Stahlbau-Kalender 2016 - Kuhlmann, Ulrike (Hrsg.)

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2016

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Strukturoptimierung, CAE Glasbau Holzbauteile nach EN 1995-1-1 Regale in Stahlbauweise

Eurocode 3 – Grundnorm Werkstoffe und Nachhaltigkeit

Vorwort

III

Vorwort Der Stahlbau-Kalender 2016 hat in diesem Jahr zwei Schwerpunkte, die Themen „Werkstoffe“ und „Nachhaltigkeit“, die auch im Zusammenhang gesehen werden können, denn die Wahl des Werkstoffs hat bei der Nachhaltigkeitsbilanz einen großen, zum Teil aber auch überschätzten Einfluss. Zu den drei betrachteten Metallen unter dem Thema „Werkstoffe“ gehören neben dem klassischen Baustahl die nichtrostenden Stähle und Aluminium. Für das Thema „Nachhaltigkeit“ zeigen die Hintergrundbeiträge über Normung und ökologische Bilanzierung anhand der wissenschaftlich-technischen Grundlagen und konkreter Anwendungen, dass Nachhaltigkeit mehr als ein Schlagwort ist, vielmehr ein modernes Kriterium, das – sachlich behandelt – bei Entwurf, Bemessung und Konstruktion zu sinnvollen, fundierten Entscheidungen führt.

Mit dem erneuten Abdruck der Grundnorm DIN EN 1993-1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau mit Nationalem Anhang sowie ergänzenden, an den jeweiligen Stellen eingearbeiteten Kommentaren und Erläuterungen von Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Antonio Zizza und Dipl.-Ing. Adrian Just, Universität Stuttgart, wird auch weiterhin für die tägliche Arbeitspraxis der Zugriff auf die aktuellste Fassung der Norm gegeben und durch die Kommentare auf aktuelle Fragen und Entwicklungen reagiert. In diesem Jahr ist die jüngste Änderung dieses Normenteils DIN EN 1993-1-1/A1:2014-07 eingearbeitet und der aktualisierte Nationale Anhang DIN EN 1993-1-1/NA:2015-08 wird an den jeweiligen Stellen im Normentext zitiert.

In bewährter Form haben Dr.-Ing. Karsten Kathage und Dipl.-Ing. Christoph Ortmann, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), Berlin, wieder die derzeit gültigen Technischen Baubestimmungen, Normen, Bauregellisten und Zulassungen im Stahlbau zusammengestellt.

Der Beitrag gibt neben Auszügen aus der Muster-Liste der Technischen Baubestimmungen (MLTB), Ausgabe Juni 2015, den Normen und Richtlinien für den Stahlbau, auch die für den Stahl- und Verbundbau wichtigen gültigen Zulassungen (Stand Dezember 2015) und Auszüge aus den neuen Bauregellisten (Ausgabe 2015/2) wieder.

Mit dem Beitrag Bemessung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken wird ein umfassender Überblick über Aluminium als Werkstoff und die Besonderheiten bei Entwurf, Bemessung, Konstruktion und Ausführung von Aluminiumtragwerken gegeben. Die Autoren unter der Koordination von Dr.-Ing. Christina Radlbeck, TU München, gehören mit Prof. Dr.-Ing. Peter Knödel, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dipl.-Ing. Reinhold Gitter, AluConsult, Dr.-Ing. Iris Maniatis, Universität der Bundeswehr München, Dr.-Ing. Andreas Haese MBA und Dipl.-Ing. Tobias Herrmann, beide Ingenieurbüro Dr. Siebert, Dr.-Ing. Stefan Allmeier, INSTAL Engineering GmbH, Dr.-Ing. Gerhard Krause, Dr. Krause GmbH sowie Dipl.-Ing.

Werner Mader, GDA – Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V. zu den wichtigsten Fachleuten auf diesem Gebiet. Neben der Einführung in das Werkstoffverhalten von Aluminium und Informationen zur Werkstoffwahl liegt der Fokus auf den Bemessungsverfahren nach Eurocode 9. Die Querschnittsklassifizierung, die wegen der meist dünnwandigen Querschnitte eine wichtige Rolle spielt, und die für die Praxis eher ungewohnte Bemessung unter Nutzung plastischer Reserven werden erläutert und anhand von Beispielen verdeutlicht. Die Anwendung von DIN EN 1999-1-5 (Schalentragwerke) und DIN EN 1999-1-3 (Ermüdungsbeanspruchte Tragwerke) wird in gesonderten Abschnitten und mithilfe von Beispielen nahegebracht.

Die Grenzen der Handbemessung mit DIN EN 1999 sowie mögliche Lösungswege, basierend auf Versuchen und Finite-Elemente-Analysen (FEA), werden anhand von Aluminium-Glas-Konstruktionen aufgezeigt und es wird auf die Besonderheiten bei der Simulation von Aluminiumkonstruktionen mithilfe der Finite-Elemente-Methode eingegangen. Abschließend wird das für die Praxis wichtige Thema „Oberflächen und Korrosion“ behandelt.

In Zeiten von Rohstoffknappheit und starkem Preiswettbewerb ist der gezielte Einsatz des Grundwerkstoffs Stahl sowohl aus Gründen der Ökonomie als auch der Nachhaltigkeit von großem Interesse. In ihrem Beitrag Stähle für den Stahlbau – Herstellung, Normung und Anwendung vermitteln Dr. rer. nat. Tobias Lehnert und Dr.-Ing. Falko Schröter, Dillinger Hüttenwerke, vertiefte Kenntnisse über den Werkstoff Baustahl und seine Anwendungen mit einem Schwerpunkt auf die höherfesten Stahlsorten. Neben Informationen zur Stahlherstellung und zu den wesentlichen im bauaufsichtlichen Bereich zu beachtenden Regelwerken und Normen wird ferner ein Ausblick auf die neue Fassung der Materialgrundnorm DIN EN 10025 gegeben, die voraussichtlich in diesem Jahr veröffentlicht wird. Zusätzlich sind Hinweise zur Verarbeitung moderner Stahlsorten wie TM-Stähle, wasservergütete Stähle oder wetterfeste Stähle enthalten. Referenzbeispiele zum Einsatz dieser Stähle im Stahlhochbau, Stahl- und Verbundbrückenbau sowie Stahlwasserbau runden den Beitrag ab.

Ein wesentliches Argument für den Einsatz von nichtrostenden Stählen ist die Korrosionsbeständigkeit, die gerade bei Außenbauteilen wie Fassadenkonstruktionen, aber auch in anderen Fällen den Ausschlag gibt.

Derzeit erfolgt in Deutschland die Bemessung von Konstruktionen aus nichtrostendem Stahl noch auf Basis von DIN 18800 in Verbindung mit der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-30.3-6. Es ist geplant, dass in Kürze sowohl die neue DIN EN 1993-1-4 als auch der zugehörige Nationale Anhang DIN EN 19931-4/NA bauaufsichtlich eingeführt werden und die derzeit geltende Z-30.3-6 ablösen. In ihrem Beitrag Neue Regeln nach Eurocode für nichtrostende Stählte gehen

IV

Vorwort

deshalb Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner, Universität Duisburg-Essen, Dipl.-Ing. Detlef Ulbrich, ibvm – Verbindungen im Metallbau und Nancy R. Baddoo, MA CEng FICE, SCI – The Steel Construction Institute, hauptsächlich auf die neuen Regeln für nichtrostende Stähle nach DIN EN 1993-1-4 ein. Wo erforderlich, werden auch die Regeln der derzeit noch geltenden Z-30.3-6 erläutert, u. a. weil für die Verarbeitung von nichtrostenden Stählen die für die Herstellung von Stahlbauten gültige DIN EN 1090-2 nur unvollständige und zum Teil nicht dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Regeln enthält.

Als erster Grundlagenbeitrag zum Thema Nachhaltigkeit geben Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Tim Zinke und Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dr. Bernhard Hauke, bauforumstahl e. V. und Raban Siebers, M. Sc., Universität Duisburg-Essen, mit Nachhaltigkeit und Normung einen Einblick in die Methodik der Nachhaltigkeitsbewertung und die einschlägige Normung. Die Normung, im Wesentlichen auf CEN-Ebene entwickelt, definiert das Vokabular, zeigt Handlungsempfehlungen auf, stellt eine Gliederungssystematik bereit, standardisiert Systemgrenzen und Berechnungsmethoden und gibt Kriterien und Indikatoren bzw. Vorgaben für Zielgrößen. Dabei steht die nachhaltigkeitsbezogene Normung im Bauwesen immer auch im Kontext mit gesetzlichen Vorgaben und Bewertungssystemen. Erläutert wird im Beitrag, wie Nachhaltigkeitsnormen auf zwei zentralen Grundsätzen beruhen: zum einen dem ganzheitlichen Betrachtungsansatz, der sich in die ökonomische, ökologische und soziale Dimension unterteilt, zum anderen erfolgt immer auch eine Analyse des kompletten Lebenszyklus.

Ein wesentlicher Bestandteil einer Nachhaltigkeitsanalyse mithilfe der Methode der Ganzheitlichen Bilanzierung ist, neben der Analyse nach technischen, ökonomischen und sozialen Kriterien, die Berücksichtigung ökologischer Anforderungen. Die ökologische Bilanzierung, mit der Ökobilanz als grundlegendste und am weitesten verbreitete Vorgehensweise, deckt in diesem Zusammenhang die ökologische Säule der Nachhaltigkeit ab. Hierzu stellen die Autoren Dipl.-Ing. Matthias Fischer, Dr.-Ing. Stefan Albrecht, Dipl.-Ing. Robert Ilg, Dr.-Ing. Michael Held, Dipl.-oec. Michael Jäger, Prof.

Dr.-Ing. Philip Leistner, Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) bzw. Universität Stuttgart, in dem Beitrag Grundlagen der ökologischen Bilanzierung neben den grundlegenden Methoden und Inhalten sowie verschiedenen Anwendungen spezifische Lösungen zu folgenden Aspekten vor: Sensitivität von Wertschöpfungsketten, Entwicklung belastbarer Bewertungsgrundlagen für Entscheidungen in Hinblick auf zukünftige Entwicklungen, Beurteilung von Recyclingkreisläufen, ökologische Bilanzierung im Baubereich, Idee des funktionalen oder funktionsintegrierten Leichtbaus.

Der Stahlleichtbau stellt die vorrangige Bauweise für hallenartige Gebäude des Industrie- und Gewerbesektors dar. Vor dem Hintergrund der Bedeutung dieser

Gebäude liegen hier große Potenziale zur Verbesserung der Nachhaltigkeit der gebauten Umwelt. Univ.-Prof.

Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann, beide RWTH Aachen, Prof. Dr.-Ing. Susanne Rexroth und Prof. Dr. Romy Morana, HTW Berlin, Prof. Dr.-Ing. Helmut Hachul, FH Dortmund sowie Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), behandeln die Frage der Ausschöpfung und Nutzung dieser Potenziale im ersten anwendungsorientierten Beitrag zur Nachhaltigkeit über Energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise. Es wird hier zunächst auf die Optimierung der bauphysikalischen Eigenschaften von Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise eingegangen.

Anschließend werden zwei generell unterschiedliche, bauteilintegrierte Möglichkeiten vorgestellt, um Solarenergie nutzbar zu machen: ein bauteilintegriertes Solarthermiemodul und die Integration von Photovoltaik-Komponenten in Sandwichelemente.

Der durch die Energiewende bedingte Anstieg des Anteils erneuerbarer Energien am deutschlandweiten Energieverbrauch und die bisher fehlenden Nachhaltigkeitsansätze bei der Auswahl und Konstruktion stählerner Tragstrukturen für erneuerbare Technologien führten zum Forschungsvorhaben „Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien (NaStafEE)“, dessen praktische Ergebnisse im vorliegenden Beitrag Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien erläutert werden. Die an diesem Vorhaben beteiligten Autoren Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann, Dipl.-Ing. Anne Bechtel, Universität Hannover, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner, Jörn Berg, M. Sc., Universität Duisburg-Essen, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner und Dipl.-Ing. Julian Röder, Ruhr-Universität Bochum, stellen eine Methode zur Bewertung der Nachhaltigkeit von stählernen Tragkonstruktionen für erneuerbare Energien vor, und zwar für Windenergieanlagen und für Biogasanlagen. Diese Methode wurde auf Grundlage bestehender Bewertungssysteme entwickelt, in ein Anwendungstool umgesetzt und durch Hinweise auf Optimierungspotenziale ergänzt.

Im Beitrag Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise von Prof. Dr.-Ing. Richard Stroetmann, Dipl.-Ing. Thomas Faßl und Dipl.-Ing. Lukas Hüttig, alle TU Dresden, wird der Zusammenhang zwischen Nachhaltigkeitsbewertung und Tragstruktur herausgearbeitet. Ob die raumbildenden Konstruktionen die notwendige Flexibilität zur Anpassung an zukünftige Nutzungsanforderungen besitzen, ist entscheidend für die Weiternutzbarkeit eines Geschossbaus. Neben den Anforderungen aus der statisch-konstruktiven Auslegung und der Bewertung der Nachhaltigkeit geht es im Schwerpunkt um Evaluierung und Optimierung von Tragkonstruktionen. Diese Untersuchungen münden schließlich in Empfehlungen sowie Entwurfshilfen für die Bemessung und Konstruktion von Deckensystemen und Stützen und ihren Rastern.

Nachhaltigkeitsaspekte beim Bauen im Bestand werden aufgegriffen von Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann,

Vorwort

PD Dr.-Ing. habil. Bettina Brune, Anja Pätzold, M. Sc., Dipl.-Ing. Eva Preckwinkel, TU Dortmund, Ass. Prof.

Dr.-Ing. Arch. Paul Floerke, Ryerson University, Kanada, Dipl.-Ing. Arch. Sonja Weiß, PASD Architekturbüro Feldmeier + Wrede, Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Tim Zinke, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in ihrem Beitrag Verdichtung im urbanen Raum – Aufstockungen des Gebäudebestands in Stahlbauweise. Neben allgemeinen Ausführungen zur Kategorisierung von Gebäudeaufstockungen in Typologien und zur Bestandsanalyse sowie Planungshilfen für die konstruktive Umsetzung von Aufstockungen in Stahlbauweise werden interdisziplinär ausgearbeitete Fallbeispiele mit unterschiedlichen Schwerpunkten in der architektonischen und ingenieurtechnischen Ausrichtung aufgezeigt. Außer der architektonisch-technischen Bewertung werden an den ausgewählten Beispielen auch eine quantitative Analyse unter Verwendung der Methoden der Lebenszykluskostenrechnung und Ökobilanzierung durchgeführt.

Spezifisch für die Nachhaltigkeitsbewertung von Brücken ist die lange Nutzungsphase von planmäßig mindestens 100 Jahren. Maßnahmen zur Steigerung der Nutzungsdauer einer Brücke einschließlich Brückenausstattung können zusammen mit Betriebs- und Erhaltungsstrategien während der Nutzungsphase zu maßgeblichen Vorteilen in der Gesamtbilanzierung führen. Basierend auf einem gemeinsamen Forschungsvorhaben, zeigen Forscher und Vertreter der Bauverwaltung mit Unterstützung durch die technischen Büros der Stahlbauindustrie im Beitrag Ganzheitliche Bilanzierung von Stahlverbundbrücken auf, wie methodisch eine Nachhaltigkeitsanalyse für Brücken durchgeführt werden kann. Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann und Dipl.-Ing. Philippa Maier, beide Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart, Prof.

Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer und, Dipl.-Ing. Dipl.Wirtsch.-Ing. Tim Zinke, beide Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dipl.-Ing. Heinz Friedrich

V

Dipl.-Ing. Ralph Holst und Dipl.-Umweltwiss. Cyrus Schmellekamp, alle Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) sowie Dipl.-Wirt.-Ing. Katrin Lenz, Dipl.

Geoökol. Tabea Beck, Dipl.-Wirt.-Ing. Sarah Schneider und Dipl.-Ing. Matthias Fischer, alle Lehrstuhl für Bauphysik, Abt. Ganzheitliche Bilanzierung, Universität Stuttgart, zeigen am konkreten Beispiel von Autobahnüberführungen in Stahlverbundbauweise, wie Ökobilanzierung, Lebenszykluskostenrechnung und externe Kostenrechnung in eine gemeinsame Nachhaltigkeitsbewertung überführt werden, die für die jeweilige individuelle Situation eine Entscheidungsgrundlage auch schon in einer frühen Planungsphase bereitstellt.

2010 wurde von der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) in Kooperation mit dem Deutschen Ausschuß für Stahlbau e. V. (DASt) der Forschungsverbund „NASTA – Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen“ ins Leben gerufen. Die vorgestellten anwendungsbezogenen Beiträge zur Nachhaltigkeit beruhen alle auf Verbundforschungsvorhaben, die im Rahmen dieses Forschungsclusters zum Thema Nachhaltigkeit und ihre Bewertung zu den verschiedenen Aufgaben von Stahl im Bauwesen, also den realen Konstruktionen des Stahl- und Verbundbaus durchgeführt wurden. Initiatoren und Unterstützern sei an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich gedankt.

Der Stahlbau-Kalender-Tag am Freitag, 03. Juni 2016 in Stuttgart, zu dem ich wieder alle Interessenten herzlich einladen möchte, wird die Möglichkeit bieten, noch mehr Informationen zu diesem Forschungsverbund zu erhalten, aber auch zu allen anderen Themen, wenn die Autoren dieser Ausgabe persönlich aus ihren Beiträgen vortragen und für Diskussionen zur Verfügung stehen.

So bleibt mir jetzt noch, mich ganz herzlich bei allen Autoren und Mitarbeitern im Institut und beim Verlag Ernst & Sohn für den großen Einsatz zu bedanken.

Stuttgart, Februar 2016 Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann

Inhaltsübersicht

Inhaltsübersicht 1

Stahlbaunormen DIN EN 1993-1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau 1 Ulrike Kuhlmann, Antonio Zizza, Adrian Just

2

Technische Baubestimmungen, Normen, Bauregellisten und Zulassungen im Stahlbau 87 Karsten Kathage, Christoph Ortmann

3

Bemessung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken 175 Christina Radlbeck, Peter Knödel, Reinhold Gitter, Iris Maniatis, Andreas Haese, Tobias Herrmann, Stefan Allmeier, Gerhard Krause, Werner Mader

4

Stähle für den Stahlbau – Herstellung, Normung und Anwendung 311 Tobias Lehnert, Falko Schröter

5

Neue Regeln nach Eurocode für nichtrostende Stähle 359 Natalie Stranghöner, Detlef Ulbrich, Nancy Baddoo

6

Nachhaltigkeit und Normung 411 Tim Zinke, Thomas Ummenhofer, Bernhard Hauke, Raban Siebers

7

Grundlagen der ökologischen Bilanzierung 455 Matthias Fischer, Stefan Albrecht, Robert Ilg, Michael Held, Michael Jäger, Philip Leistner

8

Energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise 485 Markus Kuhnhenne, Markus Feldmann, Susanne Rexroth, Romy Morana, Helmut Hachul, Thomas Ummenhofer

9

Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien 525 Peter Schaumann, Anne Bechtel, Natalie Stranghöner, Jörn Berg, Hermann-Josef Wagner, Julian Röder

10

Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise 571 Richard Stroetmann, Thomas Faßl, Lukas Hüttig

11

Verdichtung im urbanen Raum – Aufstockungen des Gebäudebestands in Stahlbauweise 667 Dieter Ungermann, Bettina Brune, Anja Pätzold, Eva Preckwinkel, Paul Floerke, Sonja Weiß, Thomas Ummenhofer, Tim Zinke

12

Ganzheitliche Bilanzierung von Stahlverbundbrücken 739 Ulrike Kuhlmann, Philippa Maier, Tim Zinke, Thomas Ummenhofer, Heinz Friedrich, Ralph Holst, Cyrus Schmellekamp, Katrin Lenz, Tabea Beck, Sarah Schneider, Matthias Fischer

Stichwortverzeichnis 795

VII

618

10

Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise

Die ökologischen und ökonomischen Daten von Baumaterialien, Bauelementen und Bauleistungen sind stetigen Veränderungen unterlegen. Die Ergebnisse der Parameterstudien basieren auf der in [49] definierten Datengrundlage. Die Darstellung absoluter Größen bei der Bewertung der Ökologie und Ökonomie wurde weitestgehend vermieden. Die Kurvenverläufe in den Diagrammen wurden in vielen Fällen geglättet, um Querschnitts- und Dickenabstufungen oder Ähnliches nicht zu betonen.

Durch die Auswertungen werden Relationen und Tendenzen veranschaulicht, um die Wahl der Bauweisen, Konstruktionsraster und Materialfestigkeiten zu unterstützen. Mit den Vergleichen ist nicht beabsichtigt, bestimmte Bauweisen abzuwerten. So können weitere Kriterien oder auch andere Wichtungen für die Entscheidung zu einer Bauweise für ein bestimmtes Bauvorhaben von Relevanz sein.

5.2

Deckensysteme

5.2.1

Stahlbeton- und Verbunddeckenplatten

Im Folgenden werden einachsig gespannte Stahlbetonund Verbunddecken sowie Decken aus Spannbetonhohldielen in Bezug auf ihre Bauhöhe, den ökologischen Erfüllungsgrad und die Kosten evaluiert. Es wird der Einfluss unterschiedlicher Betonfestigkeitsklassen und Ausführungsvarianten (Ortbeton- oder Fertigteildecke sowie Halbfertigteil mit Aufbeton) untersucht.

Bild 40 zeigt Ergebnisse der Untersuchungen von Stahlbeton- (Ortbeton) und Verbunddecken. Es wurden Durchlaufsysteme mit Feldweiten von 2,40 m bis 6,00 m im Raster von 1,20 m berechnet. Spannweiten darüber hinaus sind für die untersuchten Systeme aufgrund des hohen Masseneinsatzes unwirtschaftlich und auch ökologisch nicht sinnvoll. Um den Einfluss der Betongüte zu untersuchen, erfolgte die Bemessung für die Festigkeitsklassen C20∕25 und C30∕37. Bei den Verbunddecken wurde ein Profilblech mit 40 mm Höhe und 0,75 mm Dicke berücksichtigt. Die Diagramme auf der linken Seite zeigen, dass Deckenstärke, Betonund Bewehrungsmenge erwartungsgemäß mit der Spannweite zunehmen. Bis etwa 3,60 m wird bei der Verbunddecke die Mindesthöhe von 100 mm maßgebend. Aufgrund des günstigeren inneren Hebelarms ergeben sich geringere Deckenstärken und Betonmassen als bei den Stahlbetondecken. Der Betonstahl wird bei den Verbunddecken zur Abdeckung der Stützmomente und als konstruktive Mindestbewehrung für die Lastquerverteilung und Rissbreitenbeschränkung benötigt. Das Profilblech wird als Feldbewehrung, Schalung und Unterstützung im Bauzustand herangezogen.

Zur Begrenzung der Durchbiegung im Bauzustand auf a∕180 wurden Hilfsunterstützungen berücksichtigt.

Bei der Ökobilanzierung schneiden die Stahlbetondecken geringfügig günstiger ab. Zwar sind die Deckenstärken höher als bei den Verbunddecken, die Einsparungen in den Beton- und Betonstahlmengen werden

jedoch durch die Aufwendungen für das verzinkte Profilblech aufgehoben. Durch die höhere Betonfestigkeit kann die Deckenstärke geringfügig reduziert werden, die Einsparungen werden jedoch durch die ungünstigeren ökologischen Werte des C30∕37 im Vergleich zum C20∕25 kompensiert. Bei den Kosten wurden auch die Schalungsarbeiten und die Montage von Hilfsunterstützungen berücksichtigt. Die Einsparungen durch den Entfall der Schalung an der Deckenunterseite und die schnelle Montage der Verbundbleche werden deutlich (Bild 40).

In der Praxis werden anstelle von Ortbetondecken oft Betonhalbfertigteile oder -fertigteile eingesetzt, da diese zu einer rationelleren Ausführung mit geringem bauseitigen Schalungsaufwand führen. Bedingt durch Transport, Konstruktion und Betonierlasten ist ein höherer Bewehrungsanteil notwendig. Wie bereits in Abschnitt 2.2 erwähnt, werden Spannbetonhohldielen erst für größere Spannweiten eingesetzt. Dies erweist sich auch aufgrund der Massenbilanz und deren ökologischen und ökonomischen Auswirkungen als sinnvoll. Auf der Basis der Produktdeklaration [24] sind Spannbetonhohldielen im Vergleich zu den anderen Deckensystemen ökologisch ungünstiger einzustufen (Bild 41).

5.2.2

Decken mit Verbundträgerunterzügen

Die Untersuchungen an Decken ergaben, dass aus ökologischer und ökonomischer Sicht Spannweiten bis etwa 4 m günstig sind. Dies gilt auch für das Deckensystem mit Verbundunterzügen, auch wenn der Profilstahlanteil je m2 Decke bei größeren Trägerabständen kleiner wird. In Bild 42 sind links Konstruktionshöhe, Profilstahlmasse und Gesamtgewicht (Decke und Träger) je m2 Decke für unterschiedliche Trägerabstände a und variable Gebäudetiefen L = L1 + L2 jeweils für Stahlbeton- und Verbunddecken ausgewertet. Die Verbundträger wurden als Zweifeldträger mit einer Stützung bei 4,80 m (dies entspricht der Raumtiefe eines Zellenbüros) berechnet, sodass sich zwei ungleiche Feldweiten L1 und L2 ergeben. Mit steigendem Trägerabstand nehmen Konstruktionshöhe, Gesamtgewicht und Betonstahlmasse zu, während die Profilstahlmasse je m2 abnimmt. Die Betonstahlmengen in den Deckenplatten sind gegenüber denjenigen in Bild 40 höher, da zusätzliche Bewehrung zur Abdeckung der Stützmomente der Verbundträger (auch Duktilitätsbewehrung) und zur Einleitung der Schubkräfte in die Betonplatte (Schulterschub der Verbundträger) benötigt wird. Für die Raster a = 2,4 m und 3,6 m ist das Gesamtgewicht wegen der identischen Deckenstärken und der dominierenden Betonmassen annähernd gleich.

In Bild 42 sind rechts die Kosten und die ökologischen Erfüllungsgrade für die betrachteten Systeme dargestellt. Bei der Kostenermittlung wurden die in Tabelle 31 aufgelisteten Baustoffe und deren Transportwege sowie die Fertigungs-, Montage- und Gerätekosten berücksichtigt. Die Fertigungs- und Montagekosten steigen mit zunehmender Anzahl der Stahlträger (kleine

Evaluierung und Optimierung von Tragkonstruktionen

619

Bild 40. Vergleich von Stahlbeton- und Verbunddecken als Durchlaufsysteme

Bild 41. Vergleich verschiedener Deckentypen in Bezug auf Massen, Bauhöhen, ökologische Erfüllungsgrade und Herstellungskosten

620

10

Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise

Bild 42. Vergleich von Baustoffmassen und Konstruktionshöhen sowie der Kosten und ökologischen Erfüllungsgrade für verschiedene Deckentypen und Trägerabstände (Zweifeldträger S355) bei variabler Bauwerkstiefe (L = L1 + L2)

Trägerabstände und Stückgewichte, mehr Verbindungen). Bei Trägerabständen größer als etwa 4,0 m steigen die Stahlbetonmassen und die damit verbundenen Herstellkosten so an, dass diese nicht durch den geringeren Profilstahlbedarf kompensiert werden können.

Entsprechendes gilt für den ökologischen Erfüllungsgrad.

In Abschnitt 5.2.1 wurde deutlich, dass sich Materialeinsparungen bei den Deckenplatten durch die Verwen-

dung höherer Betongüten nicht ökologisch günstiger auswirken. Gleiches gilt für höhere Betongüten bei Verbundträgern. Jedoch kann die Profilstahlmenge durch den Einsatz von höheren Stahlfestigkeiten reduziert werden, solange diese für die Dimensionierung maßgebend sind. Aus Bild 43 ist ersichtlich, dass sich die Materialeinsparungen durch die Verwendung von S460 gegenüber S235 sowohl positiv auf die ökologische Qualität als auch auf die Kosten auswirken.

Tabelle 31. Zusammenfassung der berücksichtigten Aufwendungen Baustoffe

Beton, Bewehrung, Profilstahl, Profilblech, Kopfbolzendübel

Transport

Transport der Baustoffe zzgl. Schalung zur Baustelle

Vorbereitung

Zuschnitt, Überhöhen, Korrosionsschutz, Dübelschweißen, Schweißnähte

Montage

Betonieren, Ein- und Ausschalen sowie Hilfsstützen, Bewehren, Einheben Stahlprofil, Verlegen der Bleche, Verlegen der Fertigteile oder Halbfertigteile

Geräte

Kran, Betonpumpe

Evaluierung und Optimierung von Tragkonstruktionen

621

Bild 43. Vergleich von Decken mit Ein- und Zweifeldverbundträgern in den Festigkeitsklassen S235 und S460

Nach dem Kriterienkatalog des BNB [127] kann die Umnutzungsfähigkeit höher eingestuft werden, wenn mindestens 50 % der Bruttogrundfläche für Nutzlasten größer 5 kN∕m2 ausgelegt werden (vgl. Abschnitt 3.1).

In Bild 44 sind die Abhängigkeiten der Konstruktionshöhen sowie der Profil- und Betonstahlmassen von der Höhe der Nutzlasten dargestellt. Untersucht wurden Systeme mit Zweifeldträgern aus IPE-Profilen in S355 und Decken aus Beton C20∕25. Die Nutzlasten betragen zum Vergleich 3,0 und 5,0 kN∕m2. Bei der Nutzlast von 5 kN∕m2 sind geringfügig größere Deckenstärken und höhere Stahlprofile erforderlich. Die Deckenkonstruktion ist zwischen 2 und 5 cm höher (Bild 44, oben links). Für Trägerabstände bis 3,6 m sind die Höhen der Stahlbeton- und Verbunddecken konstant, sodass sich die Gesamtmassen je m2 Deckenfläche nur aufgrund der Bewehrungs- und Profilstahlmengen unterscheiden.

Für Trägerabstände größer als 3,6 m ist die Gesamtmasse bei einer Nutzlast von 5,0 kN∕m2 etwa 10 % höher als bei 3,0 kN∕m2, da eine größere Deckenstärke erforderlich ist. Maßgebend für die Dimensionierung der Decken ist in diesem Fall der Durchbiegungsnachweis.

5.2.3

Decken mit Slim-Floor-Systemen

Slim-Floor-Systeme weisen eine vergleichsweise geringe Konstruktionshöhe auf und ermöglichen wegen der fehlenden Unterzüge eine freie Installation (vgl. Abschnitt 2.2). Diese positiven Eigenschaften sind bei der Entscheidung für ein Deckensystem gesondert zu würdigen und in Verbindung mit den Herstellungskosten und den ökologischen Eigenschaften abzuwägen. Geringe Bauhöhen reduzieren Fassadenflächen, Gebäudevolumen und damit Betriebskosten. Die freie Installation erhöht die Umnutzungsfähigkeit. Da Verbundträger bei geeigneter Anordnung einen hohen Lochanteil im Steg zur Leitungsdurchführung ermöglichen und Lüftungssysteme inzwischen häufiger am Deckenrand positioniert werden, sollte diese Eigenschaft jedoch nicht überbewertet werden.

In Bild 46 sind die Kriterien Konstruktionshöhe, ökologischer Erfüllungsgrad und Kosten für eine Auswahl von Slim-Floor-Systemen für Gebäude ohne und mit Mittelstützenreihe in Abhängigkeit von der Gebäudetiefe (Summe der Stützweiten) gegenübergestellt (s. auch [67]). Die Parameter für den Vergleich der Deckensysteme sind in Tabelle 32 zusammengefasst. Die Skalierung des ökologischen Erfüllungsgrads und der

622

10

Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise

Bild 44. Einfluss der Nutzlast auf die Bauhöhe, Deckenstärke, Profil- und Gesamtmasse sowie den ökologischen Erfüllungsgrad und die Kosten

Kosten erfolgte über alle im Bild 46 dargestellten Systeme. Bei den Parameterstudien wurden IFB-Profile (Integrated Floor Beam – halbes Walzprofil mit angeschweißtem Untergurt, s. Bild 45) berücksichtigt. Bei gleicher Querschnittshöhe sind Tragfähigkeit und Baustahlmasse je m2 Deckenfläche höher als bei SFB-Profilen (Slim-Floor-Beam – Walzprofil mit angeschweißtem Blech zur Verbreiterung des Untergurts, s. Bild 2 in [65]). Die Verwendung der IFB-Profile führt zu einem geringfügig günstigeren ökologischen Erfüllungsgrad und niedrigeren Kosten, da die Konstruktionshöhen und damit die Betonmassen kleiner sind als beim Einsatz von SFB-Profilen. Die IFB- bzw. SFB-Profile sind

im Vergleich zu den IPE-Profilen für die Unterzugsdecken sehr kompakt. Dies und der hohe Betonanteil der Deckenplatte führen zu einem höheren Materialeinsatz der Slim-Floor-Konstruktionen gegenüber den Unterzugsdecken (Bild 45).

Um die Betonmassen zu reduzieren, werden häufig Spannbetonhohldielen in Kombination mit Slim-FloorTrägern eingesetzt. Bei den Parameterstudien in Bild 46 wurden die Träger generell als Einfeldsysteme bemessen, da die Durchlaufwirkung für Decken ohne Aufbeton nur mit größerem Aufwand bei den Verbindungen zu realisieren ist. Bei kleinen Stützweiten der Träger (Parameter Gebäudetiefe L in Bild 46) wird die Bau-

Evaluierung und Optimierung von Tragkonstruktionen

623

Bild 45. Vergleich eines Unterzugsträgers und eines Slim-Floor-Trägers mit den Spannweiten L = 8,5 m + 6,5 m = 15 m

Tabelle 32. Übersicht der betrachteten Parameter für den Vergleich der Slim-Floor-Systeme Slim-Floor mit Stahlbeton- oder Verbunddecken

Slim-Floor mit Spannbetonhohldielen

Profiltyp

IFB der HEB-Reihe IFB der HEM-Reihe für Einfeldträger

IFB der HEB-Reihe

Betongüte

C20∕25

C45∕55

Deckentyp

Stahlbetondecke, Verbunddecke mit Cofrastra 70, t = 0,88 mm

Spannbetonhohldielen

Trägerabstand

a = 4,80 m

a = 6,00 m und a = 7,20 m

Statische Systeme

Einfeldträger, Zweifeldträger mit L1 = L2 − 2,0 m

Einfeldträger, 2 Einfeldträger mit L1 = L2 − 2,0 m

Belastung

Eigengewicht, Ausbaulast 1,5 kN∕m2, Nutzlast 3,0 kN∕m2 (vgl. [65], Abs. 6.1)

Verformungsbegrenzung

Durchbiegungen ≤ L∕250, Ausbaulasten nach 28 Tagen, ggf. Trägerüberhöhung für Eigen- und Ausbaulasten, Kriechen und Schwinden (vgl. [65], Abs. 6.1)

höhe von der Dicke der Spannbetonhohldielen und damit von der Spannweite a bestimmt. Dies führt dazu, dass trotz veränderlicher Stützweiten der IFB-Träger die Bauhöhe zunächst konstant ist (Bild 46, oben). Die Profilstahlmasse je m2 nimmt mit steigendem Trägerabstand ab, die Betonmasse zu. Aufgrund der Höhenabstufungen und der unterschiedlichen Hohlraumgeometrien der Spannbetonhohldielen verhält sich der Verlauf der Masse über die Spannweiten und Trägerabstände sprunghaft. Dies führt zu entsprechenden Verläufen beim ökologischen Erfüllungsgrad und den Kosten.

Trotz höherer Profilstahlmassen je Quadratmeter Deckenfläche sind im Hinblick auf die Ökologie Trägerabstände zwischen 6,0 und 7,2 m zu bevorzugen. Bei größeren Trägerabständen steigt die Masse der Spannbetonhohldielen stark an.

Die Materialkosten sind für die Slim-Floor-Konstruktionen aufgrund der höheren Baustahlmassen und wegen der Kosten der Spannbetonhohldielen höher als für Unterzugsdecken. Mit zunehmender Trägerspannweite erhöhen sich im Wesentlichen die Baustahlkosten und die damit verbundenen Transportkosten. Bei Variation des Trägerabstands bei gleicher Spannweite führen die dickeren Spannbetonhohldielen zu höheren Kosten.

Die Kosten für Baustahl sowie für Zuschnitt, Überhöhung und Korrosionsschutz (Vorbereitung) sinken.

Aufgrund des hohen Eigengewichts der Slim-Floor-Konstruktionen mit Stahlbeton- und Verbunddecken hat eine Verkehrslasterhöhung von 3,0 auf 5,0 kN∕m2 kaum eine Auswirkung auf die Konstruktionshöhe, den ökologischen Erfüllungsgrad und die Kosten. Bei dem leichteren Deckensystem mit Spannbetonhohldielen führt die Lasterhöhung zu einer größeren Konstruktionshöhe. Die Mehraufwendungen infolge der Verkehrslasterhöhung sind jedoch gering.

5.3

Stützen

5.3.1

Allgemeines

Die Auswahl der Gebäudestützen hängt von der erforderlichen Tragfähigkeit, den Brandschutzanforderungen, der konstruktiven Gestaltung und dem Platzbedarf ab. Geht man in Bezug auf Dauerhaftigkeit und Unterhaltungsaufwand von einer Gleichwertigkeit der Stützentypen aus, kann die Nachhaltigkeitsanalyse auf die Ökologie und Wirtschaftlichkeit in der Herstellungs- und Bauphase sowie auf die Entsorgungsphase

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Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise

Bild 46. Bauhöhe, ökologischer Erfüllungsgrad und Kosten zum Vergleich der Slim-Floor-Systeme ohne und mit Mittelstützenreihe

Evaluierung und Optimierung von Tragkonstruktionen

und Verwertung fokussiert werden. Für die Optimierung von Stützen sind die vorgegebenen Randbedingungen wesentlich. Zu diesen gehören u. a.: – Höhe der Belastung und Einwirkungskombination (N, My und ggf. Mz), – Geschosshöhe∕Knicklänge, – ggf. vorgegebene Stützenform, – Brandschutzanforderungen und gewählte Maßnahmen zur Erzielung eines ausreichenden Feuerwiderstands.

In den folgenden Parameterstudien werden verschiedene Einflüsse untersucht, um deren Abhängigkeiten zu verdeutlichen. Berücksichtigt werden Stahl- und Verbundstützen mit doppeltsymmetrischen H-Profilen, Kreis- und Quadrathohlprofilen, die durch planmäßig zentrischen Druck beansprucht werden.

Für eine vergleichende Betrachtung von Stützen in ökologischer und ökonomischer Hinsicht stellt sich die Frage nach der Bezugsgröße. In Abhängigkeit von der Geschosszahl und der Lage der Stützen im Grund- und Aufriss eines Gebäudes ergeben sich unterschiedlich hohe Stützenlasten. Der Bezug auf die funktionale Einheit „Quadratmeter Geschossfläche“ ist für Tragkonstruktionen von Gebäuden in ihrer Gesamtheit besser geeignet als für eine isolierte Untersuchung von Einzelstützen. Auch spielen die Deckenlasten und Geschosshöhen eine wesentliche Rolle für die Dimensionen der Stützen, die je nach Gebäudeentwurf und Höhe der Verkehrslast unterschiedlich ausfallen können.

Um eine Vielzahl gebäudespezifischer Randbedingungen auszublenden, bietet sich der Bezug auf die Tragfähigkeit einer Stütze (funktionale Einheit kN) für den Vergleich und eine darauf aufbauende Optimierung an, die nachfolgend verwendet wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass mit zunehmender Belastung die Stützenquerschnitte größer werden und die Knickgefährdung zurückgeht. Materialaufwendungen, Kosten und ökologischer Erfüllungsgrad werden bei Bezug auf die Tragfähigkeit günstiger. Daher ist ein Vergleich unterschiedlicher Stützenausführungen für die jeweils relevante Belastung durchzuführen. Auch müssen zusätzliche technische und konstruktive Anforderungen vergleichbar sein. Dies gilt zum Beispiel für die Knicklängen und Brandschutzanforderungen.

5.3.2

Einfluss der Stützenkonstruktion

Bild 47 zeigt die Ergebnisse einer Parameterstudie für planmäßig zentrisch gedrückte Stahl- und Verbundstützen. Zugrunde gelegt wurden die Materialgüten S460 und C30∕37, eine Knicklänge von 3,50 m und ein Bewehrungsgrad von 3 %. Um ungewollte Tragfähigkeitssprünge zu vermeiden, wurde bei den Kreis- und Quadrathohlprofilen eine einheitliche Blechdicke von 10 mm für alle Profilhöhen angesetzt. Bei den ausgewählten Stahl- und Verbundstützen sind im untersuchten Parameterbereich mindestens die Anforderungen an die Querschnittsklasse 3 eingehalten.

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In Bild 47 ist oben die Tragfähigkeit der verschiedenen Stützentypen (Kaltbemessung) in Abhängigkeit von der Nennhöhe der Querschnitte aufgetragen. Bei den Stützen mit den HEA-Profilen wurde jeweils das Knicken senkrecht zur y-Achse und zur z-Achse berücksichtigt. Aus dem Vergleich von Stahl- und Verbundstützen mit gleicher Nennhöhe lässt sich der Tragfähigkeitszuwachs durch die Ergänzung des Stahlbetons ablesen. Es fällt auf, dass mit zunehmender Nennhöhe der Zuwachs größer wird. Dies gilt insbesondere für die Stützen mit Kreis- und Quadrathohlprofilen. Dies liegt einerseits daran, dass der Flächenanteil des Stahlbetons am Gesamtquerschnitt zunimmt. Andererseits geht auch der Knickeinfluss auf die Tragfähigkeit zurück.

Für die HEA-Profile und warmgefertigten Stahlhohlprofile aus S460 darf nach DIN EN 1993-1-1 [103], Tab. 6.2 die günstige Knicklinie a0 verwendet werden. Bei den Verbundstützen sind nach DIN EN 1994-1-1 [107], Tab. 6.5 für kammerbetonierte I-Profile die Knicklinien b bzw. c und für betongefüllte Stahlhohlprofile mit bis zu 3 % Bewehrung die Knicklinie a unabhängig von der Streckgrenze vorgegeben. Je nach Stützenschlankheit wirken sich die Zuordnungen zu den Knicklinien unterschiedlich stark aus. So ergeben diese bei den Hohlprofilstützen bis zu einer Querschnittshöhe von 180 mm rechnerisch keine nennenswerten Tragfähigkeitsunterschiede durch die Stahlbetonergänzung (Bild 47). Dies legt die Ausbildung von Verbundstützen erst bei größeren Stützenabmessungen nahe. Werden niedrigere Profilstahlfestigkeiten verwendet, macht sich der Einfluss der Stahlbetonergänzung früher bemerkbar.

Aus dem jeweiligen Vergleich der Stahl- und Verbundstützen untereinander ist abzulesen, dass bei gleicher Höhe die Querschnitte mit Quadrathohlprofilen die größte Tragfähigkeit aufweisen. Durch die Wahl von HEB- und HEM-Profilen sowie größerer Wandstärken der Hohlprofile lassen sich die Tragfähigkeiten bei gleichbleibender Nennhöhe der Profile weiter steigern oder die Stützen für eine gegebene Belastung schlanker ausbilden.

In Bild 47 sind unten die Profilstahl- und Gesamtmasse je laufenden Meter Stütze über die Tragfähigkeit NRd aufgetragen (s. auch [66]). Da bei den Verbundstützen ein Teil der Last vom Stahlbeton übernommen wird, sind die auf die Tragfähigkeit bezogenen Profilstahlmassen am geringsten, die Gesamtmassen jedoch am höchsten. Die Ergebnisse für die Quadrat- und Kreishohlprofile sind wegen ähnlicher Trägheitsradien vergleichbar. Da die bezogene Knickschlankheit im betrachteten Parameterbereich λ̅ > 0, 5 beträgt, kann die Umschnürungswirkung des Betons bei den Kreishohlprofilstützen nicht ausgenutzt werden, sodass sich hieraus für diesen Stützentyp keine besonderen Vorteile ergeben.

Der auf die Tragfähigkeit bezogene Primärenergiebedarf und die bezogenen Kosten der untersuchten Stützen liegen bei gleicher Tragfähigkeit eng beieinander (Bild 48). Die Aufwandswerte fallen mit zunehmender Tragfähigkeit ab. Die Materialeinsparungen bei den

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Nachhaltige Geschossbauten in Stahl- und Verbundbauweise

Bild 47. Profilhöhe, Masse des Profilstahls und Gesamtmasse von ausgewählten Stahl- und Verbundstützen

Bild 48. Auf die Tragfähigkeit bezogene Werte für Primärenergiebedarf und Kosten ausgewählter Stahl- und Verbundstützen (Legende gemäß Bild 47)

Hohlprofilstützen werden durch die höheren Herstellungskosten und den höheren Primärenergiebedarf teilweise ausgeglichen (vgl. [49]). Der Einsatz von Beton und Bewehrung erhöht zwar die Kosten, führt jedoch zu höheren Tragfähigkeiten, sodass sich die auf die Tragfähigkeit bezogenen Kosten für Stahl- und Verbundstützen annähern und bei großen Grenzdruckkräften nahezu gleich sind. Bei den Untersuchungen wurden die Herstellungs-, Fertigungs- und Montagekosten berücksichtigt. Da die Betonier- und Bewehrungsarbeiten bei Verbundstützen gegenüber Decken-

systemen aufwendiger sind, wurden die Aufwendungen hierfür mit einem Aufschlag von 20 % versehen (vgl.

[49]).

5.3.3

Einfluss der Materialfestigkeit

Durch die Verwendung höherer Stahlfestigkeiten ist sowohl für Stahl- als auch für Verbundstützen eine Steigerung der Tragfähigkeit oder die Ausführung kleinerer Querschnitte möglich (Bild 49, s. auch [66]). Da in der EPD Baustahl die Festigkeitsklassen S235 bis S960 im

Evaluierung und Optimierung von Tragkonstruktionen

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Bild 49. Profilhöhe sowie Primärenergiebedarf und Kosten (beide bezogen auf Grenzdruckkraft) für Stahlstützen aus S235, S355 und S460

Integral ihrer Verwendung behandelt werden, sind die ausgewiesenen ökologischen Belastungen unabhängig von der Streckgrenze, den Legierungsanteilen und dem Behandlungszustand einheitlich (vgl. [65], Tab. 4). Entsprechendes gilt für Stahlhohlprofile nach DIN EN 10210, jedoch sind Norm und EPD auf Stähle bis S460 begrenzt.

Wegen der mit der Stahlfestigkeit zunehmenden Tragfähigkeit sinkt der hierauf bezogene Primärenergiebedarf. Die höheren Materialkosten können innerhalb des betrachteten Schlankheitsbereichs durch die Tragfähigkeitssteigerung kompensiert werden, sodass sich auch ökonomische Vorteile durch die höheren Festigkeiten ergeben. In Bild 49 fällt auf, dass trotz der unterschiedlichen Tragfähigkeiten bei gleicher Nennhöhe der Primärenergiebedarf zwar von der Stahlfestigkeit abhängig, jedoch nahezu unabhängig von der Querschnittsform ist. Auch hier gilt, dass Materialeinsparungen durch die günstigere Form der Hohlprofile vom höheren Primärenergiebedarf je Masseneinheit weitestgehend kompensiert werden.

In Bild 50 ist der Zusammenhang zwischen der Nennhöhe des Profils, dem Primärenergiebedarf und den Kosten für die Kombination verschiedener Stahl- und Betonfestigkeiten aufgetragen (s. auch [66]). Analog zu den Stahlgüten führt auch eine Erhöhung der Betongüte bei Verbundstützen zu einer Erhöhung der Tragfä-

higkeit. Wie in Bild 37 gezeigt, nehmen Umweltwirkung und Ressourceninanspruchnahme mit höheren Betongüten zu. Die ökologischen Produktdaten differenzieren zwischen den Güten. Bezieht man den Primärenergiebedarf jedoch auf die Tragfähigkeit, werden die relativen Aufwendungen niedriger. Entsprechende Auswirkungen ergeben sich auch auf die Kosten. Zu erkennen ist, dass durch entsprechende Material- und Querschnittswahl Einsparungen von 20 bis 30 % möglich sind (Bild 50).

5.3.4

Einfluss der Stützenlänge

Die erforderliche Stützenlänge ergibt sich aus der lichten Raumhöhe und der Konstruktionshöhe des Deckensystems einschließlich der Fußbodenaufbauten und ggf. abgehängter Decken. Die Wahl der lichten Raumhöhe beeinflusst die Umnutzungsfähigkeit eines Gebäudes (vgl. Abschnitt 4.3).

In Bild 51 ist die Tragfähigkeit von Stahl- und Verbundstützen mit Quadrathohlprofilen in drei Größen und unterschiedlichen Festigkeitsklassen in Abhängigkeit von der Knicklänge aufgetragen. Im gedrungenen und mittleren Schlankheitsbereich wirken sich hohe Festigkeiten positiv auf den Materialverbrauch aus. Aus den Diagrammen ist zu erkennen, dass die Abstände der Gruppen von Tragfähigkeitslinien (schwarze, dunkel-

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Stand: Juni 2016 (homepage_Probekapitel)