hochhäuser

Konstruktionsweisen für den Hochhausbau

Materialien
Bauweisen

Stahlbeton

Eine Kombination von zwei Werkstoffen, in der sich die positiven Eigenschaften der beiden Materialien Stahl und Beton ergänzen: der Stahl übernimmt die Zugkräfte, der Beton die Druckkräfte. Dabei werden üblicherweise faserartig Stahlstäbe oder vorbereitete Matten in Beton eingebettet, die Stahlstäbe müssen dabei aufwendig den vorher berechneten Zugkräften entsprechend angeordnet und dimensioniert werden. Nach dem Vergießen schützt die Betonschicht den Stahl vor Korrosion und im Brandfall auch vor übermäßiger Erwärmung.
Optimale Ergebnisse lassen sich oft nur durch die Fertigung großer zusammenhängender Teile vor Ort erzielen, sodaß die Vorfertigungsmöglichkeiten begrenzt sind und dadurch die Bauweise im Vergleich zu den anderen verhältnismäßig langsam ist.


Spannungs/Dehnungskurven von Baustahl S235 bei unterschiedlichen Temperaturen:

Gut zu sehen wie sich oberhalb von 250°C die Form der Kurve von einer Linearen in eine Nichtlineare ändert.

Stahl

Stahl lässt sich optimal vorfertigen und auf der Baustelle montieren. Zur Verbindung der vorgefertigten Teile stehen verschiedene Techniken bereit: Schrauben, Nieten, Schweißen. Beim Schweißen ist darauf zu achten, daß die durch das Schweißen erwärmten Teile sich stark ausdehnen und nach dem Abkülnen unter Umständen starke Spannungen im Tragsystem erzeugen.
Das Verhalten von Stahl bei starker Erwärmung ist denn auch das größte Problem dieser Bauweise. Die Ausdehnung des Materials mit steigender Temperatur führt im Brandfall schnell dazu, daß die Konstruktion sich selbst sprengt, bzw. die Knotenpunkte versagen. Zudem verliert Stahl bei einer legierungsabhängigen Temperatur plötzlich einen großen Teil seiner Tragfähigkeit. So hat Baustahl S235 bei 500°C schon nur noch die Hälfte seiner 20°C - Tragfähigkeit.
Es gibt verschiedene Ansätze des Brandschutzes bei Stahl:

  1. Legt man das Tragwerk nach außen, vor die Fassade, so kann ein im Gebäude liegender Brandherd die tragenden Teile nur einseitig aufheizen.
  2. Die Verkleidung mit brandhemmenden Stoffen. Gipskarton, Mineralfaserplatten, Spritzputz....
  3. Füllung von speziellen Stahlhohlprofilen mit zirkulierendem Wasser
  4. Aufbringen spezieller Beschichtungen, die erst im Brandfall anfangen aufgrund der Hitze aufzuschäumen und dann eine Art Wärmedämmung um die Stahlteie bilden.

Mit den Techniken 1. bis 3. können Feuerwiderstandsdauern von bis zu F120 erreicht werden, mit den Dämmschichtbildnern (4.) lediglich bis zu F60.
 

Stahl - Beton - Verbundbauweise

Stahl-Beton-Verbund ist eine Kombination der beiden obengenannten Bauweisen, bei der die hauptsächlich tragenden Stahlprofile mit Beton ausgegossen oder ummantelt werden, sodaß sie dann gemeinsam tragen und das Stahlprofil im Brandfall durch den Beton vor übermäßiger Erwärmung geschützt wird. Dabei kann die Betonfüllung oder Ummantelung zusätzlich wie im Stahlbetonbau bewehrt werden. Um einen besseren Verbund zu erreichen werden auf den Stahlwalzprofilen, wenn nötig, Kopfbolzen aufgeschweißt, die in die Betonmasse hineinreichen und sie gegen Abplatzen sichern.
Stahl-Beton-Verbund-Bauteile können weitgehend vorgefertigt werden und besitzen insbesondere auch bei einer Ortbetonausführung schon ausreichende Festigkeiten, um auch bei noch nicht ausgehärtetem Betonanteil schon Lasten der fortschreitenden Baustelle aufzunehmen.

Tragwerke

Deckentragwerke

Normale massive Geschoßdecken werden im allgemeinen in Stahlbetonbauweise und mit regelmäßigem Stützenraster gebaut. Die Spannweiten betragen dabei bis zu 7,50m bei einer Deckenstärke bis 30cm. Möchte man jedoch höhere Spannweiten erreichen, oder die Eigenlast des Tragwerkes reduzieren - was im Hochhausbau extrem wichtig ist - so gilt es diese massive Konstruktion aufzulösen. Der erste Schritt ist die Stahlbeton-Rippendecke, die in einer Schar von Unterzügen die zugbelasteten Bewehrungseisen möglichst weit weg von der eigentlichen, die Druckkräfte aufnehmenden, Decke bringt. Den Raum zwischen den Rippen kann man gut zur Installationsführung benutzen.
Eine besondere Spielart der Rippendecke ist die Stahl-Beton-Verbund-Rippendecke. Dabei kann die Rippe auf verschiedene Art und Weise ausgebildet werden: Ein Stahlträger mit Kopfbolzen auf dem Obergurt kann genauso als Rippe dienen, wie eine herkömmliche mitgegossene Betonrippe, die sich mit einem Trapezblech verbindet, das sowohl verlorene Schalung als auch Zugphase der Decke ist.

Hong Kong & Shanghai Bank

Architekt:
Norman Foster Associates

Tragwerk:
Ove Arup & Partners

47 Geschosse
179 m Höhe

Aussteifungstragwerke

Abhängig von der Höhe und Schlankheit eines Hochhauses gilt es, verschiedene Aussteifungskonzepte in Betracht zu ziehen. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um stockwerkhohe Rahmen oder Fachwerkkonstruktionen. Bei Gebäuden oberhalb von 50 Geschossen werden Aussteifungen häufig auch zu Megastrukturen in Dimensionen von mehreren Stockwerken zusammengefasst. In diesen Megatragstrukturen "hängen" dann die eigentlichen Gebäudeeinheiten.

Die Hong Kong & Shanghai Bank in Hong Kong hat ein gut sichtbares außenliegendes Aussteifungstragwerk, das auf den ersten Blick wie eine Kombination übereinandergestellter Dreigelenkrahmen aussieht, sich aber aufgrund der durchlaufenden Vierendeelträger eher als hochgradig unbestimmtes Tragwerk entpuppt. Die Kragarme haben am Ansatz doppelte Geschosshöhe und fassen das Gebäude in Blöcke zu je acht Geschossen zusammen.

Tragverformungsverhalten eines Kerntragwerkes mit und ohne Outtriggersystem

Räumliche Tragwerke

Bei den räumlichen Hochhaustragwerken unterscheidet man zwischen Kern und Röhrentragwerken.
Kerntragwerke können an verschiedenen Stellen im Hochhausgrundriss wirksam werden: innerhalb am Rand, in der Mitte & außerhalb. Da diese Kerne häufig gleichzeitig Erschließung und Tragelement sind, haben sie oft eine große Schlankheit, die die des Hochhauses oft noch um den Faktor 2 bis 3 übertrifft. Sie besitzen wegen ihres geringen inneren Hebelarmes nur begrenzte Fähigkeiten zur Horizontalaussteifung, sind jedoch in der Lage, große Vertikallasten aufzunehmen.
Oftmals werden Sie durch sogenannte Outtrigger-Systeme ergänzt, die keine Horizontallasten tragen, jedoch den Kern in seinem Tragverhalten beeinflussen.

Röhrentragwerke sind die effizienteste Möglichkeit, die großen Horizontallasten eines turmartigen, schlanken Hochhauses abzutragen. Im Prinzip ist das Röhrentragwerk nichts anderes als ein Kerntragwerk, dessen Durchmesser auf die maximal mögliche Größe erweitert wurde. Der große innere Hebelarm des Tragwerkes ermöglicht dabei eine schlanke Dimensionierung der zu Stäben aufgelösten Konstruktion.

Dynamische Lasten

Windlasten

Windböen können unter ungünstigen Umständen Hochhaustragwerke in Schwingungen versetzen. Wenn die Frequenz der Schwingungen nahe der Eigenfrequenz des Hochhaustragwerkes liegt, kann es zur Schwingungskatastrophe kommen (Böenresonanz). Ein Phänomen, das man eher von Brücken kennt, die durch im Gleichschritt marschierende Soldaten angeregt werden. Aber auch bei Fabrikschornsteinen treten ähnliche Symptome auf, und werden durch eine gezielte Verwirbelung des Windes gemindert.
 

Erdbebenlasten

Seismische Risiken sind besonders schwer abzuschätzen. Erdbebengefährdete Gebiete sind zwar genauso bekannt wie die Windverhältnisse am Bauplatz, doch ist die Art des Erdstoßes schwer vorherzusehen. Es gibt verschiedene Klassen von Erdbeben:

  • Ein-Stoß-Beben
    (ein einzelner Impuls von kurzer Schwingungsdauer 0,1 bis 0,2s)
  • Sätze von Impulsen
    (eine Reihe von starken, unregelmäßig verteilten Stößen mit Schwingungsdauern zwischen 0,05 und 0,5 s)
 

Dämpfung dynamischer Lasten

Schwingungen, die durch die dynamischen Lasten in das Gebäude eingeleitet werden, gilt es zu dämpfen, um ein Aufschaukeln zu verhindern. Dazu installiert man in großer Höhe, oder auch an mehreren Stellen im Gebäude eine gedämpfte "Schwungmasse", ein zusätzliches Gewicht, das aufgrund entgegengesetzter Schwingungseigenschaften dämpfend wirkt.
Es ist jedoch auch möglich, die Dämpfung direkt in die Konstruktion zu integrieren.

Quellen: Allgemein

Literatur

  • Marios C. Phocas: Tragwerke für den Hochhausbau
    Ernst & Sohn, Berlin 2001

Quellen und weiterführende Links im Netz: