Wandernde Stützen: Eine Lösung für strukturelle und architektonische Komplexität

Wenn sich Grundrisse ändern – etwa bei einer Tiefgarage unter einer Lobby oder Büros unter Wohnungen – ist es häufig erforderlich, Stützenraster zu verschieben, um sowohl architektonischen als auch funktionalen Anforderungen gerecht zu werden. In solchen Fällen bietet eine wandernde Stütze eine clevere, praktische Alternative zu massiven Transferträgern oder optisch störenden geneigten Stützen.

a) Anordnung geneigter Stützen und b) Anordnung von Transferstützen und Transferträgern

Eine wandernde Stütze ist eine tragende Stütze, die zwischen den Geschossen horizontal versetzt wird und so eine schrittweise Verschiebung der Stützenposition im Grundriss ermöglicht, ohne abrupte Lastübertragungen. Im Gegensatz zu geneigten Stützen bestehen wandernde Stützen aus vertikal gestapelten Segmenten, die auf jeder Geschossebene versetzt sind. Dies erleichtert die Ausführung und Integration in konventionelle Schalungssysteme, während ein relativ direkter Lastpfad erhalten bleibt – ein wesentliches Prinzip effizienter Tragwerksplanung.

a) Wandernde Stütze in einem realen Gebäude und b) Lastübertragungsmechanismus einer wandernden Stütze (SheerForce Engineering, 2021).

Eine detaillierte Beschreibung verschiedener Tragsysteme, einschließlich ihrer Lastübertragungsmethoden sowie der jeweiligen Vor- und Nachteile, finden Sie auf der folgenden Webseite von SheerForce Engineering.

Auftretende Probleme

Obwohl wandernde Stützen bei bestimmten Tragsystemanordnungen von Vorteil sein können, bringen sie auch besondere Bemessungsherausforderungen mit sich, die über den Anwendungsbereich konventioneller Normen wie ACI 318 oder Eurocode hinausgehen. Diese Bauteile weisen typischerweise geringe Schlankheitsverhältnisse (Spannweite zu Höhe) im Bereich von 1:9 bis 1:4 auf, was sie grundlegend von wandartigen Trägern unterscheidet. Bei Verhältnissen unter 1:4 werden wandartige Träger aufgrund ihrer erhöhten Kippstabilität, gestützt auf zwei gegenüberliegenden Seiten, im Allgemeinen bevorzugt. Im Gegensatz dazu kann die schlanke Geometrie wandernder Stützen die Ausbildung diagonaler druckstrebenartiger Druckfelder hemmen, die für das Verhalten von wandartigen Trägern charakteristisch sind. 

Daher erfordert ihre Bemessung eine sorgfältige Berücksichtigung der Scheibenstrebenaktivierung, einer komplexen Knotenbewehrung sowie die Anwendung mechanikbasierter Ansätze wie der Strebe-und-Zugband-Methode (STM). Ob die STM über alle Schlankheitsverhältnisse hinweg – insbesondere bei schlanken Fällen – wirksam und effizient bleibt, muss durch wissenschaftlich orientierte FEM-Werkzeuge weiter untersucht werden, um sowohl die Tragsicherheit als auch die Materialoptimierung sicherzustellen. Die Verwendung solcher Software für die Bemessung von Betonstützen kann jedoch aufgrund ihres iterativen Charakters sehr zeitaufwendig sein.

IDEA StatiCa Detail hilft Ingenieuren, eine Lösung zu finden, die eine hinreichend realistische Analyse auf Basis von Eingabedaten (nicht nur Schätzungen) ermöglicht und gleichzeitig vermeidet, stunden- oder tagelang mit der Modellierung zu verbringen. Mit Detail können Sie eine FEM-Analyse unter Anwendung der CSFM-Methode durchführen und dabei die in der Anwendung verfügbaren Elemente modellieren. Dies ersetzt die Notwendigkeit, alle Wechselwirkungen zwischen Bewehrung und Beton, Randbedingungen oder die Vernetzung manuell zu definieren, da die Software diese Aspekte automatisch übernimmt.

Tragsicherheit an erster Stelle

Bei der Strebe-und-Zugband-Methode nehmen wir an, wie das Strebe-und-Zugband-Modell aussehen wird, und bemessen anschließend die einzelnen Komponenten entsprechend. Ebenso basieren die oben genannten Verhältnisse in der Regel auf Erfahrungswerten. Aber was, wenn wir eine etwas andere Art von Struktur bemessen müssen? Können wir zu 100 % sicher sein, dass sich die Struktur noch genau so verhält wie angenommen? FEM-Methoden können Ihnen dieses Maß an Sicherheit bieten. 

Die Ohio State University hat kürzlich einen Vergleich der Anwendung von STM, CSFM (über IDEA StatiCa) und FEM (ABAQUS) zur Analyse mehrerer Modelle veröffentlicht. Die vergleichende Analyse zeigt klare Tendenzen: ABAQUS prognostizierte durchgehend höhere Tragfähigkeiten, was seine Stärke bei der Erfassung komplexer Materialverhaltens- und Belastungsbedingungen widerspiegelt. Im Gegensatz dazu lieferten STM und CSFM (mit ϕ-Faktoren) konservativere Schätzungen. CSFM erwies sich als zuverlässiges Werkzeug zur Bewertung wandernder Stützen und lieferte wertvolle Einblicke in Versagensmechanismen und das Tragverhalten. Die vollständige Studie können Sie hier lesen.

Vergleich der Richtung der Hauptspannungen, berechnet mit den Modellen von IDEA StatiCa und ABAQUS

Von der Theorie zur Praxis

In der Praxis sind ideale Fälle, die theoretischen Modellen entsprechen, nicht immer verfügbar. Ein wesentlicher Vorteil von IDEA StatiCa Detail (CSFM) ist die Möglichkeit, beliebige Geometrien unabhängig von ihrer Komplexität zu modellieren und zu analysieren, was Ingenieuren ein hohes Maß an Flexibilität bietet. Die Ergebnisse umfassen Spannungs- und Dehnungsfelder, Rissbreiten, Lastpfade und Ausnutzungsgrade, die dem Anwender ein sehr klares Verständnis davon vermitteln, was innerhalb der Struktur geschieht und wie die Last aufgebracht wird. Diese Bewertungen können sowohl nach ACI als auch nach EN durchgeführt werden, da die Anwendung Materialbibliotheken und Koeffizienten für beide Normen enthält. Aus den Ergebnissen kann ein vollständiger Bericht erstellt werden, einschließlich des Exports der Stückliste und der Bewehrungsführung.

Für ein besseres Verständnis des Modellierungsprozesses, der Ergebnisse und der Anwendung selbst empfehlen wir einen Blick auf das schrittweise Tutorial oder dieses Webinar*, das dem Thema gewidmet ist.

*Obwohl sich die Benutzeroberfläche der Anwendung seit der im Webinar gezeigten Version leicht verändert hat, bleiben die Methode und die Modellierungsprinzipien dieselben.

a) Bewehrtes Modell einer wandernden Stütze in IDEA StatiCa, b) Ergebnisse – Betonspannungsfelder und c) Ergebnisse – Durchbiegung

CSFM ist kein neues Konzept, sondern eine etablierte Methode, die seit mehreren Jahren im Einsatz ist und sowohl in der akademischen Forschung als auch in realen Anwendungen validiert wurde. Ein bemerkenswertes Beispiel ist IMEG, ein Pionier auf dem Gebiet der wandernden Stützen, das nun IDEA StatiCa Detail einsetzt, um Strebe-und-Zugband-Modelle für kritische Tragelemente zu überprüfen. Eines der Projekte, bei dem IDEA zur Überprüfung kritischer Details eingesetzt wurde, ist das Laurel Rittenhouse Square Project, das in der Mitte des nachfolgenden Bildes zu sehen ist.

Beispiele mit wandernden Stützen – Vancouver House, The Laurel Rittenhouse Square, Seminole Hard Rock Hotel and Casino von IMEG

Fazit

Wandernde Stützen bieten eine clevere und praktische Traglösung für die Verschiebung von Stützenrastern in komplexen Gebäudegrundrissen und vermeiden dabei den Einsatz massiver Transferträger oder optisch störender geneigter Stützen. Ihre besondere Geometrie bringt jedoch mehrere Bemessungsherausforderungen mit sich, die von konventionellen Normen nicht vollständig abgedeckt werden und fortgeschrittene Analysemethoden erfordern.

Der kombinierte Einsatz der Strebe-und-Zugband-Methode (STM) und der FEM, insbesondere durch Werkzeuge wie IDEA StatiCa Detail, bietet Ingenieuren ein zuverlässiges und effizientes Mittel zur Modellierung und Bewertung wandernder Stützen. Mit Unterstützung für ACI- und EN-Normen, integrierten Materialbibliotheken und vollständigen Berichtsfunktionen schließt IDEA StatiCa Detail die Lücke zwischen theoretischen Konzepten und der praktischen Umsetzung.