Erweiterung der Anwendbarkeit innovativer Hochleistungsbaustoffe (hochfester Beton, UHFB) für den Lastfall Brand unter Berücksichtigung des Systemtragverhaltens

Hochfeste und ultrahochfeste Betone können ein Vielfaches der Lasten normaler Betone abtragen. Vor allem in druckbeanspruchten Tragwerksgliedern bieten diese Materialien eine einfacher zu formende und ökologisch verträglichere Alternative zum Konstruktionswerkstoff Stahl. Damit eigenen sich gerade diese neuartige Hochleistungsbetone für eine architektonisch anspruchsvolle Formensprache bei gleichzeitig hoher Belastung in Gebäuden des Hochbaus bzw. Hochhausbaus. Um einen effizienten und ressourcenschonenden Einsatz zu gewährleisten, können in numerischen Modellen z. B. die Bauteilreaktion einer hochbelasteten Stütze mit dem Gebäudegesamtsystem wirklichkeitsnah gekoppelt werden. Gerade im Hochbau ergeben sich durch die Wechselwirkung von Bauteil und Gebäude Kraftumlagerungen, die zu einer günstigeren Bemessungssituation führen können. Da das Last-Verformungsverhalten von Stahlbetonbauteilen unter normalen ("kalten") Temperaturen gut beschrieben werden kann, fließen diese Effekte im Rahmen der normativen Kaltbemessung z. T. bereits in die Berechnung mit ein.

Im Gegensatz dazu ist das Materialverhalten unter hohen bzw. sehr hohen Temperaturen (120°C bis 1100°C) wesentlich schwerer zu beschreiben. Die Stützenbemessung im Lastfall Brand erfolgt deshalb derzeit auf Basis verschiedener Annahmen und Näherungen, die in entsprechender Unschärfe und Einschränkungen bei der Bewertung der effektiven Tragfähigkeit resultieren. Die für normalfeste- und höherfeste Betone vorhandenen Kennzahlen wurden an sehr einfachen und kleinen Materialversuchen oder an wenigen vollständigen Bauteilversuchen (ohne Gebäudewirkung) kalibriert. Es fehlt an einer Methodik, die die notwendigen temperaturabhängigen Materialcharakteristika (z.B. Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, Zwangsverhalten) gemäß der tatsächlichen Last-Temperatur-Einwirkung im Brandfall und im Gebäudegesamtkontext statistisch belastbar ermitteln kann. Gerade weil die vorhandenen Methoden nicht ausreichen, um das tatsächliche Last-Verformungsverhalten richtig zu beschreiben, ist eine Anwendung neuartiger ultrahochfester Betone im Hochbau derzeit nicht möglich.

Um diese Lücke zu schließen wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein neuartiger Versuchsaufbau konstruiert, der die experimentelle Untersuchung hochfester und ultrahochfester Betonrezepturen unter kombinierter Temperatur- und Lasteinwirkung ermöglicht. Dabei wird erstmals die Veränderung der Materialeigenschaften innerhalb einer Stütze (Bauteil) im Brandfall mit deren Auswirkung auf ein Gebäudegesamtsystem gekoppelt. Ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Warmkriechversuchen wird in dem neuartigen Versuchsaufbau die statische Belastung eines Stützenausschnitts (Materialprobe) während der Erwärmung (z.B. durch die Einheitstemperaturzeitkurve) nicht konstant gehalten. Die Last wird mithilfe eines numerischen Gebäudegesamtmodels aus den auf eine vollständige Stütze extrapolierten Verformungen des Probekörpers (Bauteilverformung) simultan zur Versuchsdurchführung stetig errechnet. Die so ermittelten Materialeigenschaften können die Verformungsreaktion einer Stütze unter Brandbeanspruchung wesentlich genauer abbilden und erstmals auch die materialspezifischen Tragfähigkeitsreserven in Abhängigkeit des Gesamtsystems berücksichtigen. Durch die kompakten Probekörperabmessungen (Stützenausschnitt) kann das tatsächliche Materialverhalten an einer Vielzahl an Probekörpern und damit statistisch belastbar und ohne eine Vielzahl aufwändiger, großer Versuche an Bauteilen bzw. Gebäuden erforscht werden. Um die gewonnen Erkenntnisse für die breite Anwendung nutzbar zu machen, werden im aktuellen Vorhaben erste Anwendungsempfehlungen zu den bestehenden Bemessungsansätzen ausgearbeitet.

Mit diesen Empfehlungen wird es möglich sein, Stützen aus den untersuchten Materialien in Abhängigkeit des Gesamtsystems und damit sehr viel realitätsnaher und wirtschaftlicher als bisher für den Brandfall zu bemessen. Die Verbindung von experimenteller Methodik und vereinfachten Anwendungsempfehlungen soll im Rahmen anschließender Vorhaben dazu genutzt werden, eine breitere Datenbasis für die Anwendungsempfehlungen zu schaffen. Dies ermöglicht die Anwendung neuartiger Materialien und die Sicherstellung der ressourcenschonenden Weiternutzung des Gebäudebestands im Hochbau.