23 Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau

23 Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau
Dipl.-Ing. Christof Sänger
Ed. Züblin AG, Zentrale Technik, Stuttgart, Deutschland
Dr.-Ing. Hubert Bachmann
Ed. Züblin AG, Zentrale Technik, Stuttgart, Deutschland
Abstract: Die Optimierung des Geschosstaktes im Hochhausbau ist unabdingbare Notwendigkeit
für ein kostengünstiges Bauen. Dieser wird durch die Herstellung der wesentlichen
Bauteile Kern, Stützen und Decken bestimmt. Eine optimierte Abstimmung beinhaltet neben
den Kosten und der Zeitdauer der Herstellung auch ein Kran-, Schalungs- und Personalkonzept.
Um dieser Optimierungsaufgabe eine größere Variabilität zu geben, wurden Konstruktionen
zur Herstellung der Decken und Stützen im Hochhausbau in Betonfertigteilbauweise
entwickelt. Dabei ist es entscheidend, dass der in Ortbeton zu erstellende aussteifende Kern,
systemtechnisch richtig in das Konzept der Fertigteilbauweise eingebunden wird.
Die erste Anwendung fand beim Hochhaus Opernturm in Frankfurt a.M. statt. Hier wurde neben
der vorgefertigten Balkendecke, erstmals ein hochfester Betonstahl SAS 670/800 in den
Stützen eingesetzt. Die Weiterentwicklung dieses Systems erfolgte für die Anwendung bei
Fertigteilstützen, welche beim Hochhaus Tanzende Türme in Hamburg zum Einsatz kamen.
Beim Hochhaus TaunusTurm in Frankfurt a.M. soll in Kürze eine weitere Optimierung hin zu
einem verbesserten Fertigteilkonzept erfolgen
Baubetrieb
Die Optimierungsaufgabe im Baubetrieb erfordert
die Berücksichtigung verschiedenster
Einflüsse. Neben den statisch konstruktiven
Anforderungen spielen die Herstellungsdauer
sowie die Herstellungskosten die entscheidende
Rolle. Aber auch Kran-, Schalungs-
und Personalkonzept können den
Prozess maßgeblich beeinflussen.
So wurden beim Hochhaus OpernTurm in
Frankfurt a.M. alle vertikalen Bauteile in einer
Selbstklettertechnik erstellt. Ein ausreichender
Bewegungsspielraum sowie eine
ausreichende Krankapazität sind unabdingbar.
Beim Bauvorhaben TenTowers in München
hingegen wurde auf den Einsatz der
Gleitbautechnik gesetzt. Die mehrfache
Wiederholung der Kernherstellung, es waren
10 baugleiche Hochhäuser, erlaubte einen
wirtschaftlichen Einsatz dieser Technik, obgleich
die Regelmäßigkeit im Querschnitt
sowie die relativ geringe Höhe eher für eine
konventionelle Herstellung der Wände
sprach.
Abb. 1: Schalungstechnik für den Geschoßtakt
beim OpernTurm in Frankfurt a.M.

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Abb. 2: Die TenTowers in München –
Kernherstellung mit der Gleitbautechnik
Eine einfache konventionelle Schalung kam
bei den Tanzenden Türmen in Hamburg zum
Einsatz. Bauzeitenplan und Platzverhältnisse
erlaubten diese, welche bei dem 22-geschossigen
Gebäude noch durchaus eine wirtschaftliche
Lösung darstellt.
Neben den aussteifenden Wänden sind
die Decken in den Geschosstakt mit einzuplanen.
Hier werden heute überwiegend konventionelle
Schalsysteme eingesetzt, wenngleich
mit zunehmender Geschosszahl ein
Verbunddeckensystem vorteilhaft aufgrund
seines geringeren Gewichtes ist. Während
beim Neubau des Messeturms in Frankfurt
noch eine Verbunddecke mit Blechverschalung
als sehr leichte und schnell montierbare
Decke verwendet wurde, konnte von
Züblin inzwischen eine Betonfertigteildecke
als Alternative entwickelt werden. Die durch
Vorspannung optimierte Decke kann als
Plattenbalkendecke auch große Spannweiten
überbrücken und so komplett stützenfreie
Räume ermöglichen.
Während beim OpernTurm auch die
Randstützen mit einer Kletterschalung hergestellt
wurden, sind Stützen im Hochhausbau
häufig als Verbundstützen konzipiert.
Diese lassen sich nur singulär montieren und
benötigen in der Regel noch eine zusätzliche
Um-mantelung mit Beton, um den Brandschutz
zu gewährleisten. Dieser Herstel-
lungsprozess lässt sich nicht ohne weiteres
beschleunigen und greift damit tief in den
Bauprozess des Geschosstaktes ein. Auch
beim Neubau des EZB-Hochhauses kommen
Verbundstützen zum Einsatz.
Abb. 3: Die Tanzenden Türme in Hamburg –
konventioneller Wandschalungseinsatz
Bei der Optimierung des Geschosstaktes im
Hochhausbau liegt der Fokus sehr stark auf
der Herstellung der aussteifenden Bauteile,
in der Regel sind das die aussteifenden
Kernwände. Daneben dürfen aber die Stützen
sowie die Deckenherstellung nicht vernachlässigt
werden, denn diese komplettieren
schließlich die Optimierung des Geschosstaktes.
Durch den Einsatz von neuen
Entwicklungen bei der Stützen- und Deckenherstellung
konnte beim OpernTurm in
Frankfurt der Geschosstakt auf 4 Tage reduziert
werden. Für die Decken kam ein neu
entwickeltes Betonfertigteilsystem zum Einsatz
und bei den Stützen wurde ein hochfester
Betonstahl verwendet, welcher die üblichen
Stahlverbundstützen ersetzte und so zu
einer Beschleunigung des Taktes beitrug.

Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau 233
Abb. 4: Neubau der EZB–Zentrale in Frankfurt
a.M. – Einsatz von Verbundstützen
Druckglieder mit hochfestem Betonstahl
SAS 670/800
Druckglieder dürfen nach DIN 1045-1 mit
einer maximalen Dehnung von 2,0 ‰ resp.
2,2 ‰ ausgenützt werden. Um nun den
hochfesten Betonstahl mit einer Fließgrenze
von 670 N/mm 2 vollständig, also mit der Designspannung
von 585 N/mm 2 an der Tragfähigkeit
der Stütze zu beteiligen, muss nicht
nur der Betonstahl sondern auch der Beton
mit einer Dehnung von ca. 2,9 ‰ beansprucht
werden. Eine Möglichkeit, den Stahl
im Bruchzustand bis zur Stauchgrenze voll
auszunutzen, ist die Berücksichtigung des
meist ohnehin vorhandenen Kriechens und
Schwindens von Beton.
Abb. 5 zeigt die Lastanteile Beton und
Stahl (Bewehrungsgrad μ~13%, C55) vom
Gebrauchs- bis zum Bruchzustand bei
schneller (gestrichelt) und langsamer Lastaufbringung
mit Kriechphase (durchgehender
Strich). Deutlich gehen daraus die Verformungsunterschiede
ε1 + ε2 + ε3 hervor, die
zur Erhöhung der Bruchstauchung im Stahl
genutzt werden können:
Δεs = ε1 + ε2 + ε3
ε1= Kriech- und Schwindverformung
ε2= Wiederbelastbarkeit des Betons
nach Kriech- und Schwindabfall
ε3= Verformungsunterschied durch unterschiedlicheBelastungsgeschwindigkeit
(wird später in der Regel
vernachlässigt)
Abb. 5: Kraftverlauf während der gesamten Belastungsgeschichte
unter zentrischem Druck bis
zum Bruch bei schnell belasteter Stütze und langsam
belasteter Stütze mit Kriechphase
Die wirtschaftlichen Vorteile von S 670 liegen
im Substitut von Stahl- und Verbundstützen
durch Betonstützen sowie bei einer
Querschnittsminimierung. Im Hochhausbau
spielt die nutzbare zu vermietende Geschossfläche
die maßgebende Rolle bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
eines Projekts.
Mit dem Einsatz von hochfestem Betonstahl
kann der Stützenquerschnitt gegenüber einer
mit BSt 500 hoch bewehrten Stütze weiter
reduziert werden und so kostbare Mietfläche
gewonnen werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die
Möglichkeit, durch große Bewehrungsdurchmesser
auch hohe Bewehrungsgrade bei einfacher
Herstellung zu realisieren. Betonage
und Verdichtung des Betons stellen kein
Qualitätsrisiko mehr dar.
Abb. 6 zeigt den OpernTurm in Frankfurt,
bei dem erstmalig der hochfeste Betonstahl
im Hochhausbau eingesetzt wurde. Die
Megastützen in der über 5 Geschosse durchgehenden
Lobby des Opernturms sollten aus

234 Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau
architektonischen Gründen möglichst kleine
Querschnitte aufweisen. Diese Forderung
wäre bei Verwendung eines normalen Betonstahls
nur durch Einsatz von hochfestem
Beton bei gleichzeitig hohem Bewehrungsgrad
umsetzbar gewesen. Als wesentlich einfacher
und wirtschaftlicher erwies es sich jedoch,
diese Stützen unter Einsatz eines
Normalbetons (C 50/60) mit dem hochfesten
Bewehrungsstahl der Fa. Stahlwerk Annahütte
(SAS 670/800) auszuführen.
Die hoch belasteten Fassadenstützen
stellten eine ähnliche Herausforderung dar.
So sollten diese aufgrund der Architektur,
der technischen Gebäudeausstattung und des
Gewinns an Nutzfläche ebenfalls möglichst
kleine Querschnitte aufweisen. Eine Bewehrung
mit normalem Betonstahl wäre hier
ebenfalls ohne den kostenaufwändigen Einsatz
eines hochfesten Betons nicht möglich
gewesen. Aus diesem Grund wurden auch
die hoch belasteten Fassadenstützen mit SAS
670/800 bewehrt.
Neben der Überschreitung des maximal
zulässigen Bewehrungsgrades von 9 % gemäß
DIN 1045-1 war der Einsatz von Stabdurchmessern
d = 75 mm und die hohe
Stahlgüte ausschlaggebend für die Erfordernis
einer Zustimmung im Einzelfall (vgl.
auch [1] bis [6]).
Beim Opernturm Frankfurt wurden Bewehrungsdurchmesser
von 35, 43, 57,5, 63,5
und 75 mm verwendet. Der hochfeste Stahl
S 670 wurde nur im Bereich von voll überdrückten
Querschnitten eingesetzt. Die Bewehrungsstöße
erfolgten mit speziellen Kontaktmuffen.
Generell kann gesagt werden, dass mit
dem Bewehrungssystem nicht nur sehr wirtschaftliche
sondern auch qualitativ besonders
hochwertige Stützen hergestellt werden
können, was sich insbesondere in der sehr
guten Betonierbarkeit zeigt. Selbst bei Bewehrungsgraden
von über 10 % sind die
lichten Stababstände so groß, dass der Beton
leicht eingebracht und mit handelsüblichen
Innenrüttlern sicher verdichtet werden kann.
Die Gefahr von Fehlstellen, Kiesnestern etc.
wird dadurch minimiert. Der Betonierschlauch
kann bis tief in die Stütze einge-
bracht werden, um eine große Fallhöhe und
die damit verbundene Gefahr der Entmischung
des Betons auszuschließen.
Abb. 6: OpernTurm in Frankfurt – Einsatz von
hochfestem Betonstahl SAS 670/800 in den Stützen
Abb. 7: Bewehrungsstoß einer Megastütze beim
OpernTurm

Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau 235
Abb. 8: Bewehrungskorb einer Megastütze beim
OpernTurm in Frankfurt
Entwicklung eines Stützenstumpfstoßes
für Fertigteilstützen
Der hochfeste Betonstahl SAS 670/800 wurde
beim Hochhaus Opernturm in Frankfurt
bereits erfolgreich eingesetzt. Dabei konnte
der Verbundstahl und der hochfeste Beton
durch hochfesten Betonstahl ersetzt werden.
Mit dem Ziel, die Herstelldauer von Stützen
bei Hochhäusern weiter zu reduzieren, wurde
in der Zentralen Technik der Ed. Züblin
AG eine Betonfertigteilstütze respektive der
Stoß einer Fertigteilstütze mit hochfestem
Stahl entwickelt.
Abb. 9 zeigt die grundlegenden Zusammenhänge
bei einem Stumpfstoß einer Betonfertigteilstütze.
Dabei wird der Kraftanteil
in den Bewehrungsstäben großteils über
Verbund in die Stütze eingetragen und dann
durch den Mörtelstoß hindurchgeführt. Ein
geringerer Anteil der Stahlkraft von ca. 25 %
wird über Spitzendruck übertragen.
Abb. 9: Ingenieurmodelle für den Stoßbereich
von stumpf gestoßenen Betonfertigteilstützen [7]
Weil bei einer Stütze mit hochfestem Betonstahl
deren Kraftanteil in der Regel mehr als
50 % von der Gesamtkraft beträgt, wird davon
ausgegangen, dass die Mörtelfuge diese
hohe Stützenkraft nicht ohne weiteres übertragen
kann. Daher wurde für einen Stützenstumpfstoß
mit hochfestem Betonstahl ein
alternatives Tragkonzept erforderlich. Insbesondere
ist wegen der großen Stabdurchmesser
eine Kraftausleitung im Stoßbereich nicht
möglich. Die Kraft in den Bewehrungsstäben
muss daher von Stabstahl zu Stabstahl direkt
übertragen werden. Dabei wird davon ausgegangen,
dass die Übertragung der Betonkraft
durch den Mörtel erfolgt, während die
Kraft in den Bewehrungsstäben direkt
hindurchgeführt wird.
Soll diese Kraftübertragung gelingen,
müssen die Stäbe direkt übereinander stehen
und als Stumpfstoß ausgebildet werden. Jedoch
wird als wesentliches Problem dabei
die notwendige Ausführungstoleranz gesehen.
Selbst bei einer Fräsung aller Stäbe auf
die gleiche Länge müssten die Toleranzen in
der Montage beachtet werden. Diese entstehen
durch eine Schiefstellung der gesamten
Stütze. Der Kontakt wäre nicht gewährleistet.
Zur Lösung des Problems wurde vorgeschlagen,
die Kraft im Bewehrungsstahl
durch eine dünne Mörtelfuge zwischen den
Stäben hindurchzuführen. Die Mörtelfuge
muss so dick sein, dass die notwendigen
Herstellungstoleranzen aufgenommen werden
können und gleichzeitig so dünn sein,
dass die Kraftübertragung erfolgen kann.

236 Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau
Dieser Mörtel muss dabei näherungsweise
die Fließspannung des hochfesten Betonstahls
aufnehmen.
Zur Klärung der Frage der Fugendicke
zwischen den hochfesten Bewehrungsstäben
wurden mehrere Kleinversuche durchgeführt.
Die Proben hatten alle die Abmessungen
von 15 x 15 cm mit einer Länge von ca.
65 cm. Die Fuge zwischen den Betonquerschnitten
wurde mit einer Dicke von 30 mm
ausgebildet und mit einem hochfesten Mörtel
vergossen. Variiert wurde dabei die Ausbildung
der Fuge zwischen den Stählen. Es
wurden sowohl ein direkter Stahlkontakt als
auch eine Vergussschicht aus hochfestem
Mörtel sowie ultrahochfestem Beton ausgebildet.
Die Versuche sollten zeigen, mit welchen
Lösungsansätzen es möglich ist, die
Kraft aus den dicken Stahlstäben durch die
Fuge zu leiten.
Abb. 10: Versagen der Stützen bei einer Mörtelfugendicke
von 6 mm und 20 mm
Als wesentliche Ergebnisse dieser Vorversuche
sind zu nennen;
� Die Tragkraft einer ungestoßenen Stütze
konnte erreicht werden
� Die Tragkraft der ungestoßenen Stütze
kann durch den direkten Stahlkontakt
übertragen werden
� Die Tragkraft der ungestoßenen Stütze
kann auch durch einen Mörtelverguss
zwischen den Stahlstäben übertragen
werden.
� Der Mörtelverguss zwischen den Stützen
darf (bei den hier vorliegenden geometrischen
Verhältnissen) nicht dicker als
13 % des Stabdurchmessers sein.
Infolge der Querdehnungsbehinderung kann
die Festigkeit des Mörtels um das mehrfache
gesteigert werden. Allerdings muss die zulässige
Fugendicke auf ca. 13 % des Stabdurchmessers
begrenzt werden. Bei einem
Stabdurchmesser von 57,5 mm darf die Fugendicke
8mm nicht überschreiten.
Erstanwendung der Betonfertigteilstütze
mit hochfestem Betonstahl bei
den Tanzenden Türmen in Hamburg
Die Fertigteilstützen werden erstmalig beim
Neubau des Hochhauses Tanzende Türme in
Hamburg eingesetzt. Der von den Architekten
Bothe-Richter-Teherani entworfene Bau
wird durch die Strabag Real Estade realisiert.
Planung und Bauausführung liegen in der
Hand der Ed. Züblin AG Direktion Nord.
Eine Besonderheit im Tragwerk stellen
die Knicke der vertikalen Tragglieder dar.
Beide Türme besitzen schräg verlaufende
Außenstützen die im 6.OG beziehungsweise
im 17. OG ihre Richtung verändern.
Die Innenstützen werden äquivalent zum
Opernturm in Ortbeton hergestellt. Der Beton
besitzt eine Festigkeit von C 50/60 und
wird mit bis zu 10 % hochfestem Betonstahl
SAS 670/800 bewehrt.
Als Außenstützen kommen nun erstmalig
Fertigteilstützen mit hochfestem Betonstahl
und einem Bewehrungsgrad von maximal
12 % zum Einsatz.
Der Beton der Fertigteilstütze endet an
der Unterkante der Decke, während der
hochfeste Stahl bis über die Decke geführt
wird. Dadurch kann die Decke kontinuierlich
betoniert und die Stütze des darüberliegenden
Geschosses montiert werden. Anschließend
erfolgt der Fugenverguss. Die Fertigteilstütze
besitzt an der Unterseite jeweils
eine Stahlplatte zur Aufnahme der Querzugspannungen
und wird mit einem maximalen
Abstand von 7 mm zu den Stäben der unteren
Stütze montiert. Hierzu wurden die Stäbe
mit einer Toleranz von +/- 1 mm gesägt und
entgratet. Damit die Bewehrungsstäbe direkt
übereinander stehen, werden 2 Führungsdollen
vorgesehen, welche eine einfache Montage
ermöglichen.

Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau 237
Die Reduktion des Deckenbetons von C
50/60 auf C 30/37 kann durch die Querdehnungsbehinderung
der umlaufenden Betondecke
ausgeglichen werden [8].
Da sowohl der hochfeste Stahl, als auch
der Stützenstumpfstoß normativ nicht geregelt
sind, war eine Zustimmung im Einzelfall
durch die oberste Hamburger Baubehörde erforderlich
[9]. Hierzu wurden experimentelle
Untersuchungen notwendig. Getestet wurden
insgesamt 3 Stützen mit einem Durchmesser
von 40 cm und der maßgebenden Stützenbewehrung.
Als Referenzstütze wurde eine
Stütze ohne Stumpfstoß getestet, sowie 2
Stützen mit Stumpfstoß. Den Versuchsstand
sowie den Bruchkörper mit den Probestützen
zeigt Abb. 11.
Abb. 11: Versuchsaufbau und Bruchbild – Bruch
außerhalb des Stoßbereichs-
Die Versuche haben gezeigt, dass mit dem
Stumpfstoß die volle Tragfähigkeit einer
ungestoßenen Stütze erreicht wird. Das Versagen
der gestoßenen Stützen trat in beiden
Versuchen außerhalb des Stumpfstoßes auf.
Nachfolgend sind die im Versuch erreichten
Bruchlasten im Vergleich zur berechneten
Maximallast aufgeführt:
Rechnerisch 13.485 KN (100 %)
Versuch V12 ohne Stoß 13.927 KN (103 %)
Versuch V13 mit Stoß 13.770 KN (102 %)
Versuch V14 mit Stoß 13.338 KN ( 99 %)
Abb. 12: Fertigteilstützen und Gebäudeansicht
der Tanzenden Türme, Hamburg
Ebenso bedeutend wie die Tragfähigkeit ist
die Sicherung der Ausführungsqualität auf
der Baustelle. Im vorliegenden Fall wurden
umfangreiche QM Maßnahmen ergriffen,
wie Materialprüfung und Abnahmen der
Stützenstöße vor dem Mörtelverguss. Letzterer
wurde ebenso umfangreich überwacht.
Das neu eingesetzte Fertigteilstützensystem
hat sich auf der Baustelle Tanzende
Türme in Hamburg hervorragend bewährt.
Die Geschwindigkeit der Stützenmontage
konnte bei gleichbleibend hoher Ausführungsqualität
um das Mehrfache gesteigert
werden. Mit dem neuen Fertigteilsystem
konnte somit auch die Taktzeit zur Herstellung
der Hochhausgeschoße weiter verkürzt
werden.
Literatur:
[1] Falkner, H., Gerritzen, D., Jungwirth,
D.,Sparowitz, L.: Das neue Bewehrungssystem;
Druckglieder mit hochfestem
Betonstahl SAS 670/800: Teil 1:
Entwicklung, Versuche, Bemessung,
Konstruktion. Beton- und Stahlbetonbau
103 (2008) Heft 5, Ernst und Sohn
Verlag, Berlin
[2] Bachmann, H., Benz, M., Falkner, H.,
Gerritzen, D., Wlodkowsky, H.: Das
neue Bewehrungssystem; Druckglieder
mit hochfestem Betonstahl SAS
670/800: Teil 2: Opernturm Frankfurt -
Anwendung. Beton- und Stahlbetonbau
103 (2008) Heft 8, Ernst und Sohn Verlag,
Berlin

238 Verfahrenstechnische Optimierungen im Hochhausbau
[3] Falkner, H.; Gerritzen, D.: Gutachterliche
Stellungnahme zur Bemessung und
Konstruktion der Stützen mit hochfestem
Bewehrungsstahl SAS 670/800 –
Opernturm Frankfurt
[4] Graubner, C.-A.; Zink, M.: Gutachten
zur Anwendung von hochfestem Gewinderippenstahl
SAS 670/800 in Stützen
des Bauvorhabens Opernturm in
Frankfurt am Main
[5] Hosser, D.; Richter, E.: Gutachtliche
Stellungnahme Nr. G 07011 – Zum
Brandverhalten von Stützen mit hochfestem
Stahl SAS 670/800 beim Bauvorhaben
Opernturm Frankfurt
[6] Zustimmung im Einzelfall nach § 19
Hessischen Bauordnung (HBO) für die
Verwendung von Gewinderippenstahl
SAS 670/800 als Betonstahlbewehrung
beim Bauvorhaben Opernturm, Bockenheimer
Landstraße 2 bis 8 in
Frankfurt am Main (BA-Nr. B-2006-
1598-4)
[7] Minnert, J., Günther, G.: Bemessungsvorschlag
für die verstärkte Querbewehrung
bei mehrgeschossigen Ortbetonstützen
ohne Übergreifungsstoß der
Längsbewehrung. Beton- und Stahlbetonbau
102 (2007) Heft 2, Ernst und
Sohn Verlag, Berlin.
[8] Weiske, R.: Durchleitung hoher Stützenlasten
bei Stahlbetonflachdecken.
Institut für Baustoffe, Massivbau und
Brandschutz, Heft 180 der Schriftenreihe,
TU Braunschweig, 2004
[9] Zustimmung im Einzelfall für die Verwendung
von Gewinderippenstahl SAS
670/800 als Betonstahlbewehrung in
Ortbeton- und Fertigteilstützen beim
Bauvorhaben Tanzende Türme in Hamburg,
Reeperbahn 1, Oberste Baubehörde
Freie und Hansestadt Hamburg,
2010