Eignung der Betonfertigteilbauweise für ­Erdbebengebiete

Die Fertigteilbauweise ist für Erdbebenregionen geeignet. In diesen Gebieten kommt es während des Entwurfs- und Bauprozesses unter anderem auf die richtige Planung der Verbindungstechnik an. Zwei große finnische Unternehmen, die Lösungen für die Bauindustrie anbieten, die Elematic Oy Ab und die Peikko-Gruppe, haben gemeinsam ein Forschungsprojekt zur Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten der Fertigteiltechnologie in Erdbebengebieten durchgeführt. Im Mittelpunkt der Betrachtung standen dabei die Technologie und die Durchführbarkeit. Für die praxisbezogene Forschung wurden zwei Gebiete in China mit unterschiedlich ausgeprägter seismischer Aktivität ausgewählt.

Vorteile des Bauens mit Betonfertigteilen

Die Fertigteilbauweise ist als kostengünstiges industrielles Verfahren für verschiedenste Hoch- und Tiefbauvorhaben geeignet. Zu den wichtigsten Vorteilen der Bauweise gehören eine bessere Steuerung und Überwachung des Fertigungsprozesses, eine schnellere Projektrealisierung, eine höhere Effektivität in der Produktion – sowohl im Hinblick auf die Mitarbeiterzahl als auch auf den Rohstoffeinsatz – sowie eine höhere Produktqualität.

Heute befinden sich die größten Märkte für die Baubranche vorwiegend in Regionen, in denen in Planung und Entwurf die seismische Aktivität zu berücksichtigen ist. Selbst in Europa vergrößert sich die Zahl von Gebieten mit erhöhten Anforderungen an die Erdbebensicherheit. Hier wurde die Fertigteilbauweise aufgrund fehlender Erfahrungen oder mangels geeigneter Entwurfsverfahren und Vorschriften bisher in geringerem Umfang eingesetzt. Dennoch wurden solche Verfahren erfolgreich in Ländern mit hoher Erdbebenaktivität eingesetzt, darunter in Neuseeland, Japan, Italien und den Vereinigten Staaten. Auch die Normen für die Erdbebenbemessung entwickeln sich rasch weiter.

Lösungen für den chinesischen Wohnungsbau

Elematic und Peikko initiierten gemeinsam ein Projekt zur Untersuchung von Lösungen für den Wohnungsbau in China. Dabei lag der Schwerpunkt auf dem architektonischen Entwurf und der Tragwerksplanung. Auf letzterem Gebiet betrafen die Haupttätigkeiten die Erdbebenbemessung und damit verbundene Tragwerkslösungen und Verbindungstechnik. Die Forschungsarbeit konzentrierte sich auf den chinesischen Markt und die dort geltenden Anforderungen, die Ergebnisse sind jedoch auch auf andere Regionen übertragbar. Das Projekt wurde von Tekes, der finnischen Fördereinrichtung für Technologie und Innovation, unterstützt.

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines industriellen Bausystems für mehrgeschossige Wohnbauten, die auch die Anforderungen an die Erdbebensicherheit erfüllen. Einen Großteil der Arbeit übernahm dabei das in der Fertigteilbranche führende Unternehmen Sweco Structures Finland. Fachleute für Erdbebensicherheit aus China und Neuseeland begutachteten die Ergebnisse.

Zunächst wurden für den architektonischen Entwurf und die Tragwerksplanung geltende Normen und Vorschriften sowie Marktanforderungen untersucht. Im Ergebnis entstand ein virtuelles Gebäude, das den in China geltenden allgemeinen Entwurfsgrundsätzen entsprach und dabei die Vorteile der modernen Fertigteiltechnologie der skandinavischen Länder nutzte. Das Gebäude berücksichtigt die Grundsätze der industriellen Fertigung und die damit verbundenen Kostenvorteile, ermöglicht jedoch auch eine moderne, auf die konkreten Bedürfnisse zugeschnittene Architektur. Die bauphysikalischen Parameter und die Wärmedämmung wurden gegenüber der bisherigen Praxis deutlich verbessert. Ziel der Untersuchung war die Ermittlung von Antworten auf folgende Fragen:

Ist das Bausystem gemäß lokalen Anforderungen unter Erdbebeneinwirkung sicher?

Wie können die Detailplanung und die Verbindungen realisiert werden?

Gibt es für solche Systeme bereits Referenzen?

Wie schnell schreitet der Bauprozess voran?

Wie hoch liegen die Kosten?

Wie sehen die Parameter für das nachhaltige Bauen aus?

Die städtebauliche Planung und der architektonische Entwurf wurden von dem in Finnland führenden Architekturbüro JKMM Oy erstellt. Hier lag der Schwerpunkt auf der effektiven Nutzung des Grundstücks, auf einem besonderen Erscheinungsbild des Gebäudes sowie auf der flexiblen Nutzung der Geschossfläche. Im Zuge der Entwurfserarbeitung erhielt das Team Rückmeldungen von chinesischen Fachleuten an der Tongji-Universität und weiteren Institutionen.

Städtebauliche Planung

Der städtebauliche Plan wurde für ein typisches Wohngebiet erarbeitet. Dieses ist in einen großen, zentral angeordneten Park integriert, der gute Möglichkeiten für die soziale Interaktion bietet (Abb. 1). In der chinesischen Städteplanung sind die Anordnungen von Gebäuden streng geregelt, und der Tageslichteinfall wird über darauf bezogene Entwurfsvorschriften gesteuert. Ein weiterer wichtiger Entwurfsfaktor ist auch die Effektivität der Grundstücksnutzung.

Architektonischer Entwurf

Der architektonische Entwurf (insbesondere die Planung der Geschosse) hielt sich streng an die chinesischen Vorschriften und die dortige Entwurfspraxis, integrierte jedoch auch einige Aspekte des skandinavischen Designs. Die Entwurfspraxis in China kennt strenge Festlegungen für die Ausrichtung und Anordnung von Räumen und Fenstern (Abb. 2). Andererseits wurde das Konzept großer Spannweiten übernommen, da damit gegenüber dem konventionellen Ansatz mit üblichen Spannweiten von 4-5 Metern innerhalb der einzelnen Wohnungen eine deutlich höhere Flexibilität des Entwurfs ermöglicht wurde.

Die Rahmengrundkonstruktion ist sehr einfach und klar strukturiert, bietet jedoch auch viele Möglichkeiten der Veränderung des Erscheinungsbildes des Gebäudes mit unterschiedlich gestalteten Balkonen, Oberflächenstrukturen, Farbgebungen und sonstigen Merkmalen (Abb. 3).

Tragwerksplanung

Die Tragwerksplanung und Erdbebenbemessung wurde für zwei seismische Klassen durchgeführt (geringe Seismizität mit maximaler Bodenbeschleunigung [PGA] von 0,05 g und mittlere Seismizität mit einer PGA von 0,20 g). Der Hauptentwurf beruhte auf chinesischen Normen und Vorschriften. Sofern keine solchen vorhanden waren, wurde der Entwurf auf Grundlage von Eurocodes erstellt. In der Tragwerksplanung wurden sowohl Berechnungen als auch 3-D-Gebäudemodelle eingesetzt, und sämtliche Details und Konstruktionszeichnungen der einzelnen Elemente wurden mithilfe dieser Modelle erarbeitet.

Das in der Studie erstellte Gebäude ist ein in China befindliches Bauwerk aus Stahlbeton-Fertigteilen mit 14 oberirdischen Geschosse (Abb. 4) und einer Gesamthöhe von rund 40 m. Die Tragkonstruktion besteht aus vorgefertigten, tragenden Wandscheiben, die in beiden Hauptrichtungen angeordnet sind. Das Deckensystem umfasst vorgefertigte Spannbeton-Halbelemente (Dielen) mit einer Stärke von 120 mm sowie in Ortbetonbauweise ergänzte, 100 mm starke Stahlbetondeckungen.

Die statischen Berechnungen wurden mithilfe der 3D-FEM-Methode durchgeführt (Abb. 5). Das seitliche Tragsystem des Gebäudes besteht aus vorgefertigten Beton-Wandscheiben, welche die Konstruktion in beiden Hauptrichtungen aussteifen. Die Decken bestehen aus vorgefertigten Halbelementen und in Ortbeton eingebrachten Betonplatten. Die Decke wurde so ausgelegt, dass sie als steife Membran zur Übertragung von Querkräften dient. Die seismische Einwirkung wird durch das elastische Antwortspektrum gemäß EN 1998-1 für bestimmte Bodenverhältnisse repräsentiert. In der nachfolgenden Inspektionsphase begutachteten Experten aus China und Neuseeland die seismischen Einwirkungen. Diese Verifizierung bestätigte die Ergebnisse der Berechnungen.

Die seismischen Einwirkungen wurden für zwei maximale Bodenbeschleunigungen (PGA = 0,05 g und PGA = 0,2 g) verglichen. Wie erwartet sind die Einwirkungen bei höheren PGA-Werten ebenfalls wesentlich stärker (Abb. 6).

Die Anforderungen an die Tragwerksplanung sind in erdbebengefährdeten Gebieten deutlich höher als in Gebieten ohne solche Gefährdungen. In der Fallstudie wurden sämtliche erforderlichen Phasen vollständig analysiert, darunter die konstruktive Regelmäßigkeit, das modale Antwortspektrum sowie Verformungen. Insgesamt wurden 29 unterschiedliche Lastfälle berechnet. Wichtigstes Ergebnis dieser Berechnungen ist die auf die Verbindungen einwirkende kritische Last (Abb. 7). In Erdbebengebieten ist die Ausbildung der Elementverbindungen der wichtigste Aspekt bei der Fertigteilplanung. Die Anschlüsse müssen sämtliche Lastannahmen erfüllen und dabei eine ausreichende Duktilität aufweisen, um alle Verformungen aufnehmen zu können.

In der Ausführung der Verbindungen vereint sich die chinesische Entwurfspraxis mit dem Erfahrungsschatz der skandinavischen Länder. In den chinesischen Normen sind Elementanschlüsse in relativ hohem Detaillierungsgrad geregelt. Dabei finden häufig die Grundsätze für die Ortbetonbauweise Anwendung, und die Verbindungen weisen eine relativ hohe Komplexität auf. Diese Entwurfsgrundsätze sind jedoch auch auf die Fertigteilbauweise übertragbar (Abb. 8). Mithilfe der Software Tekla Structures wurde ein Modell des gesamten Gebäudes erstellt (Abb. 9). Auch die Fertigungszeichnungen und Aufmaße wurden mit diesem Programm generiert.

Ressourceneffizientes Bauen

Das vorgeschlagene Bausystem erfüllt die strengen Anforderungen des Green Building Evaluation Standard (chinesischer Beurteilungsmaßstab für ökologische Gebäude). Das flexible und anpassungsfähige Gebäudekonzept kann in allen Klimazonen in China realisiert werden. Es ermöglicht eine Weiterentwicklung von einer einfachen Wohngebäudelösung für Kleinstädte zu einer High-Tech-Wohnumgebung in einer modernen Großstadt.

Das vorgeschlagene Fertigteil-Bausystem gewährleistet eine energieeffiziente Bauweise. Die Größenordnung der Energieeinsparungen kann je nach Entwurfspräferenzen und konkretem Bauvorhaben zwischen 50 und 80 % des durchschnittlichen Verbrauchs von Wohngebäuden im Jahr 1980 liegen. Eine wirksame Wärmedämmung kann auf einfache Weise in den Entwurf integriert werden und ist im Werk problemlos einzubauen.

Wirtschaftlichkeit von Bausystemen

Die Wirtschaftlichkeit eines Bausystems ist für die gesamte Nutzungsdauer des Gebäudes zu berechnen. Daher stellt der Energieverbrauch einen der Hauptfaktoren dar. Der zweite wichtige Aspekt ist die Anpassbarkeit des Systems in der Nutzungsphase. Hier sind die weiten Spannweiten mit einer auf ein Mindestmaß beschränkten Anzahl tragender Massivwände von entscheidender Bedeutung. Der Innenbereich der Wohnung lässt sich bei wechselnden Nutzeranforderungen auf einfache Weise verändern.

Die Wirtschaftlichkeit des Bausystems beruht auf einem effektiven Fertigungsprozess sowohl im Werk als auch auf der Baustelle. Im Vergleich zur herkömmlichen Verfahrensweise kann die Gesamtbauzeit erheblich verkürzt werden. Zudem müssen auf der Baustelle weniger Arbeitskräfte eingesetzt werden. Darüber hinaus ist eine hohe Produktqualität unter Werksbedingungen einfacher zu gewährleisten, und die sichtbaren Produktoberflächen erfordern weniger Nacharbeit. Ein weiterer Wirtschaftlichkeitsfaktor bezieht sich auf den effektiven Einsatz von Rohstoffen. Im vorliegenden Fall liegt der Gesamtstahlverbrauch um 30 % niedriger als bei der konventionellen Ortbetonbauweise, wobei gleichzeitig 20 % weniger Beton eingesetzt wird. Dieses Ergebnis wird durch weite Spannweiten und Deckenbauteile aus Spannbeton erreicht, wodurch sich auch die Zahl der tragenden Zwischenwände reduziert.

Vom virtuellen Projekt zur Praxis

Elematic und Peikko haben gemeinsam weiter daran gearbeitet, die Fertigteilbauweise in erdbebengefährdeten Gebieten zu etablieren. Vielfach besteht das größte zu überwindende Hindernis in der althergebrachten Bautradition und entsprechenden Entwurfspraxis. Sehr häufig sind die für die Fertigteilbauweise sprechenden Hauptargumente (weite Spannweiten, sicheres und schnelles Arbeiten auf der Baustelle) nur relativ schwer vermittelbar. Am besten überzeugt man den Markt durch die Realisierung konkreter Projekte. Elematic war dabei in Indien erfolgreich, dessen Erdbebenverhältnisse denen in China sehr ähnlich sind (Abb. 10).

Als Anbieter von Stahlverbindungen für Betonbauwerke hat die Peikko-Gruppe ihre Bearbeitung der Themen der vorliegenden Studie fortgeführt. Über die von dem Unternehmen weltweit durchgeführten Produktprüfungen hinaus wurden Peikko-Verbindungselemente für Betonfertigteile von chinesischen Fachleuten und Universitäten vor Ort gemäß geltenden Vorgaben getestet (Abb. 11).

Zusammenfassung

Die Fertigteilbauweise findet auch in erdbebengefährdeten Gebieten zunehmende Verbreitung. Die positiven Erfahrungen und die sich weiter entwickelnden Entwurfsnormen in Ländern wie Neuseeland, Italien, Japan und den USA führen zu einem wachsenden Vertrauen in die Bauweise. In diesen Ländern wurden auch Forschungsvorhaben von erheblicher Größenordnung abgeschlossen. Offenkundig ist, dass für den Entwurf von Gebäuden aus Betonfertigteilen in Erdbebenregionen höhere Anforderungen gelten als in Gebieten ohne Erdbebenaktivität. Jedoch wurden auch die maßgeblichen Berechnungstools deutlich verbessert, sodass sich Einwirkungen und Verformungen nunmehr schneller und einfacher berechnen lassen.

Die von Elematic und Peikko durchgeführte Untersuchung belegt, dass der Einsatz der Fertigteiltechnologie für Wohngebäude in Erdbebengebieten möglich ist. Dabei können erhebliche Einsparungen beim Stahl- und Betonverbrauch sowie eine deutliche Verkürzung der Gesamtbauzeit erreicht werden. So kann ein bedeutender Teil der Aktivitäten auf die industrielle Fertigung verlagert werden, wodurch sich die Sicherheit und Effizienz des gesamten Bauprozesses erhöht.

In erdbebengefährdeten Gebieten kommt es jedoch vor allem auf die Ausbildung der Elementverbindungen an. Alle Anschlüsse müssen über eine ausreichende Tragfähigkeit und Duktilität verfügen, um während der gesamten Nutzungsdauer des Gebäudes verschiedensten Anforderungen genügen zu können. Mit einem entsprechend angepassten Entwurf lassen sich die Anforderungen aus der Erdbebenbemessung erfüllen.