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May 28, 2023

Stahlkernsystem könnte den Bau von Bürotürmen verändern

Gekoppelte Stahlplatten-Prüfkörper, die vor dem Einfüllen des Betons gezeigt werden, weisen unterschiedliche Abstände und Mengen von Querankern und Scherbolzen auf. Foto mit freundlicher Genehmigung von AISC Eine völlig andere Scherwand

Gekoppelte Stahlplatten-Prüfkörper, die vor dem Einfüllen des Betons gezeigt werden, weisen unterschiedliche Abstände und Mengen von Querankern und Scherbolzen auf.

Foto mit freundlicher Genehmigung von AISC

Ein völlig anderes Scherwand-Kernsystem für den einfacheren und schnelleren Bau von Bürohochhäusern mit Stahlskelettbau steht kurz vor der Markteinführung. Das gekoppelte Stahlplatten-Verbundwandsystem – ein Sandwich aus Platten, die mit Beton gefüllt sind und von Bewehrungsstahl befreit sind – bietet die Festigkeit, Steifigkeit, Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit eines Stahlbetonkerns, wird jedoch nicht durch Bewehrungsstau und komplexe Schalungen belastet, so die Tests von Bauingenieuren das System.

Die Sandwichwand, die dort angebracht wird, wo entweder seismische oder Windlasten vorherrschen, „verändert die Spielregeln grundlegend“, sagt Ron Klemencic, Vorsitzender und CEO von Magnusson Klemencic Associates (MKA) und Bauingenieur, der Pionierarbeit bei der Verwendung geleistet hat. MKA geht davon aus, dass das System die Bauzeit für Aufbauten halbieren kann.

Beim Einbau der Bewehrungsstäbe geht keine Zeit verloren – die Platten erfüllen diese Funktion. Es gibt keine Schalung – die Platten erfüllen auch diese Funktion. Ohne Schalung, Bewehrung und Aushärtezeit für den Beton können der Kern und der Umfangsstahl gemeinsam aufsteigen, anstatt dass der langsamere Kern den schnelleren Stahl vorantreibt – und verzögert –, sagt Klemencic.

Ein weiterer Pluspunkt besteht darin, dass die Kernwandabschnitte zu Modulen vorgefertigt werden, einschließlich Zugankern, die die Platten und Kopfbolzendübel trennen. Und die Modulwände dienen gleich dreifach als Traggerüst für Baulasten, bevor die Betonfüllung eingebracht wird.

Das herkömmliche Hybridsystem – ein Stahlbetonkern mit umlaufenden Stahlsäulen und Bodensystemen aus Stahlträgern, die ein Verbundmetalldeck tragen – führt auch zu Toleranzproblemen an der Stelle, an der die Träger mit dem Kern verbunden sind. Die vom American Institute of Steel Construction (AISC) festgelegten Stahltoleranzen sind enger als die vom American Concrete Institute festgelegten Betontoleranzen. Beim Stahlplattensystem verbindet sich Stahl mit Stahl, wodurch Toleranzprobleme und sich überschneidende Handelsprobleme beseitigt werden.

Insgesamt sei der Bau schneller, einfacher und sicherer als mit einem Hybridsystem, sagt Klemencic. „Im Erfolgsfall wird der neue Ansatz den Markt verändern“, prognostiziert er.

Derzeit läuft eine 600.000-Dollar-Studie, die gemeinsam von der Charles Pankow Foundation und AISC gesponsert wird, um die Verbundstahlwände – die in den USA erstmals im Kernkraftwerkssektor eingesetzt wurden, weil sie praktisch undurchdringlich sind – für Hochhäuser anzupassen.

Für kommerzielle Anwendungen waren Tests erforderlich, da Kernbauwerke lange, gedrungene Wände haben, die durch Scherung dominiert werden, und Hochhäuser hohe, schlanke Wände haben, die durch Biegung dominiert werden, sagt Amit H. Varma, Direktor des Robert L. und Terry L. Bowen Laboratory bei Purdue University, die das dreijährige Forschungsprogramm gemeinsam mit der University at Buffalo durchführt. Varma, der 2005 damit begann, das System für Kernkraftwerke zu testen, ist der Hauptforscher der aktuellen Studie und arbeitet mit Michel Bruneau von der UB zusammen.

Im Rahmen der Forschung werden sechs Proben einer Axialkraft und einer zyklischen seitlichen Belastung ausgesetzt und das Strukturverhalten, einschließlich Steifigkeit, Festigkeit und Driftkapazität, bewertet. Die Proben weisen unterschiedliche Variablen auf, wie z. B. Abstand und Anzahl der Querstäbe und Kopfbolzen.

Vorläufige Ergebnisse des ersten von sechs physikalischen Tests an gekoppelten Verbundstahlplatten-Scherwandproben deuten auf ein hervorragendes Verhalten und zyklische Leistung hin. Foto mit freundlicher Genehmigung von AISC

Ziel ist die Generierung experimenteller Daten und numerischer Modelle, die Einblicke in das Verhalten des Systems liefern und die Entwicklung seismischer und windtechnischer Maßnahmen ermöglichen. „Wir versuchen, das Design zu optimieren, damit es kosteneffizienter wird“, sagt Varma.

Das Team absolvierte Ende letzten Monats den ersten körperlichen Test. Vorläufige Ergebnisse deuten auf „hervorragendes Verhalten und zyklische Leistung der Probe“ hin, sagt Varma.

Die Grenzzustände seien wie erwartet, aber die Festigkeit der Probe sei sogar noch größer als die, die mit einfachen Methoden, Codegleichungen oder sogar Finite-Elemente-Modellen berechnet wurde, fügt er hinzu.

In Bowen werden fünf weitere Tests durchgeführt, um den Einfluss von Parametern wie der Höhe der Axiallast, dem Abstand der Zuganker und der Verwendung von Kopfbolzendübeln zusammen mit Zugankern zu bewerten.

Das Sandwich hat einige Einschränkungen. Es ist einfacher, auf dem Feld in Beton zu schneiden. Beim Stahlwandsystem sei es am besten, alle Öffnungen vor dem Ladenbau zu planen, zu koordinieren und detailliert darzustellen, sagt Klemencic.

Darüber hinaus gibt es Probleme im Zusammenhang mit der Detaillierung der Modul-zu-Modul-Verbindungen sowie der Gestaltung und Detaillierung der Verbindungsträger, die Module trennen und verbinden, um Türen und andere große Räume zwischen Modulen zu schaffen.

Außerdem fällt das System nicht unter die Vorschriften der Bauordnungen. Um es nutzen zu können, müssen Ingenieure bisher einen leistungsbasierten Entwurf erstellen, der eine Begutachtung durch Fachkollegen erfordert.

Die AISC-Stahlspezifikation befasst sich mit den Wänden und basiert auf Untersuchungen für den Kernkraftwerkssektor. Die neuen Studien werden zu erweiterten Informationen in den AISC-Spezifikationen führen, sagt Varma.

Zusätzlich zur Purdue-UB-Forschung finanzieren AISC und die Pankow-Stiftung gemeinsam mit Purdue eine FEMA P-695-Rechenstudie an UB, die nächstes Jahr abgeschlossen werden soll. Forscher gehen davon aus, dass gekoppelte Systeme duktiler sind und mehr Redundanz aufweisen. Die American Society of Civil Engineers (ASCE), die den Entwurfsstandard für Bauwerke entwickelt, weist gekoppelten Systemen derzeit jedoch keine höheren seismischen Reaktionsfaktoren, sogenannte R-Faktoren, zu.

Diese Studie verwendet die FEMA P-695-Methodik, um die R-Faktoren für das Sandwichsystem zu belegen. Die zusätzliche Forschung, die 166.000 US-Dollar kostet, soll zeigen, dass die Sandwichsysteme den höchsten R-Faktor aller Scherwandsysteme aller Materialien aufweisen – einen R-8-Faktor, sagt Lawrence F. Kruth, AISC-Vizepräsident für Bautechnik und Forschung. Die entwickelten seismischen Faktoren werden schließlich in den ASCE-Strukturstandard – bekannt als ASCE 7 – integriert.

Was die Bowen-Tests betrifft, geht Varma davon aus, bis Ende des Jahres Testdaten zu den ersten sechs Exemplaren zu haben. Die zweite Testphase an der UB beginnt mit C-im-Grundriss-förmigen Wänden, die aus drei verbundenen Wandmodulen bestehen. Die letzten Tests in Purdue werden an zusammengesetzten Doppelplatten-Kupplungsträgern durchgeführt, die wie Türübergänge getrennte Module verbinden und bei einem Erdbeben Energie ableiten. Die 600.000-Dollar-Studie endet 2019.

„Das Ziel besteht darin, die Winddesignbestimmungen in der AISC-Hauptspezifikation und die seismischen Designbestimmungen in der AISC-Seismikspezifikation zu haben“, sagt Varma, voraussichtlich bis 2022.

MKA erwartet mit Spannung die Forschungsergebnisse, von denen man hofft, dass sie kostengünstigere Mauern mit weniger Bindungen unterstützen. Es muss jedoch nicht darauf gewartet werden, dass die Designrichtlinien zum ersten Einsatz des Systems in einem hohen Gebäude umgesetzt werden. Das Unternehmen hat bereits die Genehmigung für den Einsatz des Systems in einem 850 Fuß hohen Büro- und Wohnturm in Seattle, dessen Bau im Januar beginnen soll. Ohne die entsprechenden Untersuchungen ist MKAs leistungsorientiertes Design für den Turm namens Rainier Square konservativ.

Klemencic geht davon aus, dass das System für ein Gebäude mit 40 oder mehr Stockwerken am kostengünstigsten ist, vor allem basierend auf der erforderlichen Dicke der Stahlplatte. Für das 58-stöckige Rainier Square-Projekt arbeitet das Team, zu dem Lease Crutcher Lewis als Auftragnehmer, die Supreme Group als Stahlhersteller und Erection Co. als Stahlbauer gehören, an den Konstruktionsdetails, indem es ein Modell in Originalgröße erstellt -hoch.

Das Team geht davon aus, dass die selbstverfestigende Betonfüllung – geschossweise gegossen durch Öffnungen oben in den Wänden – vier Stockwerke hinter dem gesamten Stahlgerüst herabhängen wird. Geplant ist, die Module vor Ort miteinander zu verschweißen. Klemencic geht davon aus, dass das Gebäude Ende 2020 fertiggestellt sein wird.

Die Hoffnung sei, dass das nächste Hochhaus, das das System nutzt, durch die Forschung gestalterischer, effizienter und wirtschaftlicher sei, sagt Klemencic.

Nadine M. Post, ENR-Chefredakteurin für die Planung und den Bau von Gebäuden, ist eine preisgekrönte Journalistin mit mehr als 40 Jahren Erfahrung in der Berichterstattung über gebäudebezogene Trends, Probleme, Innovationen und herausfordernde Projekte. Post hat über viele Branchenriesen geschrieben, darunter neun Gewinner des ENR Award of Excellence. Und sie hat über Katastrophen, Misserfolge und Angriffe berichtet, darunter den Bombenanschlag von 1993 und die Zerstörung des World Trade Centers im Jahr 2001. Eine Auswahl der Projektgeschichten von Post umfasst die Sanierung des World Trade Centers; der 828 Meter hohe Burj Khalifa; Disney Concert Hall in Los Angeles; und Seattles Experience Music Project, Central Library, Bullitt Center und Rainier Square Tower. 1985 schrieb Post McGraw-Hills Buch Restoring the Statue of Liberty (1986) für die Architekten der Restaurierung – Richard S. Hayden und Thierry W. Despont.