Auf einen Blick

  • Neue Erkenntnisse zur Verbundfestigkeit von Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen mit Kopfbolzen als Schubverbund
  • CFST-Säulen (Concrete-Filled Steel Tubes) kombinieren die Vorteile von Stahl und Beton für höhere Tragfähigkeit
  • Kopfbolzen erhöhen die Verbundtragfähigkeit um 15–30 % gegenüber reinem Kontaktschluss
  • Relevante Anwendungen: Stützen im Hochbau, Industrieanlagen und Infrastrukturprojekte
  • Technologie im Einsatz erprobt, spezifische Optimierungen noch in Validierung

Grundlagen der Verbundwirkung in CFST-Konstruktionen

Die Publikation „Assessment of steel-concrete interfacial strength in CFST columns with headed shear studs" (2020) untersucht die Verbundfestigkeit zwischen Stahl und Beton in betongefüllten Stahlrohrstützen (CFST – Concrete-Filled Steel Tube) mit Kopfbolzen als Schubverbinder. CFST-Säulen bestehen aus einem Stahlrohr, das mit Beton gefüllt wird. Der Stahlmantel übernimmt Zugkräfte und erhöht die Druckfestigkeit des Kernbetons durch mehr-dimensionale Einspannung. Die verwandte Arbeit von Shear transfer mechanisms in composite columns: an experimental study (2007) zeigte bereits, dass die natürliche Verbundfestigkeit zwischen Stahl und Beton oft nicht ausreicht, um die volle Traglast zu mobilisieren. Kopfbolzen als Schubverbinder erhöhen die Kraftübertragung an der Schnittfläche signifikant. Untersuchungen aus New insights into the mechanism of load introduction into concrete-filled steel tubular column through shear connection (2014) belegen, dass durch gezielte Anordnung von Kopfbolzen die Tragfähigkeit um 15–30 % gesteigert werden kann.

Der Schubverbund ist der kritische Faktor für die Tragfähigkeit von CFST-Stützen – ohne zusätzliche Verbundmittel bleibt das Potenzial der Verbundbauweise ungenutzt.

Anordnung und Dimensionierung der Kopfbolzen

Die Untersuchung fokussiert auf die systematische Bewertung der Stahl-Beton-Interface-Festigkeit bei Variation von Kopfbolzenanzahl, -durchmesser und -position. Experimentelle Daten aus verwandten Studien – insbesondere Tests on stub stainless steel–concrete–carbon steel double-skin tubular (DST) columns (2010) und Experimental behaviour of concrete filled thin walled steel tubes with tab stiffeners (2010) – zeigen, dass eine gleichmäßige Verteilung der Kopfbolzen entlang der Stützenlänge die Lastübertragung optimiert. Die Betongüte beeinflusst die Verbundfestigkeit maßgeblich: Bei Betonen der Festigkeitsklasse C50/60 wurden Schubkapazitäten von bis zu 8 MPa an der Verbundfläche gemessen. Für Maurer bedeutet dies, dass die Betonrezeptur und die Verdichtungsqualität direkt in die Tragfähigkeit der Verbundkonstruktion eingehen.

Die Wirksamkeit der Kopfbolzen hängt entscheidend von der korrekten Einbauposition, der Betonqualität und der Nachbehandlung ab – Fehler in der Ausführung reduzieren die Verbundfestigkeit erheblich.

Einsatzbedingungen unter Brand- und Erdbebenbelastung

Die Arbeit schließt eine Lücke in der normativen Bewertung der Verbundfestigkeit, da aktuelle Regelwerke wie Eurocode 4 nur pauschale Ansätze für Schubverbinder in CFST-Konstruktionen bieten. Verwandte Untersuchungen zu Brand- und Erdbebenbelastungen – Post-fire bond between the steel tube and concrete in concrete filled steel tubular columns (2010) sowie Seismic performance of CFST column to steel beam joint with RC slab: Experiments (2010) – belegen, dass die Verbundeigenschaften nach Temperaturbelastung oder zyklischen Lasten abnehmen können. Wird die Stahl-Beton-Schnittstelle durch Kopfbolzen verstärkt, bleibt die Resttragfähigkeit nach Belastungsszenarien höher als bei reinem Kontaktverbund. Messungen aus Brandversuchen zeigten noch 60–70 % der Ausgangstraglast nach einstündigem Brand.

Für robuste Verbundkonstruktionen in kritischen Bereichen (Fluchtwege, öffentliche Gebäude) ist der Einsatz von Schubverbindern wie Kopfbolzen empfehlenswert, um Sicherheitsreserven zu schaffen.
TRL 7: Systemprototyp im Einsatzumfeld demonstriert

Transferpotenzial für Maurer

Für das Maurergewerk ergeben sich konkrete Anwendungsfelder bei der Herstellung von Stahlbeton- und Verbundkonstruktionen:

  • Betoneinbringung in Stahlrohrstützen: Bei CFST-Konstruktionen muss der Beton gleichmäßig und lunkerfrei eingebracht werden, um den vollen Kontakt mit den Kopfbolzen sicherzustellen. Rütteln oder Selbstverdichtungsbeton sind empfehlenswert.
  • Qualitätskontrolle: Die Betonfestigkeitsklasse direkt beeinflusst die Verbundkraft. Maurer sollten bei der Übernahme von Betonlieferungen die Übereinstimmung mit den Planunterlagen prüfen.
  • Abstimmung mit Stahlbau: Die Position der Kopfbolzen muss mit den Bewehrungsplänen und der Schalung koordiniert werden. Eine enge Zusammenarbeit mit dem Stahlbauer ist erforderlich.
  • Einbauprüfung: Vor dem Betonieren sollten die Kopfbolzen auf festen Sitz und korrekte Ausrichtung kontrolliert werden – abgerissene oder verdrehte Verbundmittel reduzieren die Wirksamkeit.
  • Weiterbildung: Kenntnisse über Verbundbauweise und Schubverbinder erweitern das Kompetenzprofil von Maurern im Bereich Stahlbetonbau und Ingenieurbau.

Besonders bei Projekten mit hohen Anforderungen an Tragfähigkeit, Brandschutz oder Erdbebensicherheit bietet die Verbundbauweise mit Kopfbolzen eine technisch ausgereifte Lösung, die durch qualifizierte Ausführung durch das Maurergewerk ihre volle Wirkung entfaltet.

Fazit

Die untersuchte Publikation und die verwandten Arbeiten zeigen, dass CFST-Säulen mit Kopfbolzen als Schubverbinder eine effektive Methode zur Steigerung der Tragfähigkeit und Robustheit von Verbundkonstruktionen darstellen. Für das Maurergewerk sind die Erkenntnisse direkt anwendbar: Die Betonqualität, die Einbringmethode und die Koordination mit anderen Gewerken entscheiden über die Effizienz der Verbundwirkung. Die Technologie befindet sich auf einem hohen Reifegrad (TRL 7) und ist für den praktischen Einsatz geeignet – vorausgesetzt, die Ausführung erfolgt sachgerecht nach den aktuellen Normen und Planvorgaben.

Quellen

  • Primär: Assessment of steel-concrete interfacial strength in CFST columns with headed shear studs (2020). https://doi.org/10.1016/j.tws.2020.114755
  • Verwandte Arbeiten:
    • Tests on stub stainless steel–concrete–carbon steel double-skin tubular (DST) columns (2010).
    • Seismic performance of CFST column to steel beam joint with RC slab: Experiments (2010).
    • Post-fire bond between the steel tube and concrete in concrete filled steel tubular columns (2010).
    • Experimental behaviour of concrete filled thin walled steel tubes with tab stiffeners (2010).
    • New insights into the mechanism of load introduction into concrete-filled steel tubular column through shear connection (2014).
    • Behaviour of thin-walled steel box sections with or without internal restraint (1998).
    • Shear transfer mechanisms in composite columns: an experimental study (2007).
    • Brace-Beam-Column Connections for Concentrically Braced Frames with Concrete Filled Tube Columns (2004).