UHPC-Fassadenelemente für symbol-trächtigen Gebäudekomplex in Katar - durcrete
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BETONTECHNOLOGIE
durcrete GmbH, Limburg, Deutschland
UHPC-Fassadenelemente für symbol-
trächtigen Gebäudekomplex in Katar
Bernhard Sagmeister, durcrete GmbH, Limburg, Deutschland
Die beeindruckende Fassade eines Bürokomplexes in optimierten Tageslichtnutzung in den Büroräumen inspiriert.
Doha, Katar, wurde vollständig in UHPC geplant und aus- Im Hinblick auf eine hohe dauerhafte Qualität sowie einen
geführt. Die Oberflächen der bis zu neun Meter langen minimalen Instandhaltungsaufwand fiel die Wahl auf einen
3D-Fassadenelemente sind von allen Seiten sichtbar. ultrahochleistungsfähigen Beton (Ultra High Performance
Die Verantwortung für die Planung, Produktion und Concrete, -UHPC).
Montage der Elemente lag bei Doha Cladding Solution,
einem Betonfertigteilhersteller aus der Region. Anforderungen
Der Emir von Katar strebt den Aufbau einer soliden Infrastruk- Die Fassadenelemente wurden in Doha produziert-. Die Ele-
tur zur Förderung von außerhalb der Ölbranche tätigen mit- mente weisen eine Länge von etwa 9 m und eine Breite von
telständischen Unternehmen an. Daher war in der Nähe des etwa 3,30 m auf. Alle Fassadenelemente sind sowohl von
internationalen Flughafens von Doha die Errichtung eines aus außen als auch von innen (Büros) sichtbar, daher mussten alle
vier Bürogebäuden bestehenden Komplexes geplant, der Seiten in Sichtbetonqualität ausgeführt werden. Da die gebo-
Manateq, einem der führenden katarischen Projektentwickler genen Elemente an beiden Seiten Nuten aufweisen, wurden
als neuen Firmensitz dienen soll. Den internationalen Archi- sie aus selbstverdichtendem Beton in vertikalen GFK-Formen
tekturwettbewerb gewann das Architektur- und Planungsbüro produziert.
Laceco aus dem Libanon. Der Entwurf beinhaltete eine Kom- Mit der Produktion der Fassadenelemente wurde der Ver-
position aus vier, um einen geschützten Innenbereich ange- tragsunternehmer Doha Cladding Systems (DCS) beauftragt.
ordneten gekippten Kuben. Das Äußere des faszinierenden Die Eigentümerfamilie und die Geschäftsleitung von DCS hat-
Komplexes sollte die Marke Manateq widerspiegeln und die ten im Jahr 2015 beschlossen, in die Produktion von UHPC-
traditionelle katarische Architektur mit einer modernen For- Fassadenelementen einzusteigen. Nach intensiver Marktfor-
mensprache neu interpretieren. Die parametrische Fassade schung sprachen sich die Ingenieure gegen den Kauf von vor-
des Firmensitzes wurde von Manateqs Logo sowie einer gefertigten UHPC-Trockenmischungen aus. Mit dem Premi-
Manateq Firmensitz, Gesamtansicht
© DCS, Mr. Ayman Badr
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Dr.-Ing. habil. Bernhard Sagmeister studierte Bauingenieur-
wesen in München und promovierte in Darmstadt. Nach Tätigkei-
ten als Tragwerksplaner, Bau- und Oberbauleiter bei der Philipp-
Holzmann Gruppe wechselte er zur Baustoffindustrie und war
dort Geschäftsführer von Fertigteilwerken. 2010 gründete er
das Unternehmen durcrete GmbH, welches sich mit der Bera-
tung, Entwicklung, Berechnung und Vertrieb von Produkten aus UHPC mit
dem Bindemittel Nanodur beschäftigt. Sagmeister ist Privatdozent an der
TU Kaiserslautern. sagmeister@durcrete.de
umzement Nanodur von Dyckerhoff war DCS in der Lage,
kurzfristig einen UHPC-Mischungsentwurf im eigenen Werk
zu produzieren und diesen an die unterschiedlichen Anfor-
derungen (z. B. durch Formen, Betonmischer, Temperatur,
Rohstoffschwankungen, Festigkeit, Fließfähigkeit und Duktili-
tät) anzupassen. Vor der Auftragserteilung musste DCS eine
anspruchsvolle Präqualifizierung durchlaufen. Dabei musste
anhand von Versuchen mit Probekörpern und der Errichtung
von Mockups der Nachweis erbracht werden, dass das Unter-
nehmen die Ausschreibungsanforderungen erfüllen konnte.
Konstruktion
Die Tragwerksplanung für die UHPC-Elemente sowie die Ver-
bindungen mit der Stahlkonstruktion wurde von einem Inge-
nieurbüro in Doha unter Einhaltung britischer Standards
durchgeführt.
Die Elemente werden statisch bestimmt gelagert und direkt
auf einen Stahlrahmen montiert. Bei der Konstruktion der Ver-
bindungen wurde auf eine Vermeidung von Spannungen
durch eine temperaturbedingte Ausdehnung der Betonele-
mente sowie von Beanspruchungen durch unterschiedliche
Verformungen von Stahlrahmen und Elemente geachtet .
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malen Zugspannungen infolge Eigengewicht und Windlast
lagen unter einer zulässigen Festigkeit von 5 MPa.
Da der Nanodur-UHPC im ungerissenen Beton eine Mindest-
biegezugfestigkeit von 15 bis 25 MPa aufweist, besteht ein Si-
cherheitsfaktor von γ ≥ 3,0. Auf der Grundlage von zehn Jah-
ren Erfahrung mit diesem Baustoff galt dieser Sicherheitszu-
schlag angesichts von Unsicherheiten in Bezug auf Tragfähig-
keit, Material, durch Temperatur und Feuchtigkeit verringerte
Zugfestigkeiten, Ermüdung oder sonstige Einflüsse als aus-
reichend. Die Duktilität sowie die Zug- und Druckfestigkeit
von UHPC können durch die Zugabe von Fasern und Beweh-
rungselementen erhöht werden. Keiner dieser zusätzlichen
Faktoren wurde berücksichtigt, und die Bemessung erfolgte
ausschließlich auf der Grundlage der Zugfestigkeit des
UHPC-Zementsteins. Dadurch blieb der Beton ungerissen
und erzielte eine optimale Optik. Die auf die UHPC-Elemente
einwirkende Windbeanspruchung wurde in x- und y-Richtung
berechnet und die Dimensionierung erfolgte mit zweiachsi-
ger Biegung.
Die Verbindungskonstruktion zwischen UHPC-Elementen und
Stahlkonstruktion ermöglichen Bewegungen von bis zu 5 mm
zum Ausgleich thermischer Beanspruchungen. Wegen des er-
forderlichen Toleranzausgleichs bei der Montage wurde auf
einbetonierte Gewindehülsen verzichtet. Bei der Verankerung
mit M12-Edelstahlbolzen handelte es sich um nachträglich
gesetzte Hinterschnittanker mit einer Länge von 120 mm. Die
© DCS, Mr. Ayman Badr
Anker wurden auf der Baustelle gebohrt und montiert. Um-
fangreiche Versuche waren erforderlich, um die Höchstlast in
unterschiedlichen Richtungen zu gewährleisten. Die Dicke
der Fassadenelemente an den Verankerungsstellen betrug
lediglich 130 mm.
Manateq Firmensitz, Gebäudekante
Rezeptur
Als maximale permanente Verformung wurde ein Wert von Spezifiziert war ein UHPC mit einer Festigkeit von über
Spannweite/35.000 und als maximale Verformung unter 150 MPa und einer Biegezugfestigkeit des ungerissenen Be-
Windkraftbeanspruchung ein Wert von Spannweite/15.000 tons (Festigkeit des Zementleimes ohne Faserwirkung) von
berechnet, d. h., dass nahezu keine Verformungen auftreten. mindestens 12 MPa. Der E-Modul musste über 55.000 MPa
Die Berechnung der Elemente erfolgte anhand einer linear betragen. Produktions- und schwindinduzierte Verformungen
elastischen Berechnung im ungerissenen Zustand. Die maxi- waren zu minimieren.
Manateq Firmensitz, Baustelle bei Nacht
© DCS, Mr. Ayman Badr
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Tabelle 1: UHPC-Rezeptur und Prüfungsergebnisse
Nanodur Compound 5941 1.320 kg/m³
Spezielle Gesteinskörnungen, 3-5 mm 312 kg/m³
Spezielle Gesteinskörnungen, 1-3 mm 864 kg/m³
Quarzsand aus Indien, 0-2 mm 160 kg/m³
Fließmittel auf PCE-Basis 26 kg/m³
Schwindreduzierer 16 kg/m³
Stahlfasern 70 kg/m³
Wasser 160
Würfeldruckfestigkeit (10x10x10 cm³)
> 180 MPa
nach 56 Tagen, unter Wasser gelagert
Biegefestigkeit von Prismen nach
bis zu 25 MPa
56 Tagen, unter Wasser gelagert
DCS verwendete Nanodur Compound 5941 als UHPC-Binde-
mittelvormischung, bestehend aus Portland- und Hochofen-
zement, Zusatzstoffe sowie Quarzmehl. Zur Verfüllung der
Hohlräume zwischen den Zementpartikeln und zur Steuerung
des Erhärtungsprozesses werden anstelle von Silikastaub und
Metakaolin hochfeine Zementpartikel sowie synthetische
Oxide verwendet. Dies führt zu sehr glatten, fließfähigen
selbstverdichtenden UHPC-Mischungen, die keine thermi-
sche Nachbehandlung benötigten. Das Bindemittel und die
Zusatzmittel wurden aus Deutschland importiert, die Ge-
steinskörnungen aus Indien und die Stahlfasern aus China.
Die Bemessung und Prüfung des Mischungsentwurfs erfolgte
im Zentrallabor der Dyckerhoff GmbH, dem Lieferanten des
Bindemittels. Nach kurzer Zeit konnte DCS die Rezeptur im
Hinblick an die speziellen Erfordernisse selbstständig anpas-
sen.
© durcrete, Bernhard Sagmeister
Manateq Firmensitz, Prüfung von Verbindungen
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© durcrete, Bernhard Sagmeister
Manateq Firmensitz, Dosierung der Mischungsbestandteile © DCS, Ayman Badr Manateq Firmensitz, Betonieren eines Fassadenelements
Produktion Für den Schalungsbau verwendete DCS glasfaserverstärkten
Kunststoff (GFK), ein besonders leichtes Material, das ein ma-
Alle Feinstoffe des Mischungsentwurfs wurden im Zement- nuelles Entschalen ohne Einsatz eines Krans ermöglicht.
werk mit einem Hochleistungsmischer vorgemischt. Daher
konnte im Betonfertigteilwerk ein einfacher Tellermischer ver- Bindemittel
wendet und auf Spezialequipment verzichtet werden. Die
Mischdauer beträgt je nach verwendetem PCE-Typ zwischen Bei dem Bindemittel Nanodur Compound 5941 handelt es
8 und 10 Minuten pro Charge. Die Wirksamkeit der meisten sich um einen mit Feinsand vorgemischten Spezialzement,
PCE-Fließmittel wird durch Temperaturen von über 30 °C be- dessen definierte Korngrößenverteilung eine optimierte Sieb-
einträchtigt, daher waren alle Materialien vor Sonneneinstrah- linie bietet. Mit diesem Bindemittel hergestellter Beton weist
lung geschützt im Inneren der Werkshalle zu lagern. Der Ein- eine hervorragende Zugfestigkeit und einen guten Verbund
satz von Hochleistungsmischern führt nicht zur Verkürzung der Stahlfasern mit der Zementmatrix auf. Das Material wird
der erforderlichen Mischdauer oder Verbesserung des Er- typischerweise für die Produktion von selbstverdichtendem
gebnisses, sondern verursacht häufig Probleme durch einen Beton im Betonfertigteilwerk verwendet. Nanodur-Beton wird
zu hohen Luft- und Energieeintrag, der zu einer ungünstigen hauptsächlich für technische Anwendungen eingesetzt, wo
Erwärmung der Mischung führt. Das Nanodur-Bindemittel ein Beton im ungerissenen Zustand erforderlich ist.
wurde in Big-Bags geliefert und die Dosierung aller Bestand-
teile erfolgte von Hand. Der Beton wurde in Kübeln oder
WEITERE INFORMATIONEN
Schubkarren transportiert. Die Oberflächenqualität der
Elemente und die Entlüftung des Betons ist umso besser, je
länger der Fließweg des SVBs ist.
Die größte Herausforderung bei Produktion von UHPC stellte
nicht der Mischungsentwurf oder der Betonmischer dar, son-
dern die Konstruktion der Formen. Durch den hohen Fein-
kornanteil der Mischung werden die Formoberflächen exakt durcrete GmbH
abgebildet, so dass jede Unregelmäßigkeit im fertigen Ele- Am Huttig 4, 65549 Limburg, Deutschland
ment sichtbar wird. Luftblasen steigen an die Oberfläche auf T +49 6431 5840376
und bilden Luftseen in Ecken oder auf abgesetzten Flächen sagmeister@durcrete.de
in der Form. Ein Schwinden des Betons über die gesamte Ele- www.durcrete.com
mentlänge führt zu Abweichungen der Abmessungen, die au-
ßerhalb der festgelegten Toleranzen liegen könnten. Alle in-
neren Formen und Kerne werden aufgrund des Schwind-
drucks des Betons verspannt. Daher wurden die Kerne mit
einer gewissen Flexibilität konstruiert, um das Entschalen zu DCS Doha Cladding Solution
erleichtern und Rissbildungen zu vermeiden. Die Formen Member of Al Mohannadi Group
durften jedoch aufgrund der strengen Toleranzanforderun- New Industrial Area P.O. Box 220, Doha, Katar
gen keine zu große Weichheit aufweisen. www.dcs-qatar.com
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