Clara Walsemann, M.Sc.

• Baukonstruktion 1 - Stabtragwerke
• Baukonstruktion 2 - Wandbauten und Technisches Darstellen
• Baukonstruktion 3 - Skelettbauten
• Baukonstruktion 4 - Details
• Mauerwerksbau

• Tragwerksplanung im Bestand
• Tragwerksplanung im Mauerwerksbau

Ein Kooperationsprojekt des Lehrstuhls für Massivbau der Ruhr-Universität Bochum und des Fachgebietes Massivbau der Hochschule Bochum

Stahlbetonbauteile sind während ihrer Nutzungsdauer neben den eigentlichen Lasteinwirkungen zusätzlich Zwangeinwirkungen unterworfen. Diese ergeben sich immer dann, wenn ein Bauteil infolge von Betonschwinden oder infolge von Temperatureinwirkungen das Bestreben hat, sich zu verlängern oder zu verkürzen, durch seine Auflagerung aber an derartigen Verformungen gehindert wird. Die beschriebenen Zwangkräfte können rechnerisch nur mit erheblichem Aufwand exakt bestimmt werden und werden deshalb in der Praxis üblicherweise auf der sicheren Seite liegend abgeschätzt. Dadurch ergibt sich eine immense Verschwendung von Bewehrungsstahl, die sich vermeiden ließe, wenn einfach handhabbare Verfahren für eine wirklichkeitsnahe Abschätzung der Zwanglängskräfte in Stahlbetondecken existieren würden.

Im Rahmen des hier beschriebenen Forschungsprojektes soll ein Verfahren, mit dem die in Stahlbetondecken infolge von Temperatureinwirkungen auftretenden Zwangkräfte wirklichkeitsnah abgeschätzt werden können, entwickelt werden.

Hierfür wurden zunächst anhand kleinformatiger Versuchskörper in der Klimakammer des Labors für Baustoffe und Konstruktiven Ingenieurbau der Hochschule Bochum Zwangkräfte für bestimmte konstante relative Luftfeuchten und für bestimmte konstante Temperatureinwirkungen experimentell bestimmt.

Die Ergebnisse der Versuche wurden anschließend mit Hilfe der im Fachgebiet Massivbau eingesetzten FEM-Software DIANA im Rahmen von physikalisch nichtlinearen Simulationen analysiert. Die Werte einzelner Parameter (z.B. der Bruchenergie, der Verbundsteifigkeit, etc.) wurden in den FEM-Modellen so kalibriert, dass die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen mit möglichst genauer Übereinstimmung nachgerechnet werden können.

Anschließend wurde mit Hilfe des auf diese Weise gewonnenen FEM-Modelle, im Rahmen einer Parameterstudie die Zwangkräfte in einfeldrigen Stahlbetondecken unter vorgegebenen Temperaturbeanspruchungen ermittelt. Hierfür wurden praxisübliche Abmessungen, Betonfestigkeitsklassen, Bewehrungsabstände und Temperaturdifferenzen verwendet.

In einem weiteren Schritt wird eine Empfindlichkeitsstudie zum Einfluss ausgewählter Parameter auf die Entwicklung der Zwangkraft mithilfe stochastischer Verfahren durchgeführt.

Im letzten Schritt der Bearbeitung wird das Konzept der Bemessungsnorm DIN EN 1992-1-1 zur Berechnung der Rissbreiten infolge von Zwangkräften überprüft. Erste Vorarbeiten führen zu der Vermutung, dass das Konzept nicht gleichermaßen für die Berechnung der Rissbreiten infolge von „Zwang infolge von Temperatureinwirkungen“ und für „Zwang infolge von Betonschwinden“ geeignet ist. Da die Rissbreiten infolge von Zwangeinwirkungen der häufigste Grund für Bauschäden sind, soll hier eine Anpassung des Normkonzeptes erarbeitet werden, mit der derartige Bauschäden in Zukunft vermieden werden können.

Walsemann, C.; Albert, A.; Mark, P. (2022) Experimentelle und numerische Untersuchungen zu Zwangkräften aus Temperaturdifferenzen. Beton- und Stahlbetonbau 117, H. 11, S. 901–912.
doi.org/10.1002/best.202200061

Der Baustoff (Stahl)beton dominiert nach wie vor die weltweite und deutsche Baubranche. Bei der Herstellung von einer Tonne des für Beton benötigten Zementes werden 0,61 t CO₂ freigesetzt. Allein im Hochbau werden weltweit etwa 2,5 Mrd. Tonnen Zement verbraucht. Davon entfallen allein 55 % und somit ca. 1,4 Mrd. Tonnen Zement und 0,83 Mrd. Tonnen CO₂ auf Decken und Fundamente im Hochbau. Mangelnde Leichtbauansätze führen dazu, dass aktuell unnötig viel Beton sowie Stahl verbraucht werden und Decken sowie Fundamente, die die Lasten aus allen darüberliegenden Bauteilen aufnehmen müssen, stärker ausgelegt werden als erforderlich. All dies ist mit einem unnötig hohen CO₂-Ausstoß verbunden.

Eine Lösung zur Reduktion des Betoneinsatzes in Decken und Fundamenten bieten Hohlkörper mit einem Einsparpotenzial an Material und CO₂ von bisher ca. 25 % gegenüber massiven Betondecken. Diese Hohlkörper verdrängen den Beton in Bereichen, in denen er für die Tragfähigkeit kaum benötigt wird, und sparen hierdurch effektiv Beton und CO₂ ein. Nachteil bisheriger Hohlkörper-Systeme ist jedoch die Reduktion der Querkrafttragfähigkeit gegenüber Betonmassivdecken bzw. -fundamenten, sodass sich der effektive Einsatzbereich verringert. Somit weist die Leichtbauweise mit Hohlkörpern bisher häufig Kostennachteile gegenüber massiven Decken und Fundamenten auf. Trotz der Umweltvorteile von Hohlkörpersystemen wird daher weiterhin der weitaus größte Teil der Decken und Fundamente in massiver Bauweise ausgeführt.

Zentrales Ziel des Projektes ist es, die Querkrafttragfähigkeit von Hohlkörper-basierten zweiachsig gespannten Decken und Fundamenten um 50 % zu steigern und auf diese Weise das Einsatzgebiet der Hohlkörpertechnologie sowie das Einsparpotenzial hinsichtlich Material, CO₂ und auch Kosten zu maximieren, sodass Hohlkörper-basierte Decken sowie Fundamente erstmals einen Preisvorteil gegenüber Massivdecken bieten.

Innovative Ansätze sind dabei:

• die Erarbeitung und Realisierung einer innovativen Hohlkörpergeometrie,
• die Erarbeitung von Konzepten zur effizienten Montage und Installation auf der Baustelle,
• die Untersuchung der Rezyklierbarkeit der Hohlkörperdecken und Hohlkörperfundamente.

Als konkrete Funktionen und Zielparameter sind im Projekt zu realisieren:

• die Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit von Hohlkörperdecken und Hohlkörperfundamenten um 50 % (auf 75 % der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonmassivdecken bzw. -fundamenten),
• die Erhöhung des effektiven Einsatzbereichs um 30 % (auf ca. 80 % der potenziellen Fläche),
• die Erhöhung des Einsparpotenzials an Material und CO₂ von Hohlkörperdecken und -fundamenten auf 40 % gegenüber der Bauweise mit Massivdecken bzw. Massivfundamenten (anstatt bisher ca. 25 %, sprich eine Steigerung um mehr als 50 %),
• der Nachweis der sortenreinen Trennung und damit der Rezyklierbarkeit von zweiachsigen Hohlkörperdecken und -fundamenten,
• der Nachweis der Anwendbarkeit von Beton mit rezyklierter Gesteinskörnung.

Übergeordnetes Ziel ist es, das Einsparpotenzial bzgl. Ressourcen, Kosten und CO₂ von Hohlkörper-basierten Decken und Fundamenten zu maximieren sowie flächendeckend in die Anwendung zu überführen und somit eine schnelle, akute und hohe Umweltwirkung zu erzielen.

Hierzu sollen auf Basis des neuen Ansatzes der Hohlkörpergeometrie und der Projektergebnisse nicht nur die praktischen Hürden zur Implementierung von Hohlkörpern reduziert werden, sondern die aktuellen kostenseitigen Nachteile in einen preislichen Vorteil gegenüber Massivdecken und -fundamenten umgekehrt werden. Gelingt dieses ambitionierte Vorhaben, so kann dies einen Paradigmenwechsel in der Baubranche auslösen und einen zusätzlichen Anreiz zur CO₂-Einsparung leisten.

Bachelor-Studium Bauingenieurwesen an der Hochschule Bochum

Vertiefungsrichtung: Konstruktiver Ingenieurbau

Thema der Bachelorarbeit: Physikalisch nichtlineare FEM-Simulationen des zeitabhängigen Verhaltens (Betonkriechen und -schwinden) von ungezwängten Stahlbetondeckenplatten

Auszeichnung: Jahrgangsbeste des Abschlussjahres

Master-Studium Bauingenieurwesen an der Hochschule Bochum

Vertiefungsrichtung: Konstruktiver Ingenieurbau

Thema der Masterarbeit: Entwicklung eines Bemessungskonzeptes zur
Bestimmung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbeton-Hohlkörperdecken

Auszeichnung: Jahrgangsbeste des Abschlussjahres

Werkstudentin bei der Ingenieursozietät Schürmann – Kindmann und Partner GbR

Wissenschaftliche Hilfskraft/ Tutorin im Fachgebiet Massivbau der Hochschule Bochum

Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachgebiet Baukonstruktion

Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachgebiet Massivbau Forschungsprojekt „Materialeffiziente Bemessung im Massivbau durch wirklichkeitsnahe Abschätzung von Zwangkräften“

• Tragwerksplanung eines Zweifamilienhauses (2018)
• Aussteifungsberechnungen von Mauerwerksgebäuden (2018)
• Tragwerksplanung für ein Mehrfamilienhaus mit Tiefgarage (2019)
• Tragwerksplanung eines Einfamilienhauses mit Carport (2019)
• Tragwerksplanung eines Zweifamilienhauses (2019)
• Tragwerksplanung eines Mehrfamilienhauses mit Staffelgeschoss und Tiefgarage (2020)
• Tragwerksplanung eines Wohngebäudes mit Garage (2020)
• Tragwerksplanung für ein Mehrfamilienhaus mit Penthouse (2020)
• Parameterstudie von auf Zwang infolge Temperatur beanspruchten Einfeldträgern mit Hilfe nichtlinearer FEM-Simulationen (2020)
• Untersuchung der Auflagersituation von einachsig gespannten Deckenplatten mit Hilfe nichtlinearer FEM-Analyse (2021)
• FEM-Analyse zur Nachrechnung von Bauteilversuchen zur Ermittlung der Zwangkräfte infolge einer Zugbeanspruchung (2021)
• Entwicklung eines FEM-Modells für physikalisch nichtlineare Simulationen mit streuenden Materialparametern (2022)
• Numerische Parameterstudie zu Zwangbeanspruchungen infolge von Temperatureinwirkungen (2022)
• Vergleich von äußeren Zugkräften mit Zwangkräften infolge von Temperaturbeanspruchungen mithilfe nichtlinearer FEM-Analysen (2022)
• Ermittlung der Zwangkräfte in Stahlbetondecken bei kombinierter Beanspruchung - Vergleich zwischen nichtlinearen FEM-Analysen und händischen Verfahren (2023)
• Empfindlichkeitsstudie zum Einfluss auf die Zwangkraft in Stahlbetondecken bei einer kombinierten Belastung (2023)
• Verifikation eines Rechenmodells zur Bestimmung der Zwangkraft in Stahlbetonbauteilen anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen (2024)

• Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Begrenzung der Biegeschlankheit im Stahlbetonbau (2019)
• Numerische Untersuchungen zu Zwangbeanspruchungen infolge von Temperatureinwirkungen (2020)
• Experimentelle Untersuchungen zu Zwangbeanspruchungen bei Beton- und Stahlbetonbauteilen infolge von Temperaturänderungen (2020)
• Experimentelle Untersuchungen zur Entstehung von Zwangnormalkräften in Beton- und Stahlbetonbauteilen infolge von Temperaturbeanspruchungen (2021)
• Nichtlineare FEM-Analysen zur wirklichkeitsnahen Abschätzung von Zwangkräften infolge einer Temperatureinwirkung bei Stahlbetonbauteilen (2021)
• Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Bestimmung der Feuchteverteilung im grünstandfesten Beton (2021)
• Entwicklung und Durchführung eines Versuchsprogramms zur Ermittlung der Normalkraft infolge einer Temperaturbeanspruchung in gezwängten Beton- und Stahlbetonbauteilen (2021)
• Parameterstudie im Rahmen der Erdbebenbemessung für ein Bürogebäude nach EC 8 (2022)
• Normenvergleich bei der Erdbebenbemessung von Mauerwerksbauten - Parameterstudie an einem Referenzgebäude (2022)
• Nichtlineare FEM-Untersuchungen zur Zwangkraftentwicklung infolge Temperatur bei statisch unbestimmt gelagerten Stahlbetonplatten (2022)
• Parameterstudie zur Erdbebenbemessung von Mauerwerksbauten mit Rahmentragwirkung nach DIN EN 1998-1/NA:2021-07 (2022)
• Parameterstudie und kritische Betrachtung von statischen Berechnungen an ganzheitlichen 3D-Modellen (2023)
• Parametrisierte nichtlineare FEM-Untersuchungen zur Zwangkraftentwicklung bei kombinierter Beanspruchung für eingespannte Systeme (2023)
• Ermittlung der Zwangkräfte in Stahlbetondecken bei kombinierter Beanspruchung - Vergleich zwischen nichtlinearen FEM-Analysen und händischen Verfahren (2023)
• Nachhaltigkeitszertfikate - Systemvergleich der Zertifizierungssysteme (2023)
• Ermittlung der Zwangkräfte in Stahlbetondecken bei kombinierter Beanspruchung - Optimierung von 2D-FEM-Analysen (2023)