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2013 | Buch

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Stahlbau

Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten

verfasst von: Uni.-Prof. i. R. Christian Petersen

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Theorie und Konstruktion der wichtigsten Bereiche der Stahlbautechnik werden von den Grundlagen her entwickelt und durch viele Beispiele praxisbezogen erläutert. Das Buch ist aus Vorlesungen im Grund- und Vertiefungsstudium des Bauingenieurwesens entstanden. Der Inhalt wird zum Teil systematisch, zum Teil exemplarisch dargestellt. Für Konstrukteure und Statiker in den technischen Büros, der Beratenden Ingenieure und der Prüfämter enthält das Buch aufbereitete Berechnungsverfahren und Konstruktionsvorschläge in großer Zahl. Die 4. Auflage wurde vollständig überarbeitet und der aktuellen Normung angepasst.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Werkstoff Stahl – Werkstoffeigenschaften – Werkstoffprüfung

Zusammenfassung

Die Eisen- und Stahlindustrie ist mit ihren Hütten und Walzwerken eine der ältesten Industriebranchen. Rohstoffe sind Kohle, Koks, Erze und Schrott. Die deutschen Hütten führen jährlich ca. 40 Mio. Tonnen Erze ein, überwiegend aus Brasilien (56%), Kanada (16%) und Schweden (11%). Die Produktion ist energieaufwändig. Die Produktivität konnte bei der Rohstahlerzeugung in den letzten 50 Jahren bedeutend gesteigert werden: 1960 wurden ca. 80 Tonnen, 2010 ca. 500 Tonnen je Beschäftigter produziert, mit 450000 Beschäftigten im Jahre 1960 und 90000 im Jahre 2010. – Gefertigt und weiterverarbeitet werden Grund-, Qualitäts- und Edelstähle in großer Mannigfaltigkeit. Im Stahlbau wird überwiegend Baustahl, zunehmend auch Feinkornbaustahl mit höherer Festigkeit, eingesetzt.

Christian Petersen

2. Elasto-statischer Festigkeitsnachweis

Zusammenfassung

Unter äußeren Einwirkungen, wie Lasten und Temperaturänderungen, entstehen in den Bauteilen Normal- und Schubspannungen. Bei den im Stahlbau vorherrschenden stabförmigen Bauteilen dominieren die Spannungen in Stablängsrichtung, die Spannungen σ_z quer dazu sind vergleichsweise gering und werden i. a. nicht gesondert nachgewiesen. Ausnahmen bilden Orte mit konzentrierten Einzellasten (z. B. unter Kranlaufrädern). Die Resultierenden der Spannungen werden zu Normalkräften, Biegemomenten, Querkräften und Torsionsmomenten zusammengefasst. – Das Auftreten der Spannungen geht mit Verzerrungen einher; die Stäbe erleiden Verformungen (Verlängerungen/Verkürzungen, Durchbiegungen, Drillungen).

Christian Petersen

3. Elasto-statische Berechnung der Stabtragwerke (Grundzüge)

Zusammenfassung

a) Baukonstruktionen sind – im Gegensatz zu den freien (mobilen) Konstruktionen des Land-, See- und Luftverkehrs -ortsfeste (d.h. gelagerte) Konstruktionen. Im Hochbau sind die maßgebenden Lasten vorrangig ruhender, im Kran- und Brückenbau vorrangig beweglicher Natur. Entwurf, Berechnung und Bemessung der Tragwerke sind Gegenstand des Konstruktiven Ingenieurbaues; das geschieht im Rahmen des Tragsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweises. Grundlage hiefür bilden (im weitesten Sinne) die Methoden der Baumechanik. Treten infolge der äußeren Einwirkungen nur statische Reaktionen (ohne Trägheitswirkungen) auf, werden die Stütz- und Schnittgrößen und die Formänderungen nach den Methoden der Baustatik berechnet [1-4], im anderen Faile, d.h. bei Schwingungs- und Stoßbeanspruchungen, nach den Methoden der Baudynamik [5].

Christian Petersen

4. Plasto-statische Berechnung der Stabtragwerke (Grundzüge)

Zusammenfassung

Bild 1 zeigt das idealisierte Spannungs-Dehnungsdiagramm eines Baustahles mit ausgeprägtem Fließvermögen.

Christian Petersen

5. Stabilitätsnachweise (Knicken – Kippen – Beulen)

Zusammenfassung

Unter dem Begriff'Instabilität' werden Versagensformen wie Knicken, Kippen und Beulen verstanden. Instabilitätsgefahr besteht, wenn Stäbe, Träger, Platten oder Schalen auf Druck beansprucht werden (Bild 1): Unter einer ganz bestimmten Belastungsintensität wird der Gleichgewichtszustand instabil, d.h. die Struktur knickt, kippt, beult; das Gleichgewicht'verzweigt'. Allgemeiner ist der Fall, dass sich der zentrischen Druckbeanspruchung eine Biegebeanspruchung überlagert. Werden in diesem Falle im Rahmen einer statischen Berechnung die Schnittgrößen des Tragwerkes unter Berücksichtigung der Verformungen bestimmt, d.h., werden die Gleichgewichtsgleichungen nicht am unverformten Tragwerk (wie in der klassischen Statik Theorie I. Ordnung), sondern am verformten Tragwerk erfüllt, so spricht man von Theorie II.

Christian Petersen

6. Verbindungstechnik I: Schweißverbindungen

Zusammenfassung

Unter Schweißen versteht man die innige Verbindung von Bauteilen durch örtliche Wärmezufuhr und Aufschmelzung. Bei den meisten Schweißverfahren wird ein Zusatzwerkstoff zugeschmolzen. Ein Schweißverfahren ist dann als gut zu bewerten, wenn die Trag- und Verformungsfähigkeit des Bauteiles als Ganzes, des Grundmaterials in der Warmeeinflusszone und in der Schweißnaht selbst, dieselben Werte wie der ungeschweißte Werkstoff aufweisen; d. h., wenn keine Minderung der mechanischen Eigenschaften beim Schweißen eintritt. Das ist eine strenge Forderung; sie lässt sich aufgrund des hohen Entwicklungsstandes der Schweißtechnik heutigentags weitgehend erfüllen.

Christian Petersen

7. Verbindungstechnik II: Schrauben- und Nietverbindungen

Zusammenfassung

Die bis in die zwanziger Jahre des 20. Jhs. nahezu ausschließlich eingesetzte Niettechnik wurde seither praktisch vollständig durch die Techniken des Schweißens und Schraubens verdrängt. Ein beträchtlicher Teil der heute noch bestehenden Hoch- und Brückenbauten wurde in Nietbauweise ausgeführt; die Niettechnik wird daher in die nachfolgende Darstellung mit aufgenommen. – Niete und Schrauben werden aus speziellen Stählen gefertigt. – Schraubenverbindungen zählen im Gegensatz zu den Nietverbindungen zu den lösbaren Verbindungen. – Die Entwicklung hochfester Schrauben hat die Technik der Schraubenverbindung im Maschinen- und Stahlbau stark beeinflusst und zu ganz neuen Verbindungsformen geführt.

Christian Petersen

8. Verbindungstechnik III: Bolzenverbindungen mit Augenlaschen

Christian Petersen

9. Verbindungstechnik IV: Sondertechniken

Zusammenfassung

Im konstruktiven Stahlbau kommen vorwiegend die in den vorangegangenen Abschnitten behandelten Verbindungstechniken Schweißen, Schrauben und Augenstäbe mit Bolzen zum Einsatz. Darüber hinaus gibt es eine gröere Zahl von Sondertechniken, die für spezielle Anwendungen entwickelt wurden. Dabei ist zwischen solchen zu unterscheiden, die nur zur Heftung bzw. Festhalterung dienen und solchen, die planmäßig eine tragende Funktion übernehmen. Sofern sich letztgenannte nach den bauaufsichtlich eingeführten Regelwerken nicht ausbilden und bemessen lassen, bedarf es eines vom Deutschen Institut für Bautechnik in Berlin (DIBt) erteilten Zulassungsbescheides, der nach Beratungen im zuständigen Sachverständigenausschuss und Eignungsversuchen dem Antragsteller ausgehändigt wird. Existiert keine derartige allgem. bauaufsichtliche Zulassung (oder kein Prüfzeichen), ist um eine Zulassung im Einzelfall bei jener untersten Baubehörde einzugeben, in deren Zuständigkeit die Baumaßnahme fällt.

Christian Petersen

10. Ausgewählte Kapitel aus dem Stahlhochbau

Zusammenfassung

Stahlbau ist seiner Natur nach Fertigteilbau; das gilt insbesondere im Zusammenwirken mit anderen Gewerken, z. B. des Ausbau. Die Bauteile des Tragwerkes werden in der Stahlbauanstalt 'millimetergenau' gefertigt und anschlie'end montiert. Planen und Bauen mit vorgefertigten Bauteilen ist nur möglich, wenn eine verbindliche Maßordnung eingehalten wird, das gilt sowohl für die Bauteile der tragenden Primärkonstruktion wie für die Bauteile der raumabschließenden Sekundärkonstruktion.

Christian Petersen

11. Stahlleichtbau

Zusammenfassung

Der Anwendungsbereich des Stahlleichtbaues ist nicht genau definiert. Gemeint ist hier die Verwendung von leichten dünnwandigen Bauteilen aus Stahl (insbesondere von Trapezprofilen und Kaltprofilen). Unter 'Stahlleichtbau' versteht man darüber hinaus auch das Bauen von leichten Strukturen, z. B. von Raumfachwerken oder Seilwerken. Unter 'Leichtbau' versteht man das Bauen mit Aluminiumlegierungen (DIN 4113) und faserverstärkten Kunststoffen. – Ziel des Stahlleichtbaues ist die Minimierung des Materialeinsatzes. Wegen der Dünnwandigkeit der Bauteile (im mm – Bereich) verliert die technische Biegetheorie z. T. ihre Gültigkeit. Eine wirtschaftliche Dimensionierung gelingt nur, wenn in den unter Druck oder Biegedruck stehenden Bereichen, 'überkritisches' Tragverhalten, d. h. unter Gebrauchslasten ein Tragen in ausgebeultem Zustand, zugelassen wird. (Diese Bemessungspraxis ist im Flugzeugbau seit Jahrzehnten üblich.) Darüber hinaus erfordern dünnwandige Konstruktionen besondere Verbindungstechniken. Verständlicherweise hat ein wirkungsvoller Korrosionsschutz für die dünnwandigen Blechkonstruktionen hinsichtlich Gebrauchs- und Tragsicherheit große Bedeutung.

Christian Petersen

12. Seile und Seilwerke

Zusammenfassung

Seildraht wird aus unlegierten, beruhigt vergossenen Kohlenstoff-Stählen nach DIN EN 10016-1,3,4:1994/95 hergestellt. Die Kohlenstoff-Stähle haben einen C-Gehalt zwischen 0,5% bis 0,9% (i. a. zwischen 0,7% bis 0,8%), worauf u. a. deren hohe Festigkeit beruht. Bei den C-Stählen werden folgende Fertigungsstadien unterschieden: Halbzeug (Knüppel) → Warmwalzen bis herunter auf 6 bis 8 mm Durchmesser und Wärmebehandlung. Letztere besteht aus dem sogen. Patentieren, d. h. Glühen des Stahles oberhalb derAC ₃ – Linie (somit bei ca. 800°C) und anschließendem Abschrecken im Bleibad (ca. 560°C) mit nachfolgendem (langsamen) Abkühlen an der Luft.

Christian Petersen

13. Türme und Maste

Zusammenfassung

Türme sind freistehende hohe Bauwerke. Sie dienen, wie Maste, den unterschiedlichsten Zwecken. Türme aus Stahl werden i.A. in ausgefachter Bauweise erstellt, es handelt sich dann um Raumfachwerke. Durch die Ausfachung wird zweierlei erreicht: Zum einen fällt das Eigengewicht niedriger als bei vollwandiger Ausführung aus, zum anderen (und das ist entscheidender) ist die Windangriffsfläche geringer als bei einer Vollwandkonstruktion. Wind bei Orkanlage ist der maßgebende Lastfall; daher zielt jede Optimierung bei der baulichen Ausbildung darauf hinaus, die Windlast zu reduzieren. Global betrachtet handelt es sich bei Türmen um statisch bestimmte Freiträger; das Raumfachwerk ist i.a. innerlich statisch-unbestimmt. – Maste sind wie Türme äußerlich statisch bestimmt. Unter Masten versteht man im üblichen Sprachgebrauch frei auskragende Strukturen (geringerer Höhe), entweder auf dem Terrain oder z.B. auf einem massiven Fernsehturm errichtet, um Fernsehantennen aufzunehmen (Bild 1c). In solchen Fällen ist der stählerne Schaft vielfach von einem Eisschutzzylinder umhüllt. Solche Zylinder werden heutzutage auch als selbsttragende Zylinder in Glasfaserkonstruktion (GFK) ausgeführt.

Christian Petersen

14. Stahlschornsteine

Christian Petersen

15. Ausgewählte Kapitel aus dem Stahlbrückenbau

Zusammenfassung

Eine Brücke gliedert sich in den Überbau, bestehend aus Fahrbahn, Querträgern, Hauptträgern und Verbänden, und in den Unterbau, bestehend aus den Widerlagern und Pfeilern. Zwischen Über- und Unterbau liegen die Lager und Übergangskonstruktionen. Bild 1 vermittelt einen schematischen Überblick.

Christian Petersen

16. Elasto-statische Biegetheorie, insbesondere für dünnwandige Stäbe

Zusammenfassung

Die Voraussetzung der Dünnwandigkeit wird von den Trägerquerschnitten des Stahlbaues i.A. gut erfüllt. Dieser Umstand erlaubt eine weitgehend explizite Aufbereitung der elasto-statischen Biegetheorie dünnwandiger Stäbe; das gilt gleichfalls für die Torsionstheorie (Abschn. 17).

Christian Petersen

17. Elasto-statische Torsionstheorie, insbesondere für dünnwandige Stäbe

Zusammenfassung

Wie in Abschnitt 16.1 erwähnt, haben Stahlbauprofile (bedingt durch den Herstellungsprozess: Warmwalzen, Kaltprofilieren) einen dünnwandigen offenen Querschnitt (Bild 1a). Ausnahmen bilden die mittels Walztechnik hergestellten Rund- und Rechteckrohre, sie zählen zu den geschlossenen Querschnitten. Die (geschlossenen) Kastenquerschnitte werden unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Fügetechniken (Schweißen, Schrauben) gefertigt. Hierbei werden ein- und mehrzellige und gemischt offengeschlossene Querschnitte unterschieden. Vollquerschnitte treten im Stahlbau seltener auf, eher im Maschinenbau (Teilbild b). Im Massivbau und Holzbau stellen dickwandige Querschnitte den Regelfall dar.

Christian Petersen

18. Anstrengungs- und Bruchtheorie

Zusammenfassung

Ziel jeder analytischen und experimentellen Festigkeitsuntersuchung ist es, den Beanspruchungszustand in der tragenden Konstruktion zu bestimmen, um auf dieser Grundlage den Tragsicherheitsnachweis führen zu können. Unter dem Begriff Beanspruchung versteht man die Gesamtheit aller Spannungs- und Verzerrungszustände, insonderheit jener, die für das Versagen maßgebend sind. Die Beanspruchung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, erstens aus den Eigenspannungen und zweitens aus den Lastspannungen. Eigenspannungen werden in Stahlkonstruktionen vorrangig beim thermischen Schneiden und Schweißen induziert; von geringerer Größenordnung sind die Walz- und Richteigenspannungen (vgl. Abschnitt 6.5.1). Lastspannungen werden durch äußere Einwirkungen geweckt, einschl. Temperatur-, Kriech- und Schwindwirkungen. Die äußeren Einwirkungen sind entweder statischer oder dynamischer Natur. Größe und Verteilung der Eigenspannungen bleiben i.A. unbekannt. Größe und Verteilung der Lastspannungen lassen sich relativ genau bestimmen. Die infolge metallurgischer oder konstruktiver Inhomogenitäten verursachten (Kerb-) Spannungsspitzen werden im Regelfall nicht bestimmt, ausgenommen in der Bruchmechanik (Abschnitt 18.5).

Christian Petersen

Backmatter

Titel: Stahlbau
verfasst von: Uni.-Prof. i. R. Christian Petersen
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-8348-8610-1
Print ISBN: 978-3-528-38837-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-8610-1