftförmigen Verbundmitteln
ausgebildet werden. Durch das Stahlhohlprofil 6 kann auf
die Bewehrung 2 des Stützenkerns 1 verzichtet
werden. Diese Ausführung
zeigt die rechte Stützenhälfte. Wird
der Stützenkern 1 mit einer
Längs-
und Wendelbewehrung 2 aus Betonstahl ausgeführt, wird
dadurch die Tragfähigkeit
des Kerns 1 weiter gesteigert. Diese Ausführung ist
in der linken Stützenhälfte dargestellt.
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Die
Herstellungsreihenfolge des Stützenkerns 1 bzw.
der Mantelschicht 3 kann bei der Ausführungsvariante III beliebig
gewählt
werden. Dabei dienen die beiden Hohlprofile 5 und 6 als
Schalung.
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Die
Herstellungsvariante III eignet sich sehr gut, wenn sowohl der Stützenkern 1 als
auch die Mantelschicht 3 auf der Baustelle in Ortbetonbauweise
realisiert werden sollen.
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4 zeigt
mögliche
Querschnittsformen der Betonverbundstütze an Hand der Ausführungsvariante
I. Der Stützenkern 1 und
die Mantelschicht 3 können
dabei eine identische Querschnittsform, z. B. kreisförmig oder
quadratisch, besitzen. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
dass der Stützenkern 1 und
die Mantelschicht 3 verschiedene Querschnittsformen aufweisen,
z. B. kann der Stützenkern 1 kreisförmig und
die Mantelschicht 3 quadratisch sein oder umgekehrt. Dadurch
wird eine große
Gestaltungsfreiheit der Betonverbundstütze erreicht, die auch mit den
Ausführungsvarianten
II und III realisiert werden kann.