Integrierte und nachhaltigkeitsorientierte Deckensysteme im Stahl- und Verbundbau Integrated and sustainable Floor Slab Systems in Steel and Composite Structures

Abstract

Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde ein integriertes Deckensystem entwickelt, das eine flexible Gebäudenutzung über den gesamten Lebenszyklus ermöglicht. Die Aufgabenstellung wurde entsprechend der Praxisanforderungen durch ein Projektteam mit sich ergänzenden Forschungsbereichen bearbeitet. Im Forschungsbereich Tragwerksplanung wurde das Trag- und Verformungsverhalten der filigranen, vorgespannten Verbunddeckenträger mit Stegöffnungen und Verbund- dübelleiste untersucht. Hierzu wurden experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt. Eine besondere Untersuchungsproblematik stellte der gestörte Querkraft- abtrag im Bereich der großen Stegöffnungen dar. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen wurde ein Ingenieurmodell zur Bestimmung der Querkrafttragfähigkeit des Deckensystems mit Stegöffnungen hergeleitet. Zusätzlich wurden baudynamische Untersuchungen am Deckenelement durchgeführt, um die Auswirkungen personen- induzierter Schwingungen zu bewerten. Der Forschungsbereich Brandschutz umfasste Untersuchungen zum Trag- und Verfor- mungsverhalten des Deckensystems im Brandfall. Zwei unterschiedliche Brand- szenarien wurden in experimentellen und numerischen Untersuchungen betrachtet: Ein Brand unterhalb des Deckensystems sowie ein Kabelbrand im Deckenzwischenraum. Um die Anzahl der potentiellen Versagensmechanismen in den experimentellen Unter- suchungen zu reduzieren, wurde das Deckensystem mit einer Verbunddübelleiste, jedoch ohne große Stegöffnungen konzipiert. Hierbei wurde im Besonderen der Einfluss der thermischen Dehnungen auf die Vorspannkräfte und das Verformungsverhalten untersucht. Begleitend wurden die beobachteten Effekte auf numerischer Ebene in Parameterstudien untersucht. Zur Optimierung der thermischen Eigenschaften des Deckensystems (insbesondere im Kühlfall) wurden im Forschungsbereich Bauphysik zwei technische Prinzipien verfolgt: Einerseits die passive Kühlung, bei der die natürlichen Temperaturschwankungen zwi- schen Tag und Nacht genutzt werden, um die sommerlichen Raumtemperaturen inner- halb des angestrebten Bereichs zu halten. Andererseits stellt die Bauteilaktivierung eine weitere Möglichkeit zur Optimierung des Raumklimas dar, bei der in das Deckensystem Rohrleitungen integriert werden, um so über einen Wasserkreislauf gezielt Wärme abführen zu können. Anhand typischer räumlicher Anordnungen im Büro- und Verwaltungsbau wurden im Forschungsbereich Gebäudetechnik drei unterschiedliche Lastfälle identifiziert. Zur Er- mittlung der notwendigen Trägeröffnungen des entwickelten Deckensystems wurde ein Lüftungskonzept entwickelt und eine Kanalauslegung für die Varianten vorgeschlagen. Abschließend wurde eine Nachhaltigkeitsbewertung des entwickelten Deckensystems durchgeführt. Anhand des DGNB-Kriterienkatalogs wurden für Stahl-Verbunddecken relevante Kriterien ausgewählt und eine Bewertung des Deckensystems hinsichtlich seiner ökologischen, ökonomischen sowie soziokulturellen und funktionelle Qualität durchgeführt. Auf den Betrachtungsebenen „Bauteil“, „Tragstruktur“ sowie „Gesamtge- bäude“ und unter Berücksichtigung konkreter Nutzungsszenarien wurden die möglichen Einflussfaktoren der Stahl-Verbundbauweise auf die Ökobilanz eines Gebäudes identifi- ziert und Optimierungsmöglichkeiten herausgearbeitet. Die Forschungsergebnisse führen in Summe zu einem nachhaltigen Stahl-Verbund- deckensystem, das die aus Gebäudetechnik- und Nachhaltigkeitsaspekten resultieren- den Anforderungen integral und ganzheitlich berücksichtigt und im Stahlhochbau einge- setzt werden kann. Mit Spannweiten von bis zu 16 m, Nutzlasten bis 5 kN/m² und einem exzellenten Schwingungsverhalten, ermöglicht das nachhaltige Stahl-Verbund- deckensystem den vollständigen Verzicht auf tragende Innenwände und Innenstützen, so dass variable Grundrissanordnungen, eine hohe Anpassungsfähigkeit an dynamische Nutzerprofile und eine dauerhaft flexible Gebäudenutzung mit Wohn-, Büro- und Mischnutzung in zeitlich beliebiger Reihenfolge erzielt werd

In the present research project an integrated floor system was developed, which allows a flexible use of buildings over their entire life cycle. The research issues have been de- duced from practical requirements and were performed by an interdisciplinary project team with complementary areas of research. In the research area “structural engineering” the load carrying and deformation behav- iour of filigree, pre-stressed composite floor beams with web openings and composite dowels was investigated. Here, experimental and numerical investigations were carried out. An important research issue was to clarify the shear load transfer in the region of the web openings. Based on the experimental and numerical results an engineering model was derived allowing to predict the ultimate shear load of the composite beam with web opening. In addition, structural dynamic tests were performed on the composite beams in order to investigate the impact of human induced vibrations. The research includes studies on the load carrying and deformation behaviour of the floor slab system in case of fire. Two different fire scenarios were considered in experi- mental and numerical studies: A fire below the floor slab system and a cable fire in the internal installation floor. To reduce the number of potential failure mechanisms in the experimental studies, a floor slab system without web openings was tested. Here, espe- cially the interaction between thermal strains and pre-stressing forces as well as the de- formation behaviour were studied. Accompanying the observed effects were investigat- ed on numerical level in parametric studies. To optimize the thermal properties of the floor slab system (in particular with regard to cooling) two technical principles were pursued, representing integral solutions. On the one hand the passive cooling, in which the natural fluctuations in temperature between day and night are used to keep the room within the desired range. On the other hand, the thermal activation of components is another way to optimize the indoor climate, where embedded cooling pipes in the integrated floor slab dissipate the thermal energy. Using typical floor layouts in office and administrative buildings, three different cooling scenarios were identified. Within the research area “building services” a ventilation con- cept was developed and proposed in order to determine the necessary support openings within the installation floor of the slab system. The building service’s traces and supply channels were designed for the relevant cooling scenarios of the administrative building. Finally, a sustainability assessment of the developed floor slab system was performed. Based on the DGNB criteria catalogue relevant criteria were selected for steel composite slabs. Then, the floor slab systems was analysed and assessed with regard to its envi- ronmental, economic, socio-cultural and functional quality. In different viewing levels (component, supporting structure, total building) and taking into account specific usage scenarios the possible impacts onto the ecological performance of steel composite con- structions were identified and optimizations were proposed. The research results add up to a sustainable steel composite floor system, considering requirements from the fields of building services and sustainability, which can be used in all steel buildings. With spans of up to 16 m, a bearable service load of 5 kN/m² and excellent vibration behaviour, the sustainable composite floor system allows for com- plete elimination of intermediate supports (interior walls and internal columns). In conse- quence, the floor slab system offers variable floor layouts, a high flexibility to dynamic user profiles and a permanent adaptivity of building use with residential, office and mixed-use in any chronological order