Einfluss der Anschlussausführung auf die Durchstanzfestigkeit von CFST‑Stützen–RC‑Plattensystemen unter exzentrischer Belastung

Warum sichere Bauverbindungen wichtig sind

In modernen Städten stützen sich Hochhäuser zunehmend auf flache, balkenfreie Decken, die direkt von massiven Stützen getragen werden. Dieses klare Erscheinungsbild schafft innen mehr Raum, verdeckt aber eine Schwachstelle: die kleine Fläche, an der jede Stütze auf die Decke trifft. Versagt diese Verbindung plötzlich, kann die Decke um die Stütze herum „durchstürzen“ und lokal einstürzen. Diese Arbeit untersucht, wie sich diese versteckte Verbindung deutlich robuster und fehlertoleranter gestalten lässt, durch intelligente Stahlanschlüsse, die von Anfang an ausgeführt werden und nicht erst nachträglich als Reparatur eingesetzt werden müssen.

Verbindung von Stahlrohren und flachen Decken

Die Studie konzentriert sich auf ein verbreitetes Hybridsystem: mit Beton gefüllte Stahlrohrstützen (CFST), die an bewehrte Betondecken angeschlossen sind. Bei diesen Stützen wird ein hohles Stahlrohr mit Beton verfüllt, wodurch die Festigkeit und Steifigkeit beider Materialien kombiniert werden. Flachdecken liegen direkt auf den Stützen auf, ohne tiefe Träger, was nutzbare Höhe spart und flexible Grundrisse ermöglicht. Der Nachteil ist, dass die Lasten aus den oberen Geschossen über eine kleine Deckenfläche um jede Stütze gebündelt werden. Wenn die Last vom Stützenzentrum versetzt ist – zum Beispiel durch ungleichmäßige Nutzung oder Erdbebenkräfte – kann die Decke in einem spröden Durchstanzversagen rissig werden und versagen, sofern der Anschluss nicht sorgfältig detailiert ist.

Untersuchung verschiedener Anschlussprinzipien

Um zu verstehen, welche Details am besten wirken, bauten und prüften die Forschenden zwölf Proben aus Platte und Stütze im Labor. Jede Probe verwendete dieselbe Plattengröße und CFST‑Stütze, aber die Anschlussausführung variierte. Einige hatten überhaupt keine besondere Vorbereitung und dienten als Referenz. Andere verwendeten geschweißte Stäbe um das Rohr, kurze oder lange in die Rohrtwand eingeklebte und in die Decke verankerte Bolzen, oder C‑förmige Bügel, die um das Rohr gekröpft und in den Beton eingebettet waren. Mehrere Proben kombinierten diese Ansätze, etwa zwei Reihen geschweißter Stäbe plus vier tief verankerte Bolzen, oder C‑förmige Bügel mit verschiedenen Einbindetiefen. Alle Platten wurden nahe, aber nicht genau in der Stützenmitte belastet, um realistische exzentrische Beanspruchung nachzubilden.

Beobachtung von Rissen, Tragfähigkeit und Verformungsverhalten

Während der Prüfungen erfasste das Team die Durchbiegung jeder Platte, notierte das Auftreten erster sichtbarer Risse, verfolgte Rissbilder und trieb die Proben bis zum Versagen. Der einfache Anschluss ohne besondere Maßnahmen zeigte das schlechteste Verhalten: er riss bei geringer Last und versagte plötzlich durch das Durchstanzen der Stütze. Bereits eine einzige Reihe geschweißter Stäbe erhöhte sowohl die Risslast als auch die maximale Tragfähigkeit deutlich und wandelte das Versagensbild von sprödem Durchstanzen zu einem allmählicheren Biege‑plus‑Durchstanz‑Verhalten. Zwei geschweißte Reihen wirkten noch besser, besonders wenn die Hauptbewehrung der Platte nahe an diesen geschweißten Stäben angeordnet war, sodass sie gemeinsam die Last aufnehmen konnten.

Bolzen, Bewehrungsanordnung und C‑förmige Verbinder

Verschraubte Anschlüsse verbesserten ebenfalls das Verhalten der Verbindung, ihre Wirksamkeit hing jedoch stark von der Einbindetiefe der Bolzen in der Platte ab. Eine Erhöhung der Einbindetiefe von flachen 16 mm auf 48 mm verdreifachte nahezu die maximale Tragfähigkeit und machte die Kraft‑Versatz‑Kurve duktiler, das heißt die Verbindung konnte sich vor dem Versagen stärker verformen. Eine feinere Abstimmung der Bewehrungsanordnung um lange Bolzen brachte weitere Vorteile: ein Stahlgelege oder eine zusätzliche obere Bewehrungslage halfen, Spannungen besser zu verteilen und Risse deutlich besser zu kontrollieren als das bloße Weitrücken einzelner Stäbe. Von allen getesteten Details zeigten C‑förmige Stäbe mit großzügiger Einbindetiefe besonders gute Leistungen: sie boten hohe Festigkeit, Steifigkeit und Energieaufnahme und erzeugten gleichmäßigere Rissbilder.

Die beste Kombination von Details

Die klaren Spitzenreiter waren hybride Systeme, die verschiedene Anschlussmittel kombinierten, sodass sie sich die Lastverteilung teilen konnten. Ein Anschluss mit zwei geschweißten Reihen größerer Stäbe plus vier tief eingebetteten Bolzen erreichte die höchste Tragfähigkeit unter den geschweißten Lösungen und zeigte nach dem Lastmaximum ein sehr langsames Nachgeben, ein Zeichen ausgezeichneter Zähigkeit. Die längsten C‑förmigen Verbinder erzielten ähnlich beeindruckende Festigkeiten bei großen Verformungen vor dem Versagen. Über alle Proben hinweg waren die einflussreichsten Faktoren der grundsätzliche Anschlusstyp, gefolgt von der Einbindetiefe mechanischer Verankerungen, wobei die Anordnung der Bewehrung als wertvolles Feintuning wirkte.

Was das für reale Gebäude bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernaussage: Die Art und Weise, wie wir Stahlstützen in flache Betondecken einbinden, entscheidet darüber, ob ein Versagen plötzlich und spröde erfolgt oder ob die Verbindung Risse langsam entwickelt und weiterhin Last tragen kann. Indem geschweißte Stäbe, ordentlich verankerte Bolzen oder C‑förmige Verbinder von Beginn an eingeplant werden – und die umgebende Bewehrung so platziert wird, dass sie mit diesen Elementen zusammenwirkt – können Ingenieure die Lastaufnahme von Anschlüssen deutlich erhöhen und Bauwerken mehr Vorwarnung und Reservefestigkeit vor dem Versagen geben. Dadurch werden CFST‑Stützen–Decken‑Systeme nicht nur effizient und architektonisch flexibel, sondern auch sicherer und widerstandsfähiger gegenüber den ungleichmäßigen und sich ändernden Lasten, die reale Gebäude erleben.

Zitation: Ghalla, M., Bazuhair, R.W., Mahfouz, Y.M.B. et al. Influence of connection configuration on the punching resistance of CFST column–RC slab systems under eccentric loading. Sci Rep 16, 12475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46159-9

Schlüsselwörter: mit Beton gefüllte Stahlrohrstützen, Durchstanz von Flachdecken, Platte‑Stütze‑Anschlüsse, exzentrische Belastung, Detailierung von Anschlüssen