Tragverhalten und Versagensmechanismen geschweißter horizontaler Verbindungen in betonfertigteil-Schubwandbauten

Warum sicherere Fertigbauten wichtig sind

Immer mehr Gebäude werden aus großen, werkseitig hergestellten Betonplatten gebaut, die vor Ort schnell zusammengefügt werden. Dieser Ansatz kann Bauzeiten verkürzen, Abfall reduzieren und die Qualitätskontrolle verbessern. In erdbebengefährdeten Regionen bleibt jedoch eine zentrale Frage: Wie gut halten die Metallverbindungen, die diese schweren Betonbauteile verbinden, den Erschütterungen stand? Diese Studie untersucht genau eine wichtige Art von geschweißter Verbindung zwischen Wänden und Decken in Fertigbauten, um zu beurteilen, wie belastbar und schadensverträglich sie tatsächlich ist.

Wie moderne Gebäude zusammengesetzt werden

Bei einem herkömmlichen Betonbau werden Wände und Decken als nahezu durchgehende Masse vergossen, sodass die Struktur wie ein monolithischer Block reagiert. Fertigbauten unterscheiden sich: Wände und Platten werden in der Fabrik gefertigt und vor Ort verbunden. Diese Verbindungen werden zu den „schwächeren Gliedern“, die Sicherheit und Reparaturkosten bei einem Erdbeben bestimmen. Ingenieure können „nasse“ Fugen verwenden, bei denen vor Ort Ortbeton nachgegossen wird, oder „trockene“ Fugen, die auf Schrauben oder Schweißverbindungen setzen. Nasse Fugen verhalten sich eher wie monolithischer Beton, verlangsamen jedoch den Baufortschritt. Trockene Fugen sind schneller und sauberer, ihr Verhalten bei starken Erschütterungen ist jedoch weniger gut untersucht, insbesondere geschweißte Fugen, die horizontal verlaufen, wo Wände auf Decken treffen.

Eine neue geschweißte Verbindung zwischen Wand und Decke

Die Autoren entwickelten ein praxisorientiertes geschweißtes Verbindungssystem für den realen Bau. Stahlplatten werden werkseitig in die Kanten der Wandplatten und der Deckenscheibe eingegossen. Vor Ort wird eine Verbindungsplatte zwischen diesen eingegossenen Platten verschweißt, wobei Stäbe die Platten mit verdeckten Unterzügen und Stützen im Beton verbinden. So entsteht eine versteckte Stahl“brücke“, die Kräfte zwischen der oberen Wand, der Decke und der unteren Wand überträgt. Es wurden zwei Prüfkörper im Maßstab 1:1 gebaut: einer, der eine Außenwand mit einer Decke auf einer Seite darstellt, und ein anderer, der eine Innenwand mit Decken auf beiden Seiten repräsentiert. Beide wurden in einen Prüfrahmen eingebaut und hin und her gedrückt, um die langsamen, wiederholten Verformungen starker Erdbeben nachzuahmen.

Was geschah, als das Erschüttern simuliert wurde

Während der Versuche trugen die Verbindungen Querlasten von etwa 330 Kilonewton — vergleichbar mit dem Gewicht mehrerer kleiner Lastwagen — bevor ihre Tragfähigkeit zu sinken begann. Sie erlaubten zudem Gipfelauslenkungen von rund 40–44 Millimetern, während sie noch den Großteil ihrer Last hielten, was auf gute Duktilität, also die Fähigkeit zur Verformung ohne plötzliches Versagen, hinweist. Risse traten zuerst in der unteren Wand nahe den geschweißten Platten auf, breiteten sich diagonal aus, und schließlich wurde der Beton an der Druckkante der Wand zermürbt, während die Stahlplatten und -stäbe in der Nähe der Verbindung plastisch wurden. Das Versagensbild war eine Mischung aus seitlichem Schub an der Fuge und Biegung der Wand — kein sprödes, abruptes Brechen. Der Prüfkörper, der Innenwände mit beidseitigen Decken darstellte, wies eine etwas höhere Steifigkeit und Tragfähigkeit auf als die Außenwandvariante, was einen ausgeglicheneren Kraftverlauf widerspiegelt.

Mit virtuellen Tests ins Innere blicken

Zur Ergänzung der Laborexperimente erstellte das Team ein detailliertes dreidimensionales Computermodell mit dem Simulationsprogramm ABAQUS. Sie nutzten ein fortgeschrittenes Betonmodell, das Rissbildung, Betonpressung und Steifigkeitsverluste unter wiederholter Belastung erfassen kann, kombiniert mit einem vereinfachten, aber realistischen Stahlverhalten. Nach der Kalibrierung zeigte sich, dass die simulierten Kraft–Verschiebungs-Kurven, Spannungs-Hotspots und Rissmuster mit den Messwerten gut übereinstimmten: Spitzen- und Streckenlasten lagen typischerweise innerhalb von 10–20 Prozent der gemessenen Werte. Mit diesem validierten Werkzeug führten sie virtuelle Experimente durch, um zu untersuchen, wie sich die Veränderung der Normalkraft auf die Wand (axiale Vorspannung) und die Geometrie der Wand (Schubspannweitenverhältnis) auswirken. Höhere Vorspannung erhöhte die Spitzenlast, verringerte jedoch jenseits eines bestimmten Punktes die Verformungskapazität, während höhere, schlankere Wände das Versagensverhalten von schubdominant zu biegedominant und mit geringerer Tragfähigkeit verschoben.

Was das für erdbebensicheres Entwerfen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft: Sorgfältig ausgebildete geschweißte Verbindungen zwischen vorgefertigten Wänden und Decken können sich unter erdbebenähnlicher Belastung robust verhalten. Diese Verbindungen fungierten nicht als spröde Nähte; stattdessen übertrugen sie große Kräfte, dissipierten Energie durch kontrollierte Rissbildung und Stahlplastifizierung und versagten schrittweise und beobachtbar. Die Studie zeigt außerdem, dass Planer die Normalkraft und Wandproportionen ausbalancieren müssen, um zu starre, druckindu zierte Zerstörungen zu vermeiden und Duktilität zu erhalten. Schließlich liefert das validierte Computermodell ein kraftvolles Werkzeug, um Verbindungsdetails zu verfeinern und extremere Szenarien zu erkunden, sodass Ingenieure Fertigbauten entwerfen können, die schnell zu bauen und sicherer bei Erdbeben sind.

Zitation: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Schlüsselwörter: Fertigbeton, seismische Fugen, geschweißte Verbindungen, Schubwände, Erdbebeningenieurwesen