Fertigteile - Übersicht

Lagerung verschiedener Betonfertigteile
(Foto von BWS Betonwerk Schwerin GmbH & Co. KG)

Diese Seite soll einen allgemeinen Überblick zu Betonfertigteilen geben. Fertigteile sind Bauteile, welche aus Beton, Stahlbeton oder Spannbeton bestehen und in einem Betonfertigteilwerk hergestellt werden. Nach der Fertigung werden diese zur Baustelle geliefert und montiert. Neben den normalen Fertigteilen gibt es auch noch so genannte Halbfertigteile. Diese werden zum Teil in einem Betonwerk vorproduziert, dann zur Baustelle geliefert und vor Ort fertiggestellt (z. B. Elementdecke).

Die Fertigteilbauweise bringt einige Besonderheiten im Vergleich zu der Ortbetonbauweise mit sich. Beispielsweise kommen bei der Werksfertigung nur Betone mit hoher Festigkeitsklasse (C30/37 und höher) zum Einsatz. Im Betonwerk hergestellte Fertigteile haben eine sehr gute Bauteilqualität. Außerdem können die Herstellkosten und die Bauzeit für ein Bauwerk reduziert werden.

Fundamente

Im Fertigteilbau wird zwischen Köcher- und Blockfundamenten unterschieden. Beide Varianten stellen eine Steckverbindung zwischen Stütze und Fundament dar. Die Begriffsbildung ist hier jedoch nicht einheitlich. In werden z. B. beide Fundamenttypen unter dem Begriff "Köcherfundament" zusammengefasst. Auf der Baustelle werden die Fertigteilfundamente in der Regel auf einer Sauberkeitsschicht aus Magerbeton und einer darüber liegenden, ca. 3 cm starken Ausgleichsschicht aus Sand positioniert. Anschließend werden die Fertigteilstützen in die dafür vorgesehenen Fundamentaussparungen eingestellt und vermörtelt. Mithilfe dieser Verbindung lassen sich die am Stützenfuß entstehenden Schnittgrößen in die Fundamente einleiten. Somit kann auf eine klassische zugfeste Verbindung zwischen Stütze und Fundament mittels Anschlussbewehrung verzichtet werden .

Köcherfundamente

Köcherfundamente bestehen aus einem Fundamentquader und einem oben aufgesetzten Becher, welcher innen eine glatte oder verzahnte Oberfläche aufweist . Bei einem glatten (unverzahnten) Köcher wird die Stützennormalkraft per Spitzendruck in das Fundament eingeleitet. Diese Variante erfordert einen dicken Fundamentquader, welcher eine große Bauhöhe und großes Gewicht mit sich bringt. Besonders wichtig ist die Kraftübertragung zwischen Stütze und Fundament. Hierfür ist ein verzahnter Köcher wesentlich besser geeignet als ein unverzahnter. Bei verzahnten Köcherfundamenten werden die Kräfte über die gesamte Höhe der Verzahnung (Mantelreibung) eingeleitet . Wenn aus bestimmten Gründen keine kompletten Fundamente benötigt werden, können einzelne Köcherhälse zum Einsatz kommen. Diese werden als Fertigteil (genauer: Halbfertigteil) auf die Baustelle geliefert und in die vor Ort hergestellte Bodenplatte eingebaut . Die Köcherverzahnung kann mit Hilfe einer verlorenen Schalung hergestellt werden. Typische Schalkörper sind trapezförmige Blechschalungen, gewellte Vierkantblechrohre oder Kunststoffschalungskästen .

Blockfundamente

Das Blockfundament ist eine Alternative zum Köcherfundament. Es besteht ebenfalls aus einem dicken Fundamentblock, hat aber anstelle eines aufgesetzten Köchers einen eingelassenen Köcher. Somit lassen sich geringere Fundamentabmessungen und eine flachere Gründung realisieren . Die Kraftübertragung muss aufgrund der geringen Fundamentstärke unterhalb der Stütze per Mantelreibung erfolgen. Deshalb ist eine horizontal umlaufende Verzahnung am Stützenfuß und in der Fundamentaussparung zwingend notwendig . Generell lässt sich sagen, dass die Herstellung eines Blockfundamentes um einiges wirtschaftlicher ist als die eines Köcherfundamentes. Denn auf den schalungs- und bewehrungstechnischen Aufwand des aufgesetzten Köchers kann verzichtet werden . Durch den eingelassenen Köcher lässt sich im Vergleich zu einem aufgesetzten Köcher auch etwas Beton einsparen. Dies ist jedoch nur dann der Fall, wenn das Fundament im eingebauten Zustand nicht allzu große Biegemomente aufnehmen muss. Sollte dies doch der Fall sein, muss mehr Beton zum Einsatz kommen. Des Weiteren besteht durch eine zu geringe Fundamentstärke unterhalb der Stütze, einer zu hohen Stützeneigenlast und einem noch nicht ausgehärteten Mörtel die Gefahr des Durchstanzens .

Stützen

liegende Fertigteilstütze inklusive Konsolen und Fundament
(Foto von BWS Betonwerk Schwerin GmbH & Co. KG)

Stahlbetonfertigteilstützen finden im Industrie- und Gewerbebau sowie bei Geschossbauten Anwendung. Sie sind ein wichtiger Bestandteil der Tragstruktur von Bauwerken und sorgen für den vertikalen Lastabtrag. Standardmäßige Fertigteilstützen haben einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt, aber auch Sonderformen wie beispielsweise runde oder ovale Querschnitte sind möglich.

Stützen mit rechteckigem Querschnitt

Rechteckige und quadratische Stützen werden meistens liegend in einer Schalung gefertigt. Standardmäßige Stahlbetonrechteckstützen können eine Stützenlänge von bis zu 34 m und eine Kantenlänge von 0,20 m bis 1,30 m aufweisen . In Sonderfällen können die Stützenlänge und die Querschnittsabmessungen variieren. Generell lässt sich sagen, dass bei Industrie- und Gewerbebauten hauptsächlich der Rechteckquerschnitt verwendet wird. Bei Geschossbauten des üblichen Hochbaus wird die quadratische Form mit konstantem Querschnitt über alle Geschosse bevorzugt. Dies hat den Vorteil, dass mit Hilfe von Konsolen einheitliche Auflagerungs- und Anschlusspunkte gebildet werden können. Bei der Herstellung ist es schalungstechnisch am günstigsten, wenn man Konsolen möglichst nur an zwei gegenüberliegenden Seiten oder an drei Seiten anordnet. Stützen mit vierseitigen Konsolen sind schalungs- und bewehrungstechnisch sehr aufwändig und werden daher nur in seltenen Ausnahmefällen hergestellt. Geschossbauten mit bis zu fünf Stockwerken können mit durchgehenden Stützen errichtet werden, ohne dass diese gestoßen werden müssen. .

Stützen mit rundem Querschnitt

Der Einsatz von runden Stützen hat sich in der Baubranche ebenfalls etabliert. Häufig werden sie trotz ihrer höheren Fertigungskosten als gestalterisches Element eingesetzt. Sie können in einer stehenden Schalung gefertigt werden, haben dann jedoch den Nachteil, dass sie nur geschosshoch ausgeführt werden können. Dementsprechend müssen sie für den Einsatz bei Geschossbauten oft gestoßen werden. Eine besondere Art von Stahlbetonfertigteilen ist die Schleuderbetonstütze. Sie wird liegend im Schleuderverfahren gefertigt und weist im Inneren einen Hohlraum auf. Mit diesem Fertigungsverfahren können runde, quadratische und ovale Stützen gefertigt werden. Des Weiteren lässt sich eine hohe Betonfestigkeit und eine gute Sichtbetonqualität realisieren . Standardmäßige runde Schleuderbetonstützen können einen Durchmesser von 0,20 m bis zu 1,10 m aufweisen. Stützenlängen von bis zu 30 m sind möglich. In Sonderfällen können die Stützenlänge und der Stützendurchmesser variieren. .

Wandelemente

Fertigteilwandelemente kommen im Industrie- und Gewerbebau sowie bei Geschossbauten zur Anwendung und ermöglichen schnelles und wirtschaftliches Bauen. Typische Fertigteile sind Elementwände oder Sandwich-Fassadenplatten.

Elementwände

Elementwand auf Kipptisch
(Foto von BWS Betonwerk Schwerin GmbH & Co. KG)

Elementwände werden im üblichen Hochbau als Außen- oder Innenwände eingesetzt . Sie bestehen aus zwei bewehrten Stahlbetonschalen, die durch Gitterträger miteinander verbunden sind und nach der Montage am Einsatzort mit Ortbeton verfüllt werden (Halbfertigteil) . Um einen ausreichenden Verbund mit dem Ortbeton (Kernbeton) herzustellen, müssen die Innenseiten der beiden Stahlbetonschalen im Werk mit einer kornrauen Oberfläche ausgebildet werden. Die Elementwände gibt es mit unbewehrtem und bewehrtem Kernbeton. Beide Varianten sind in der Lage, vertikale und horizontale Lasten zu übertragen. Bei unbewehrten Wänden ist lediglich eine Transport- und Montagebewehrung erforderlich. Anders ist es bei den bewehrten Wänden. Hier darf die statisch erforderliche Bewehrung teilweise oder komplett in den beiden Stahlbetonschalen angeordnet werden. Die statisch erforderliche Bewehrung ist an den Plattenstößen, Wandecken und Wandanschlüssen zu verbinden oder durch zusätzlich eingelegte Bewehrungsstähle im Kernbeton zu übergreifen .

Die Elementwände werden meist liegend auf Kipptischen oder vertikal in Batterieschalungen mit Längen von 6,0 m und in besonderen Fällen sogar bis zu 12,0 m hergestellt. Die Breite der Elementwände wird durch die mögliche Transportbreite oder -höhe bestimmt. Der Abstand zwischen den Stahlbetonschalen muss mindestens 7 cm betragen, um ein einwandfreies Betonieren vor Ort zu ermöglichen . Die Stahlbetonschalen selbst sind ca. 5 – 7 cm stark .

Sandwich-Fassadenplatten

Sandwichplatte
(Foto von BWS Betonwerk Schwerin GmbH & Co. KG)

Die dreischichtigen Sandwichplatten bestehen aus Vorsatzschale (Außenseite), Wärmedämmung (Kerndämmung) und Tragschicht (Innenseite) . Verbaut werden sie überall dort, wo große Fassaden mit guter Wärmedämmung und Sichtbeton als Fassadengestaltung gewünscht sind. Die einzelnen Schichtstärken sind je nach Anforderung frei wählbar . Die Sandwichplatten werden in einem Arbeitsgang hergestellt und als Ganzes montiert . Befestigt werden sie mit Hilfe von Ankerschienen an den Bauwerksstützen . Um einen guten Flächenkontakt innerhalb des Sandwichelementes zu gewährleisten, werden Vorsatzschale und Tragschicht mittels korrosionsbeständiger Anker zusammengehalten . Als Dämmschicht werden häufig Polystyrol- oder Polyurethan-Hartschaumplatten verwendet .

Es gilt zu beachten, dass wegen der Temperaturunterschiede zwischen Außen- und Innenseite in der Vorsatzschale Verwölbungen auftreten können. Dies geschieht, weil die Tragschicht die Raumtemperatur annimmt, die Vorsatzschale jedoch aufgrund der Witterung häufigen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Aus diesem Grund sind bei der Bemessung die Einflüsse aus Temperatur, Feuchtigkeit, Austrocknen und Schwinden in ihrem zeitlichen Verlauf zu berücksichtigen. Um vertikale und horizontale Lasten zu übertragen, müssen die Trag- und Vorsatzschale bewehrt und mittels Anker verbunden sein. Um eine ausreichende Betondeckung in der Vorsatzschicht zu gewährleisten, darf die Bewehrung nur einlagig angeordnet werden . Die Sandwichelemente sind in der Regel 24 - 47 cm breit. Dabei beansprucht die Tragschale ca. 12 - 25 cm, die Dämmschicht ca. 6 - 14 cm und die Vorsatzschale ca. 6 - 8 cm . Sie werden liegend auf Schalungspaletten hergestellt. So können strukturierte und ausgewaschene Oberflächen erzielt werden .

Träger und Binder

Fertigteilträger
(Foto von BWS Betonwerk Schwerin GmbH & Co. KG)

Balkenelemente wie Fertigteilträger und Binder aus Stahlbeton bilden zusammen mit den Stützen häufig die Tragstruktur eines Bauwerkes. Sie dienen dabei hauptsächlich als horizontale Tragelemente zur Auflagerung von Decken- und Dachelementen sowie als Aussteifung des Bauwerks.

Träger

Stahlbetonträger gibt es in verschiedenen Querschnittsformen, darunter rechteckige, L-förmige und kreuzförmige Profile. Die Abmessungen der Träger sind in der Regel auf eine Breite von 1,50 m und eine Höhe von 1,80 m begrenzt. In Spannbetonbauweise können Längen bis zu 34 m erreicht werden. Um haustechnische Leitungen im Gebäudeinneren unterzubringen, werden häufig runde und eckige Aussparungen in den Trägern angeordnet .

Binder

Fertigteilbinder
(Foto von BWS Betonwerk Schwerin GmbH & Co. KG)

Stahlbetonbinder tragen die Dacheindeckung. Diese besteht bei Industrie- und Gewerbebauten für gewöhnlich aus Trapezblechprofilen oder Porenbetonplatten. Die Binder gibt es als I- und T-Profile, wobei das T-Profil die wirtschaftlichere Querschnittsform darstellt . Aus statischen Gründen wird eine Stegbreite von 0,50 m und eine Gurtbreite von 1,00 m sowie eine Höhe von 2,50 m nur in Ausnahmefällen überschritten. Wirtschaftliche Spannweiten für Stahlbetonbinder sind 12 bis 24 m . Mit vorgespannter Bewehrung sind Spannweiten bis zu 40 m möglich. Die Dachneigung kann durch eine Schrägstellung des Binders oder durch unterschiedliches Ausklinken der Pfetten erreicht werden. Aussparungen für haustechnische Leitungen sind ebenfalls möglich .

Deckenelemente

Fertigdecke

Die Fertigdecke wird voll maschinell hergestellt und ist, wenn sie in hohen Stückzahlen produziert wird, eines der wirtschaftlichsten Deckensysteme. Die Hohlräume bringen bis zu 40 % Material- bzw. Gewichtsersparnis gegenüber Massivplatten. Es wird grundsätzlich zwischen schlaff bewehrten und vorgespannten Platten unterschieden. Schlaff bewehrte Fertigdecken werden in einer speziellen Betonier- und Rohrziehanlage im Umlaufverfahren hergestellt. In der Regel ist hier eine Längs-, Quer- und Bügelbewehrung erforderlich. Die Fertigdecken gibt es mit einer Breite bis 2,50 m, einer Deckenstärke bis 0,30 m und einer Spannweite bis zu 10 m . Bei einer vorgespannten Fertigdecke besteht die Bewehrung ausschließlich aus längs vorgespannten Drähten oder Litzen. Die Herstellung kann mit Hilfe von Extrudern oder Gleitfertigern auf langen Spannbahnen (Bahnenfertigung) erfolgen . Die Spannbetonhohlplatten haben eine maximale Breite von 1,20 m, eine Deckenstärke von 0,16 – 0,50 m und eine Spannweite bis zu 22 m .

Rippenplatte

Durch die Kombination von Platte und Unterzug entsteht eine so genannte TT-Doppelsteg-Platte, die in der Lage ist, wesentlich größere Spannweiten zu überbrücken und größere Lasten abzutragen als eine ebene Vollplatte . Sie wird mit schlaffer Bewehrung in langen Schalungen oder vorgespannt in einem Spannbett gefertigt .

Um im eingebauten Zustand eine ausreichende Übertragung von Schub- und Querkräften zu ermöglichen, wird eine Fugenverzahnung erzeugt, in dem die seitliche Schalung des Plattenrandes eine profilierte Oberfläche erhält. Des Weiteren lässt sich die gewünschte Platten- und Stegbreite mit Hilfe einer seitlich verstellbaren Seitenschalung einstellen . Um die Elemente nach dem Erhärten aus der starren Schalung zu heben, haben die Stege in der Regel einen nach unten verjüngten Querschnitt (1:20). Die Platten werden meistens mit einem 6 cm starken Plattenspiegel gefertigt, der als verlorene Schalung für die später aufgebrachte Ortbetonschicht dient. Die Ortbetonschicht wird ebenfalls bewehrt, um unter anderem eine Scheibenwirkung zu erzielen .

Die TT-Doppelstegplatten können mit einer Breite bis 3,00 m, einer Höhe bis 0,80 m und einer maximalen Spannweite bis 25 m hergestellt werden. Die Stege haben einen maximalen Achsabstand von 1,30 m. Um Bauhöhe zu sparen, können die Stege im Bereich des Auflagers etwas ausgeklinkt werden. Die sogenannte Spiegelauflagerung hat die Besonderheit, dass der Steg bis zur Unterkante der Platte ausgeklinkt wird. Dies ist nur sinnvoll, wenn auch nur sehr geringe Auflagerkräfte wirken . Es können auch einstegige T-Platten hergestellt werden. Diese finden ihre Anwendung als Auswechselplatte in Deckensystemen mit TT-Platten oder werden als stehende Wandelemente für Hochregallager eingesetzt .

Elementdecke

Bei der Elementdecke (Gitterträgerdecke) handelt es sich um eine ca. 5 cm starke Fertigteilplatte mit einer Breite bis 3 m . Diese Fertigteilplatte enthält bereits ihre statisch erforderliche untere Bewehrung und dient später als Schalung für den Ortbeton. Um die dünnen Fertigteilplatten gut handhaben zu können, werden sie mit biegesteifer Bewehrung in Form von Gitterträgern versehen. Im Montagezustand dient der freiliegende Obergurt der Gitterträger als Druckzone. Die beiden bereits einbetonierten Untergurte können der statisch erforderlichen Zugbewehrung angerechnet werden. Eine ausreichende Verbindung zwischen Fertigteil und Ortbeton wird durch die diagonalen Streben der Gitterträger und die raue Oberseite der Platte gewährleistet. So kann die Decke im Prinzip wie eine in einem Arbeitsgang hergestellte Ortbetonplatte bemessen werden. Um eine Durchlaufwirkung der Decke zu erreichen, kann auf der Baustelle einfach eine obere Bewehrung auf die Gitterträger montiert werden.

Mittels spezieller Gitterträger können Elementdecken mit 5 m Spannweite ohne Montageunterstützung verbaut werden. Die speziellen Gitterträger bestehen aus U-förmigen und knickstabilen Stahlblechprofilen anstelle von stabförmigen Obergurten. Diese Deckenart ist bei Bauwerken mit großen Geschosshöhen besonders wirtschaftlich, sofern der Mehrpreis für die speziellen Gitterträger geringer ist als die Kosten für eine Montageunterstützung .

In der Regel sind die Decken einachsig gespannt und schlaff bewehrt. Es lassen sich wirtschaftliche Stützweiten bis 7,50 m erreichen. Mit zweiachsig gespannten Decken können Stützweiten bis 10 m erreicht werden . Vorgespannte Elementdecken werden ebenfalls angeboten, mit denen noch größere Stützweiten realisiert werden können. Die Herstellung von Elementdecken (Halbfertigteil) bringt im Vergleich zur Anwendung von Vollfertigteil-Deckensystemen eine längere Bauzeit mit sich. Jedoch können aufgrund des geringen Gewichtes großflächigere Elemente verbaut werden, die weniger Fugen und kaum vertikale Versprünge mit sich bringen .

Vor- und Nachteile

Qualitätsverbesserung

Vorteilhaft bei der Werksfertigung ist, dass die Produktion nicht der Witterung ausgesetzt ist. Somit entstehen bessere Arbeitsbedingungen, die eine höhere Arbeitsleistung der Arbeiter*innen und auch eine bessere Qualität der Bauteile im Vergleich zur Ortbetonbauweise mit sich bringen. Bei der Herstellung von Fertigteilen sorgen unter anderem die eingesetzten Typen- und Stahlschalungen für eine exakte Maßhaltigkeit. Durch den werksseitig hergestellten Beton lässt sich eine sehr hohe Betonqualität erzielen. Des Weiteren lassen sich nur im Fertigteilwerk strukturierte und farblich gestaltete Bauteile nach architektonischen Vorgaben, wie es zum Beispiel bei Fassadenplatten der Fall ist, realisieren .

Herstellungskosten

Um die anfallenden Kosten bei der Herstellung von Fertigteilen zu senken, werden gut konstruierte und durchdachte Schalungen eingesetzt, die bei großen Serien mehrfach verwendet werden können. Die mögliche Mechanisierung und Automatisierung im Werk sorgt für eine wesentlich schnellere Fertigung der Bauteile. Durch den Einbau der Fertigteile werden die Kosten auf der Baustelle zusätzlich durch nur selten oder gar nicht benötigte Gerüste reduziert. Einen weiteren Vorteil bringen die dünn ausgeführten Bauteilquerschnitte mit sich. Anstatt einfacher Rechteckquerschnitte werden beispielsweise an die höhere Betonqualität angepasste T-Querschnitte verwendet. Diese erfüllen genauestens die statischen Erfordernisse und sorgen so für eine Material- und Gewichtsersparnis .

Ein großer Nachteil der Fertigteile ist der Transport und die damit verbundenen Kosten. Zunächst muss überhaupt eine Zufahrt zu der Baustelle vorhanden sein. Um die Transportkosten im Rahmen zu halten, lohnt sich der Einsatz von werksseitig hergestellten Bauteilen oft nur in einem gewissen Aktionsradius. Allerdings stellt dies nur noch begrenzt ein Problem dar, denn heutzutage sind leistungsfähige Fertigteilwerke überall dort flächendeckend anzutreffen, wo auch eine gewisse Nachfrage besteht .

Bauzeit

Durch das Errichten eines Bauwerkes mit Hilfe von Fertigteilen wird die Bauzeit drastisch verkürzt. Dies liegt daran, dass die benötigten Bauteile (z. B. Fundamente, Stützen, Binder) das ganze Jahr über produziert werden können. Allerdings wird bei der Werksfertigung eine gewisse Vorlaufzeit benötigt, um die Fertigteile zu produzieren. Die anschließende Montage kann innerhalb kürzester Zeit (auch im Winter) auf der Baustelle und ohne eine aufwendige Baustelleneinrichtung erfolgen. Dank der verkürzten Bauzeit lassen sich Finanzierungskosten einsparen. Des Weiteren profitieren beispielsweise Industriebauten von frühzeitigeren Nutzungserträgen. Bei einem Bauwerk, welches nicht aus einem Standardfertigteilsystem besteht, ist der Planungsaufwand jedoch oftmals sehr hoch .

Regeln und Normen

Um einen guten Überblick zu den aktuell gültigen Normen und Richtlinien zu erlangen, wird an dieser Stelle auf das Buch „Bauen mit Betonfertigteilen im Hochbau“ verwiesen . Dort sind nationale, europäische und internationale Normen aufgeführt. Informationen zu den Richtlinien des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb), Merkblätter der Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e.V. sowie des Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein e.V. sind ebenfalls enthalten. Die Anwendung dieser Normen und Richtlinien in Bezug auf die Bemessung und Konstruktion von Stahl- und Spannbetontragwerken ist im Eurocode 2 festgehalten .

Quellen

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