Massive Brandwand aus Fertigteilen für Cape Fruit Händler

Zwischen zwei sogenannten CA-Lagern mit kontrollierter Atmosphäre im Auslieferungslager für Äpfel und Birnen des Fruchthändlers Two-A-Day (TAD) in Grabouw, Provinz Westkap, wurde eine massive Brandwand errichtet. Für die 135 m lange Wand mit einer maximalen Höhe von 12,9 m kamen mechanisch verankerte Betonfertigteilstützen und -Platten zum Einsatz, die von Cape Concrete Works, einem Mitgliedsunternehmen im Verband der südafrikanischen Betonhersteller (CMA - Concrete Manufacturers Association), produziert wurden. Auf dem afrikanischen Kontinent zählt TAD mit mehr als 50 landwirtschaftlichen Betrieben zu den führenden Unternehmen für Anbau, Verpackung und Vermarktung von Früchten.

Diese Wand entstand auf Empfehlung der Swiss Re Corporate Solutions Africa Ltd., der Versicherung von TAD, die die zwei CA-Lagereinheiten aufgrund ihrer unmittelbaren Nähe als einen Lagerraum einstufte. Somit ergab sich aus dieser Bewertung ein hohes Versicherungsrisiko, das mit dem Bau der Wand vermindert werden konnte. Den Entwurf für die Wand mit einer Feuerwiderstandsdauer von vier Stunden lieferte Bauingenieur Herman Smith vom Ingenieurbüro Merlicon; der Aufbau folgte durch Cape Concrete in Zusammenarbeit mit Teemane Cranes und mittels Schraubverbindungen von Peikko. Erdarbeiten und Betonieren des Fundaments für die Stützen und Wandplatten wurden vom Generalunternehmer François Marais Construction ausgeführt.

„Der Entwurf basierte auf 125 Seiten umfassenden Konstruktionshinweisen der FM Global, die von Swiss Re vorgelegt wurden und als Industriestandard zur Eingrenzung des größtmöglichen Schadens gelten, und musste sowohl den internationalen Anforderungen an Brandmauern als auch den lokalen SANS-Vorschriften entsprechen. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass, wenn eines der Gebäude in Brand geriet, das andere vier Stunden lang geschützt wäre“, so Smith. „Daher musste die Wand robust genug sein, um Stoßbelastungen durch herabfallende Trümmerteile im Brandfall standzuhalten. Zudem war bei dem Entwurf zu berücksichtigen, dass, wenn eines der Gebäude durch ein Feuer zerstört und nicht wieder aufgebaut würde, die Mauer eine ausreichende Festigkeit aufweisen müsste, um einer vollen frontalen Windlast standzuhalten.“

Äußerst robust, um Windkräften standzuhalten

„Zudem muss die Konstruktion bei einer Höhe von fast 13 m äußerst robust sein, um den Windkräften standzuhalten, die hier enorm sein können. Wäre Wind der einzige Konstruktionsfaktor bei TAD gewesen, dann wären die Stützen aus hochfestem Schwerbeton gegossen worden. Aber je höher die Dichte einer Betonmischung ist, um so größer ist die Gefahr möglicher Abplatzungen unter Einwirkung extremer Hitze. Dies liegt daran, dass Beton mit einer hohen Dichte eine geringe Durchlässigkeit aufweist und dadurch eine freie Wasserverdunstung hemmt. Daher fiel die Wahl für Stützen und Platten auf einen Beton mit relativ geringer Festigkeit von 30 MPa, was sich auf die Bemessung der Stützen und die Anforderungen an die Bewehrung auswirkte.“

Die Stützen sind 600 mm breit und 1,2 m tief und variieren in der Höhe zwischen 10,5 m und 12,9 m. Haupteinflussfaktoren bezüglich der Konstruktion waren Feuer und Wind, sodass die Stützen zum einen mit ausreichender Zugfestigkeit ausgelegt wurden, um der frontalen Windlast zu widerstehen und zum anderen mit ausreichender Betondeckung für den Brandschutz.
„Wenn sich eine Stütze biegt, dann wird die Windseite gespannt und die Leeseite zusammengedrückt. Die Bewehrung wirkt der Zugkraft entgegen, die in Kombination mit dem innenliegenden Hebelarm wirkt. Wird, wie bei diesem Projekt, die Betondeckung über der Bewehrung erhöht, dann reduziert sich die Bemessung des Hebelarms. Um der verringerten Hebelarmwirkung entgegen zu wirken, mussten Bewehrungsstäbe mit einer größeren Querschnittsfläche verwendet werden, um damit die erforderliche Zugfestigkeit zu erzielen, um dem Stützenmomenten standzuhalten. Daher wurde eine Betondeckung von 65 mm mit einer Opferschicht aus Stahlmatten direkt unter der Stützenseite festgelegt, um damit Ausbrüchen weiter entgegenzuwirken“, so Smith.

Die Hauptwandabschnitte bestehen aus Betontafeln, die versetzt eingebaut wurden, da dies das System versteift und zudem eine der effizientesten Konstruktionsweisen für eine übliche Außenwand ist. Wären die Wandtafeln in gerader Linie angeordnet, dann hätte dies bedeutet, dass sich die Montagenuten in den Stützen gegenüberliegen würden, was zur einer Schwächung der Stützen geführt hätte.

Ein 120-Tonnen-Kran im Einsatz

Die Bereiche, auf die die größte Windkraft wirken wird, befinden sich an den Wandenden, während die geringsten Windkräfte in der Wandmitte auftreten. Darüber hinaus können winderzeugte Verwirbelungskräfte rund um die Wandenden entstehen und diese so vom Fundament reißen. Um diesem Szenario entgegenzuwirken, mussten die Wandenden verstärkt werden.

Die Hälfte des Raumes, auf dem die Wand errichtet wurde, beschränkte sich auf einen schmalen 5 m breiten Streifen zwischen dem einen Gebäude und der Überdachung des anderen. Anstatt also die Abmessungen der Stützen zu vergrößern, wurde deren Anzahl an den Wandenden erhöht, indem der Mittenabstand der Stützen reduziert wurde. Darüber hinaus wurden drei Stützenfundamente zu einem zusammengefasst und damit zusätzliche Masse geschafft, um ein Umkippen zu verhindern. Dadurch verringerte sich die Plattenbreite zwischen diesen Endstützen von 6 m auf 3,54 m. Und so wurden die Randfundamente mit Abmessungen von 11 m Breite x 4 m Länge x 700 mm Tiefe ausgelegt im Gegensatz zu den anderen Fundamenten mit Maßen von 4 m x 3 m x 700 mm.

„Sämtliche Platten hatten eine Stärke von 180 mm und wir haben die Anzahl der Plattengrößen auf 14 beschränkt, da weniger Schalungen gleichzeitig Kosteneinsparungen und schnelleren Einbau bedeuteten. Letzteres war ein entscheidender Faktor, da die Fertigstellung der Wand vor Ende des Jahres 2022 erfolgen musste, um damit den Anforderungen der Versicherung entsprechen zu können. Die meisten Platten waren 6 m breit x 2,4 m hoch und wogen fast sieben Tonnen. Ursprünglich sollten sie nur 1,2 m hoch werden, aber wir entschieden uns, dieses Maß zu verdoppeln, da wir für den Einbau der Stützen, die jeweils 24 Tonnen wogen, einen 120-Tonnen-Kran nutzten und da selbst die größte Platte nur 6,5 Tonnen wog, konnten wir eine Plattenhöhe von 2,4 m realisieren. Einige der Platten wurden mit individuellen Höhen ausgelegt, um damit den unterschiedlichen Stützenhöhen zu entsprechen, und letztendlich konnten wir die Anzahl der Platten von 242 auf 132 verringern.“

Die Brandschutzanforderungen für die Platten waren nicht so streng wie für die Stützen, da nur eine Seite jeder Platte dem Feuer ausgesetzt sein konnte, im Gegensatz zu drei Seiten bei den Stützen. Die Anzahl vertikaler Bewehrungsstäbe in den Platten entsprach einem Prozent des Betonquerschnitts. Dies war die für die Platten erforderliche Menge, um als tragende Wand mit einem Feuerwiderstand von vier Stunden gemäß SANS 10100-1 klassifiziert zu werden und nicht als unbewehrte Betonwand galt.

Ankerbolzen von Peikko Gulf

Die Platten wurden in 200 mm breite Kerben der Stützen eingeschoben und mit einer Nut- und Federverbindung aneinander befestigt. Alle unteren Platten wurden unterfüttert, um damit einen bündigen Abschluss sicherzustellen. Als Hinterfütterung wurden die vertikalen und horizontalen Fugen mit geschlossenporigem Polyethylenschaum von geringer Dichte versehen und mit feuerfester Abdichtung der Firma Den Braven abgedichtet.

Die Stützen wurden mit Schraubverbindungen der Firma Peikko an den Fundamenten verankert, was einen schnellen und sicheren Einbau ermöglichte. Bei der Bemessung der Anschlüsse war Peikko sehr engagiert und nutzte für die Berechnung der Verbindungsanforderungen die hauseigene Bemessungssoftware für Schraubverbindungen. Die Peikko-Ankerbolzen und Stützenschuhe wurden von Peikko Gulf im Nahen Osten beschafft, einer der 12 weltweiten Werke von Peikko.

Cape Concrete hat zwei Stützen pro Tag gegossen und dabei Dampfhärtung für eine frühe Festigkeit eingesetzt. Die Stützenschuhe wurden in die Stützen eingegossen, wozu Einbauschablonen für die Ankerbolzen anhand der von Peikko gelieferten Zeichnungen angefertigt wurden.

Die Schablonen wurden von einem Vermesser mittels Laserlinien an den Fundamenten ausgerichtet. Der Montage der Stützen erfolgte durch absenken auf die Nivelliermuttern an den Ankerbolzen. Die Nivelliermuttern dienten zur vertikalen Ausrichtung der Stützen, die anschließend mit Anzugsmuttern an den Ankerbolzen befestigt wurden, um so eine dauerhafte Verbindung zwischen Stützen und Fundamenten herzustellen. Nach Abschluss der Montage wurden die Fundamente der Stützen verpresst, um damit eine vollständige Verbindung zu gewährleisten und die Stahlbauteile vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Winston Visser, Projektingenieur von Peikko, erklärte dazu, dass die Anzahl der Bolzenverbindungen an jeder Stütze von dem auf jede Stütze wirkenen Momentkräften abhinge. „Da Windkräfte zur Mitte der Wand hin abnehmen, nimmt auch die Anzahl an Schraubverbindungen ab, die wir bei jeder Stütze einsetzen, je weiter wir uns der Mitte der Wand nähern. Jeder der äußeren Stützen wurde mit 14 Schraubverbindungen versehen, während nur sechs für die Mittelstützen notwendig waren“, so Visser.

Sicherstes Wandsystem aus Fertigteilen

Der Einbau der Stützen und Platten in dem schmalen Streifen von nur 5 m zwischen der Überdachung und dem angrenzenden Gebäude wurde dadurch erschwert, dass der hierauf platzierte 120-Tonnen-Mobilkran die Stützen nicht direkt vom Lieferfahrzeug entladen konnten, da dies aufgrund der Überdachung über der Abladezone nicht möglich war. Daher mussten die Stützen zunächst von zwei Fahrzeugkranen auf dem Ladeplatz unter der Überdachung abgehoben werden. Anschließend wurden diese in den schmalen Baubereich verbracht, zu dem der Mobilkran Zugang hatte. Das Hebezeug des Mobilkrans wurde am oberen Stützenende angeschlagen und das Hebezeug des dort befindlichen Fahrzeugkrans wurde entfernt. Sobald die Stützen vertikal eingehoben waren, wurde das Hebezeug des zweiten Fahrzeugkrans entfernt. Dann wurden die Stützen auf die Fundamente abgesenkt und an den Ankerbolzen befestigt.

Der Einbau der Platten in diesem beengten Abschnitt erfolgte auf ähnliche Weise, außer dass nur ein Fahrzeugkran für das Abheben vom Lieferfahrzeug benötigt wurde. Dagegen war der Einbau der Stützen und Platten im freien Wandbereich deutlich einfacher, da hier der Mobilkran volle Bewegungsfreiheit hatte und so der Einbau in üblicher Weise erfolgten konnte.

Darüber hinaus wurde der Bau der Wand durch eine Löschwasserleitung sowie ein 11 kVA Stromkabel, die direkt unterhalb des Streifens verliefen, weiter erschwert. Das Kabel wurde verlegt und die Wasserleitung tiefer gelegt. Des Weiteren mussten die Stahlstützen der Überdachung, die auf Betonsockeln gründeten, konstruktiv berücksichtigt werden. Dies wirkte sich auf die Tiefe der Stützenfundamente aus, da die Stützenschuhe der Überdachung nicht untergraben werden sollten.

„Das Wandsystem aus Betonfertigteilen ist die mit Abstand sicherste Bauweise, da hierdurch Arbeiten in der Höhe auf Gerüsten ausgeschlossen werden. Nachdem die Fundamente gesetzt waren, konnte die Wand in nur 15 Tagen errichtet werden. Und zudem ist einer der Vorzüge bei den Peikko-Schraubverbindungen, dass hierfür nur zwei Arbeiter vor Ort für den Einbau der Stützen benötigt werden“, so Smith abschließend.

Text: David Beer