Verbundstütze bis zum Bruch getestet

Eine gründliche Prüfung von neuen hochfesten Verbundkonstruktionen mit Hochleistungswerkstoffen ist vor dem Einsatz in der Praxis und vor einer Normung notwendig. Nur dann können die Konstruktionen zeigen, dass mit ihnen schlank gebaut werden kann, mehr Nutzfläche entsteht und ein besserer Brandschutz vorliegt. Daher werden sie vor allem auf ihre Sicherheit geprüft. Przemyslaw Schurgacz und Dennis Witteck beschäftigen sich an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) mit hochfesten Verbundkonstruktionen. Sie belasten die Stützen bis ein Bruch auftritt.

Stahlrohre sind mit Spezialbeton gefüllt

Stützen stehen im Mittelpunkt der Doktorarbeit von Przemyslaw Schurgacz. Es sind Stützen, wie sie zum Beispiel beim Bau von Hochhäusern zum Einsatz kommen. Seine Stützen bestehen nicht wie übliche Verbundstützen aus einem mit herkömmlichen Beton gefüllten Stahlrohr. Sie bestehen aus einem betongefüllten Hohlprofil aus höchstfestem Stahl. In dessen Inneren liegt ein massiver Stahlkern beziehungsweise in deren Innern liegt ein weiteres Stahlrohr, das wiederum mit Hochleistungsbeton gefüllt ist. Was die Stützen dann unter realistischen Bedingungen aushalten, prüfte ein Forscherteam in der Versuchshalle unter Belastung. Hierzu fertigte das Team des Lehrstuhls für Stahl-, Leicht- und Verbundbau von Prof. Dr. Markus Knobloch in der Gemeinschaftseinrichtung Konstruktionsteilprüfung KIBKON der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften die ein- und zweigeschossige Verbundstützen. Betoniert wurden sie in einem Fertigteilwerk. Für den Test wurden die Stützen in der Halle der Konstruktionsteilprüfung in die große Prüfmaschine eingebaut. Zum Einsatz kam erstmals ein optisches Messsystem.

Unter realistischen Bedingungen geprüft

Eine Druckkraft von bis zu 2.000 Tonnen ließ das Forscherteam im Versuch auf die Stützen wirken. Damit testeten sie die Verbundstützen zum ersten Mal weltweit unter realistischen Bedingungen – so wie sie in Hochhäusern und anderen Megastrukturen vorherrschen. Lange konnten die Stützen der Belastung standhalten, doch dann bogen sie sich zur Seite durch und eine weitere Lastaufnahme war durch die Stützen nicht mehr möglich. „Der Einsatz der neuen Werkstoffe ist nur bis zu einer bestimmten Länge der Stütze zielführend und wirtschaftlich“, so Przemyslaw Schurgacz. „Allerdings ist für derartige Verbundstützen gerade die kürzere eingeschossige Ausführung das größte Anwendungsgebiet.“ Blickt man auf die geplanten Hochhäuser in Europa und in der Welt, zeigt sich ein großes Marktpotenzial für die innovativen Verbundstützen in den nächsten Jahren.

Verbundkonstruktionen bei Erdbebengefahren

Doch wie reagieren die Verbundkonstruktionen aus Hochleistungswerkstoffen bei Erdbeben? Dieser Frage geht Dennis Witteck bei seiner Arbeit nach. Für die Antworten auf die Frage entwickelt das Forscherteam einen eigenen Versuchsaufbau in der großen Prüfmaschine, um die Konzepte und Strategien zu überprüfen. Dabei konnten sie schon vielversprechende Ergebnisse für den Einsatz dieser Verbundstützen in seismisch aktiven Regionen wie Südeuropa, Japan und Kalifornien aus den ersten Versuchen und numerischen Simulationen ableiten. „Die innovativen Verbundstützen mit hochfesten Materialien sind eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung für den Geschossbau, weil sie große Lasten abtragen, weil kleine Stützenquerschnitte möglich sind und hohe Brandschutzanforderungen erfüllt werden können“, fasst Dennis Witteck die Ergebnisse zusammen. Die Hauptversuchsserie läuft zurzeit. Die Ingenieure rechnen mit Ergebnissen im Laufe des Jahres 2021.

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