Kapazitätsanalyse eines Hotelgebäudes aus den 80ern

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Fragestellung behandelt, welche Nutzlastreserven eines Hotelgebäudes, welches in den 1980er Jahren errichtet wurde, vorhanden sind. Dabei wird zuerst der ökologische und der politische Hintergrund beleuchtet, um die Notwendigkeit der Umnutzung von bestehenden Gebäuden darzulegen. Es zeigt sich, dass speziell in der europäischen Politik viele Ziele gesetzt und Maßnahmen ergriffen wurden, um eine Klimafreundlichere Wirtschaft zu etablieren (siehe Abschnitt 2.4). Diese Maßnahmen haben mitunterdirekte Auswirkung auf die in der Bauindustrie tätigen Unternehmen. Dazu zählen beispielsweise die Verpflichtungen des Climate Transitionplan, zu denen, ab einer gewissen Unternehmensgröße, die Verringerung des CO2-Ausstoßes gehören. Ebenso gilt die Taxonomieverordnung, die Kapitalflüsse auf nachhaltige Investitionen lenken soll, weshalb Unternehmen angehalten sind, Mindestschutzmaßnahmen einzuhalten, um weiterhin Investitionen zu erhalten. Die europäische Gebäuderichtlinie hat unter anderem durch die Verpflichtung zur thermischen Sanierung und der daraus resultierenden Senkung des Endenergiebedarfs für Heizung und Kühlung, um den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Wie der CO2-Ausstoß beeinflusst und verringert werden kann, wird im Abschnitt 2.3 erläutert. Grundlage für Optimierungen ist die Ökobilanz, aus der hervorgeht, wie viel CO2 in einem Gebäude gebunden ist, um daraus Klima-freundlichere Baumaterialien abzuleiten. Des Weiteren kann mithilfe eines materiellen Gebäudepasses, in Kombination mit einer Lebenszyklusanalyse, der Lebenszyklus von Baumaterialien optimiert und diese nach Beendigung ihres Lebenszyklusrecycelt werden. Das Ergebnis ist ein geringerer Ressourcenverbrauch, mit einem geringeren CO2-Fußabdruck. Im nächsten Schritt wird ein Gebäude aus der Bauperiode bezüglich der verwendeten Materialien, Strukturen und Belastungen analysiert (siehe Abschnitt 3). Das Gebäude wird als Hotel mit Parkgarage im Kellergeschoss genutzt, es wurde in Stahlbetonbauweise errichtet und verfügt über drei Kellergeschosse, sowie elf Obergeschosse. Die Gesamthöhe ab der Geländeoberkante, beträgt bis zum First etwa 36 m, die Gebäudebreite beträgt etwa 42 m und die Gebäudelänge beträgt etwa 46,5 m. Ausgesteift wird das Bauwerk über einen Stahlbetonkern, in dem sich sechs Aufzüge, vier Stiegenhäuser, Lagerräume, Gänge, sowie Schächte für die Haustechnik befinden. Die Zwischendecken liegen in allen Geschossen, abgesehen von der Decke über dem Erdgeschoss, auf Schottenwänden, die senkrecht zum Kern stehen und zusätzlich zur Aussteifung beitragen. Im Erdgeschoss sind die Schottenwände durch Stahlbetonstützen ausgewechselt. Die Zwischendecken haben im Regelgeschoss eine Dicke von 27 cm, variieren jedoch in den anderen Geschossen. Die Schottenwände haben eine Dicke von 25 bis 35 cm und die Außenwände haben eine Dicke von 25 cm ab dem Erdgeschoss. Die Außenwand springt ab inklusive des dritten Obergeschosses in den Fensterachsen erkerförmig vor, bleibt bis zum siebenten Obergeschoss regelmäßig erhalten und springt im achten Obergeschoss zurück, wodurch eine Terrasse entsteht. Der Gebäudeabschluss erfolgt über einen Holzpfettendachstuhl mit etwa acht Grad Neigung auf einer Stahlbetondecke. Die Eigenlasten orientieren sich am Eigengewicht der jeweiligen Konstruktion sowie dem Aufbaugewicht der Fußböden, welches im Regelfall in den Zimmern etwa 54 kg/m2 beträgt. Die vorhandene Nutzlast, welche maßgebend für den Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit ist, beträgt in den Zimmern der Regelgeschosse 2,80 kN/m2. Ausnahmen gibt es in den anderen Nutzungskategorien, wie exemplarisch den Gängen mit 4,00 kN/m2, den Konferenzräumen mit 4,00 kN/m2 oder der Lobby mit 5,00 kN/m2.Die Nutzlasterhöhung wird in Laststufen von je 50 kg/m2 von 0 bis 200 kg/m2 durchgeführt (siehe Abschnitt 4). Dargestellt sind die resultierenden Auslastungen der Bauteile im Nachweisformat des Eurocode 2, sowie die auftretenden Schnittkräfte und Verformungen. Die Auswertung der Nutzlasterhöhung hat ergeben, dass das Gebäude durchaus über hohe Kapazitätsreserven verfügt (siehe Abschnitt 5). Die Erhöhung der Nutzlast muss jedoch auf manche Bereiche eingeschränkt, sowie andere Bereiche detaillierter betrachtet werden. Die Deckenplatten über dem 8. Obergeschoss können um 200 kg/m2 auf insgesamt 4,80 kN/m2 erhöht werden, ohne dass Versagen eintritt. Die Deckenplatten der Regelgeschosse (Decke über 2. OG bis 7. OG) können um bis 150 kg/m2 auf insgesamt 4,30 kN/m2 erhöht werden, bis rechnerisches Versagen in den oberen Bewehrungslagen über den Zwischenauflagern eintritt. Die Deckenplatte über dem 1. Obergeschoss ist bei bestehender Nutzlast ausreichend tragfähig, muss aber im Feldbereich der Stützen ertüchtigt werden, um eine erhöhte Nutzlast von 4,30 kN/m2 aufnehmen zu können. Die Deckenplatte über dem Erdgeschoss wird wegen der bereits hohen Nutzlast nicht weiter belastet, der Bestand wurde jedoch nachgewiesen. Die Berechnung hat ergeben, dass unter Volllast im Grenzzustand der Tragfähigkeit nicht nur eine Auslastung von 140 Prozent in der oberen Bewehrungslage über den Stützen auftritt, sondern dass es auch zum Durchstanzen einer Stütze durch die Deckenplatte kommt. Die Folge der Überlastung in der oberen Bewehrungslage über den Stützen ist das Ausbilden eines plastischen Moments und eine gleichzeitige Aktivierung der anschließenden Feldbewehrung. Da die Feldbewehrung eine Auslastung von 40 Prozent aufweist, sind genügend Tragfähigkeitskapazitäten übrig, um das erhöhte Feldmoment aufzunehmen. Die mangelnde Tragfähigkeit der Decke über dem Erdgeschoss gegen Durchstanzen resultiert hingegen aus einer fehlenden Durchstanzbewehrung. Dies erscheint aufgrund des Vorhandenseins von Durchstanzbewehrung in anderen Bauteilen als unlogisch. Es wird daher vermutet, dass die Plansammlung der Ausführungspläne nicht vollständig und eine Durchstanzbewehrung sehr wohl vorhanden ist. Um einen statischen Nachweis der Tragfähigkeit zu erbringen, ist daher eine Ortung der Durchstanzbewehrung im Bereich der versagenden Decke erforderlich. Die weiteren Bauteile wie Wände und Stützen im Erdgeschoss weisen, bei einer Nutzlasterhöhung von 200 kg/m2 auf 4,80 kN/m2 eine maximale Auslastung von 63 Prozent auf und sind deshalbausreichend tragfähig. Die zulässigen Nutzlasten sind in Abb. 5.27 ersichtlich. Daher ist eine Nutzlasterhöhung in den meisten Bereichen des Gebäudes prinzipiell möglich, Detailnachweise müssen jedoch noch erbracht werden. Alternative Nutzungen mit höherer erforderlicher Nutzlast sind somit aus statischer Sicht möglich.

The present work addresses the question of what payload reserves are possible for a hotel building constructed in the 1980s. The ecological and political background is first examined in order to explain the necessity of repurposing existing buildings. It turns out that, especially in European politics, many goals have been set and actions have been taken to establish a more climate-friendly economy (see section 2.4). These actions sometimes have a direct impact on companies in the construction industry. These include, for example, the obligations of the Climate Transition Plan, which, for companies above a certain size, include reducing CO2 emissions. Similarly, the Taxonomy Regulation, which is intended to steer capital flows towards sustainable investments, requires companies to comply with minimum safeguards in order to continue to receive investments. The European Buildings Directive also has the purpose of reducing CO2 emissions, among other things, by requiring thermal renovation and the resulting reduction in energy demand for heating and cooling. How CO2 emissions can be influenced and reduced is explained in the 2.3 section. The basis for this is the life cycle assessment, which shows how much CO2 is bound in a building in order to derive more climate-friendly building materials from it. Furthermore, with the help of a material building pass, in combination with a life cycle analysis, the life cycle of building materials can be optimized and these can be recycled at the end of their life cycle. The result is a lower consumption of resources, with a smaller carbon footprint. In the next step, a building from the period of construction is analyzed in terms of materials, structures and loads (see section 3). The building, used as a hotel with parking garage in the basement, was built in reinforced concrete construction and has three basement floors and eleven upper floors. The total height from the ground to the ridge is about 36 m, the width of the building is about 42 m and the length is about 46.5 m. The structure is braced by a reinforced concrete core containing six elevators, four staircases, storage rooms, corridors and shafts for building services. The intermediate ceilings on all floors, except for the ceiling above the ground floor, rest on cross walls perpendicular to the core, which additionally contribute to the bracing. On the ground floor, the cross walls are replaced by reinforced concrete columns. The intermediate ceilings have a thickness of 27 cm on the standard floor, but vary on the other floors. The cross walls are between 25 and 35 cm thick and the external walls are 25 cm thick from the ground floor upwards. From the third floor upwards, the external wall projects in a bay-like manner at the window axes, remains regular up to the seventh floor and then recedes on the eighth floor, forming a terrace. The building is completed by a timber roof structure with an inclination of about eight degrees on a reinforced concrete ceiling. The dead loads are based on the weight of the construction and the weight of the floors, which is usually about 54 kg/m2 in the rooms. The existing imposed load, which is decisive for the verification in the ultimate limit state, is 2.80 kN/m2 in the rooms of the standard floors. There are exceptions in the other use categories, such as the corridors with 4.00 kN/m2, the conference rooms with 4.00 kN/m2 or the lobby with 5.00 kN/m2. The increase in the imposed load is carried out in load increments of 50 kg/m2 from 0 to 200 kg/m2 (see section 4). The resulting utilization of the components in the format of Eurocode 2 is shown, as well as the occurring internal forces and deformations. The evaluation of the payload increase shows that the building has high capacity reserves (see section 5). However, the increase in the payload must be restricted to some areas, and other areas must be examined in more detail. The floor slabs above the 8th floor can be increased by 200 kg/m2 to a total of 4.80 kN/m2 without failure occurring. The floor slabs of the standard floors (floor above the 2nd floor to the 7th floor) can be increased by up to 150 kg/m2 to a total of 4.30 kN/m2 before failure occurs in the upper reinforcement layers above the intermediate supports. The floor slab above the first floor has sufficient load-bearing capacity with the existing payload, but it must be reinforced in the area of the columns in order to be able to withstand an increased payload of 4.30 kN/m2. The floor slab above the ground floor will not be further loaded due to the already high payload, but the existing structure has been verified. On the one hand, the calculation has shown that under full load, a utilization of 140 percent occurs in the upper reinforcement layer above the columns. On the other hand, the column will punch through.The consequence of the overloading is the formation of a plastic mechanism and a simultaneous activation of the adjoining field reinforcement. Since the field reinforcement has a utilization of 40 percent, there is sufficient load-bearing capacity capacity left to absorb the increased field moment. The lack of load-bearing capacity of the ceiling above the ground floor against punching through the ceiling, results from a lack of reinforcement. This seems illogical given the presence of punching shear reinforcement in other components. It is therefore suspected that the collection of as-built drawings is not complete and that punching shear reinforcement is indeed present. In order to provide static proof of load-bearing capacity, it is therefore necessary to locate the punching shear reinforcement in the area of the failing ceiling. The other components, such as the walls and columns on the ground floor, show a maximum utilization of 63 percent with an increase in the payload from 200 kg/m2 to 4.80 kN/m2, and therefore have sufficient load-bearing capacity. The permissible payloads can be seen in figure 5.27. Therefore, an increase in the payload is possible in most areas of the building and thus makes it possible to allow other uses.