Elementdecken - Tragverhalten und Bemessung

Allgemeines

Um das Tragverhalten von Elementdecken zu erläutern, bietet sich ein Vergleich zu monolithisch hergestellten Ortbetondecken an. Bekanntermaßen werden monolithisch hergestellte Ortbetondecken in der Regel für ständige und/oder vorübergehende Situationen bemessen. Diese werden jedoch erst nach dem Erhärten des Betons und der Entwicklung der vorgesehenen Tragfähigkeit berücksichtigt. Nach dem Einschalen, Bewehren, Betonieren und Aushärten des Betons erhält die Decke ihre vorgesehene Tragfähigkeit. Bis zum Erhärten des Betons werden die Eigenlast des Stahlbetons und die Lasten aus Personal und Gerät von Flächenschalungen aufgenommen und in Schalungsstützen abgeleitet. Einer der wesentlichen Vorteile von Elementdecken ist der Entfall einer solchen Flächenschalung. Außerdem ist die Herstellung mit größeren Unterstützungsabständen bis hin zur Unterstützungsfreiheit möglich. Die Eigenlast des Stahlbetons inklusive der Fertigteileigenlast und der Lasten aus Personal und Gerät werden durch die Fertigteilplatten, welche mit Gitterträgern und Zulagen bewehrt sind, aufgenommen und in die Deckenauflager oder über Unterstützungsjoche in Montagestützen abgeleitet. Bis zum Erhärten des Ortbetons und dem damit einhergehenden Wirksamwerden der Verbundtragwirkung der Decke, müssen also allein die einzelnen Fertigteilelemente sämtliche Lasten aufnehmen können, ohne zu versagen. Davon abgesehen müssen die Fertigteilelemente natürlich auch tragfähig gegenüber Beanspruchungen sein, welche beim LKW-Transport und beim Verlegen mittels Kran einwirken. Der Zustand, in dem allein die Fertigteilelemente alle einwirkenden Lasten aufnehmen können müssen, wird als Montagezustand bezeichnet. Mit zunehmender Erhärtung des Betons gehen die Elementdecken in den Endzustand über. Mit dem Aushärten des Ortbetons und dem Wirksamwerden der Verbundtragfähigkeit trägt die Elementdecke zunehmend als Verbundbauteil.

Montagezustand

Einwirkungen

Im Montagezustand müssen allein die in den Fertigteilelementen verbauten Gitterträger und Zulagen zusammen mit dem Beton sämtliche Lasten aufnehmen, die bis zum Wirksamwerden der Verbundwirkung mit der Ortbetonergänzung auf sie einwirken. Angaben zur Größe der anzunehmenden Belastung sind unter Anderem in den Zulassungen/Bauartgenehmigungen der Gitterträger enthalten.
Dieses sind für den Bauzustand während der Ortbetonierung:

• die Eigenlast der Rohdecke (25 kN/m³)
• eine Flächenlast von 1,5 kN/m² (Nutzlast beim Betonieren)
• falls ungünstiger als die Verkehrsflächenlast eine Einzellast von 1,5 kN (Nutzlast beim Betonieren)

Für diese Einwirkungen sind die Halbfertigteile im Montagezustand zu bemessen. Zusätzliche Regelungen für die Verteilung der anzusetzenden Einzellast (Nutzlast beim Betonieren) sind in den Bauartgenehmigungen erhalten.
Nach den Bauartgenehmigungen ist bei der Betonierung darauf zu achten, dass die Halbfertigteile nur mit Karren mit maximal 150 Liter Inhalt auf Lastverteilungsbohlen befahren werden dürfen. entnommen.

Verlegeplan

Für jede Elementdecke ist ein Verlegeplan zu erstellen. Dieser ermöglicht eine störungsfreie und planungskonforme Verlegung der Halbfertigteile auf der Baustelle und sollte unter Anderem folgende Informationen enthalten:

• die Positionsnummern und Lage der Halbfertigteile im Grundriss
• ggf. die Verlegereihenfolge der Positionen
• die Maße und Einzelgewichte der Positionen (u.A. auch für die Auswahl einer geeigneten Kranausstattung)
• die Anordnung der Montageunterstützungen
• die Anordnung der Zulagebewehrung auf den Platten

Lagerung und Verladen der Halbfertigteile

• sofern es aus ladungssicherungstechnischer Sicht vertretbar ist, sollte bei der Verladung bereits die spätere Verlegereihenfolge berücksichtigt werden, um eine Verlegung der Halbfertigteile direkt vom LKW aus zu ermöglichen
• Platten mit geringerem Gewicht (Passplatten) im Stapel oben anordnen
• maximale Stapelhöhe 1,5 m
• insbesondere falls eine Zwischenlagerung der Halbfertigteile auf der Baustelle erforderlich ist, muss die Lagerfläche eben und tragfähig sein
• die Halbfertigteile sind auf Lagerhözern (unten) bzw. Lagerleisten (zwischen den Halbfertigteilen) folgendermaßen aufzulagern:

- nur saubere Lagerhölzer und -leisten verwenden (Gewähr einer sauberen und unbeschädigten Plattenunterseite)

- Lagerhölzer und -leisten immer rechtwinklig zu den Gitterträgern und unter bzw. über Knotenpunkten

- Länge der Lagerhölzer bzw. -leisten gleich der Elementbreite

- Abstände zu Plattenrändern maximal 1/5 der Plattenlänge

- bei Plattenlängen größer 4,50 m mindestens 3 Lagerhölzer bzw. -leisten (Abstand untereinander max. 2 m)

- auch zwischen den Halbfertigteilen sollten zum Schutz der Plattenunterseite Lagerhölzer bzw. -leisten angeordnet werden

- Lagerhölzer und -leisten im Stapel möglichst in einer vertikalen Achse anordnen

Verlegung der Halbfertigteile

• vor Verlegung sind die erforderlichen Montageunterstützungen entsprechend Verlegeplan aufzustellen
• Verlegung immer an Zwangspunkten wie Treppenöffnungen, Unterzügen oder Fahrstuhlschächten beginnen
• Verlegung der Halbfertigteile nur mit Ausgleichsgehängen (gleichmäßige Belastung der Haken)
• bei Halbfertigteilen mit mehr als 5 m Länge und/oder mehr als 2,5 m Breite sind 8 Stranggehänge mit Lastausgleichsvorrichtung zu verwenden
• Anschlagpunkte bei ca. 1/5 der Plattenlänge nur in Gitterträgerknotenpunkten
• Gehängehaken niemals nur in Obergurt oder Diagonalen einhängen (Haken muss die Diagonalen und den Obergurt umschließen)
• Winkel zwischen Kettengehänge und Plattenoberfläche ca. 60°
• demzufolge sind bei größeren Elementlängen Traversen einzusetzen

Bemessung

Statische Systeme im Montagezustand

Die Bemessung für den Montagezustand erfolgt durch Begrenzung der Stützweite und erfolgt an einem gedachten Einfeldsystem. Dazu enthalten die Zulassungen die maximal zulässigen Momente und Querkräfte der Gitterträger in Abhängigkeit von der Gitterträgerhöhe und der Stabkombination. Zusätzlich enthalten die Tabellen der Zulassungen die mindestens erforderlichen Zulagequerschnitte je Gitterträger um das Tragverhalten im Montagezustand sicherzustellen. Die Bemessung für den Montagezustand nach den Zulassungen erfolgt unter einem Sicherheitsbeiwert für Lasten von γ_F = 1,0, da die angegebenen zulässigen Schnittkräfte bereits mit einem globalen Sicherheitsbeiwert von γ=1,75 ermittelt wurden.
Als Einwirkungen sind die im obigen Abschnitt beschriebenen Lasten für die Eigenlast und die Nutzlasten anzusetzen. In Bemessungshilfen sind Bestimmungsgleichungen enthalten, mit denen die zulässigen Montagestützweiten ermittelt werden können. Die geringste sich ergebende zulässige Stützweite ist maßgebend.

Stützweite bei Erreichen des zulässigen Moment unter der Verkehrsflächenlast:

$zul\,\,l_{M}={\sqrt {\frac {8*zul\,M}{\left(g+p\right)*s_{G}}}}$

Stützweite bei Erreichen der zulässigen Querkraft unter der Verkehrsflächenlast:

$zul\,\,l_{M}={\sqrt {\frac {2*zul\,V}{\left(g+p\right)*s_{G}}}}$

Stützweite bei Erreichen des zulässigen Momentes unter der Einzellast in Feldmitte:

$zul\,\,l_{M}={\sqrt {{\frac {8*zul\,M}{g*s_{G}}}-{\frac {4*F}{g}}}}$

Stützweite bei Erreichen der zulässigen Querkraft unter der Einzellast F=1,5kN am Auflager:

$zul\,\,l_{M}={\frac {2*\left(zul\,V-F\right)}{g*s_{G}}}$

mit:

$zul\,\,l_{M}$ ... zulässige Montagestützweite [m]

$zul\,\,M$ ... zulässiges Moment aus Zulassung [kNm]

$zul\,\,V$ ... zulässige Querkraft aus Zulassung [kN]

$g$ ... Eigenlast der Decke (Fertigteil + Ortbeton) [kN/m²]

$p$ ... Flächenlast (Nutzlast) [kN/m²]

$F$ ... Einzelast (Nutzlast) [kN]

$s_{G}$ ... Gitterträgerabstand [m]

Einfacher als die händische Berechnung gestaltet sich die Anwendung der tabellierten Montagestützweiten, die ebenfalls in Bemessungshilfen enthalten sind. In diesen werden auch Informationen zu Montagestützweiten gegeben, wenn bei Obergurtdurchmessern bis 10 mm keine günstige Durchlaufwirkung zu erwarten ist. Dies kann der Fall sein, wenn bei geringen Spannweiten keine Zwischenunterstützungen angeordnet werden und die Auflagerung der Elemente ausschließlich an den Endauflagern erfolgt. Eine vollständige Ausreizung der zulässigen Momente ist prinzipiell auch in diesem Fall möglich, geht aber mit großen Durchbiegungen einher. Für solche Fälle enthalten die Bemessungshilfen reduzierte Montagestützweiten bei geringen Trägerhöhen. Für Gitterträger mit Obergurtdurchmesser ab 12 mm ist eine Begrenzung der Durchbiegung auf 10 mm nachzuweisen. Die Montagestützweiten für solche Gitterträger unter Einhaltung des Durchbiegungskriteriums sind sowohl in den Zulassungen, als auch in Bemessungshilfen enthalten. Alternativ zur manuellen Ermittlung der Montagestützweiten bieten einige Gitterträger- oder Softwarehersteller auch EDV-gestützte Programme für die Ermittlung an (z.B. Filigran FiMo).

Endzustand

Tragverhalten

Mit zunehmender Erhärtung des Ortbetons entwickelt sich das Tragverhalten im Endzustand. Dieses entspricht unter bestimmten Bedingungen grundsätzlich dem von monolithisch hergestellten Decken. Folgende Besonderheiten sind in Bezug auf das Tragverhalten von Elementdecken im Vergleich zu Ortbetondecken zu berücksichtigen:

• Zwischen Fertigteil und Ortbeton befindet sich eine Verbundfuge, deren Beschaffenheit maßgebend für die Tragfähigkeit der Decke ist
• Die höhenmäßig unterschiedlichen Bewehrungslagen in Längs- und Querrichtung sowie an Stoßzulagen führen zu unterschiedlichen statischen Nutzhöhen
• Die höhenmäßig unterschiedlichen Bewehrungslagen führen zu unterschiedlichen Biegesteifigkeiten in Längs- und Querrichtung. Dieses widerspricht prinzipiell der Annahme einer isotropen Plattensteifigkeit.
• Im Drillbereich von zweiachsig gespannten Platten angeordnete Elementstöße führen zu einer geminderten Drillsteifigkeit.
• Im Bereich von Elementstößen ist der Querschnitt um die Dicke des Fertigteilelementes geschwächt. Dieses führt zu verringerten Biegesteifigkeiten und dadurch zu größeren Durchbiegungen.

Zur Untersuchung dieser Besonderheiten wurden zahlreiche Belastungsversuche an Elementdecken durchgeführt. Bei Einhaltung der daraus abgeleiteten Anwendungsregeln und Grenzwerte darf ein Tragverhalten angenommen werden, welches mit monolithisch hergestellten Ortbetondecken vergleichbar ist. Auf diese Anwendungsregeln wird auf der Seite Elementdecken - Anwendungsregeln eingegangen.

Quellen

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