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2020 | Book

Geschweißte Vollwandträger Read chapter Read first chapter

Stahlbau 2

Authors: Prof. Dr. Wolfram Lohse, Prof. Dr. Jörg Laumann, Prof. Dr. Christian Wolf

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Das zweibändige Standardwerk liefert umfassend kompaktes Grundlagenwissen zum Thema Stahlbau.

Der 2. Teil des zweibändigen Werkes „Stahlbau“ wurde stark überarbeitet und erweitert. Bei der Überarbeitung wurden die Inhalte den neuen Erkenntnissen der Technik angepasst, die sich unter anderem in den 2012 bauaufsichtlich eingeführten EUROCODES wiederspiegeln. Diese sind nun - in jeweils aktueller Fassung - durchgängig Grundlage aller Ausführungen dieses Buches. So, wie die Normung in Ihrem Umfang zugenommen hat, wurden auch die Inhalte des Buches zum Teil stark erweitert, der bewährte Aufbau aber weitgehend beibehalten.

Neben der Anpassung an den aktuellen Stand der Technik ging es den neu hinzugekommenen Verfassern, Prof. Laumann und Prof. Wolf, bei der Überarbeitung vor allem auch darum, noch stärker als bisher die Prinzipien und Methoden zu vermitteln und zu erläutern, die für das Verständnis und die Lösung von baupraktischen Problemstellungen notwendig sind.

Table of Contents

Frontmatter
1. Geschweißte Vollwandträger
Zusammenfassung
Geschweißte Vollwandträger (Blechträger) werden aus Blechen und Breitflachstählen sowie Teilen von Walzprofilen zusammengesetzt (s. Abb. 1.1 und 1.2). Gegenüber den Walzträgern haben sie den Vorteil, dass man die Querschnittsabmessungen nach statischen, konstruktiven und räumlichen Erfordernissen frei wählen kann und nicht eng an ein festliegendes Walzprogramm gebunden ist. Auch in ästhetischer Hinsicht lassen sich solche Träger günstig in ein architektonisches Gesamtkonzept einplanen. Sie werden demgemäß verwendet, wennKostenersparnisse erzielt man bei Blechträgern durch geringere Materialpreise für Bleche und Breitflachstähle, durch einen allgemein geringeren Materialeinsatz, insbesondere bei den dünneren Trägerstegen, und durch eine mögliche Abstufung der Gurte oder Trägerhöhe entsprechend dem Schnittkraftverlauf \(M_{\mathrm{y}}\), \(V_{\mathrm{z}}\) (s. Abb. 1.4 und 1.5). Diesen Kosteneinsparungen sind die Kosten für das Brennen, Schneiden und Verschweißen der Einzelteile gegenüberzustellen. Eine wirtschaftliche Fertigung ist i. d. R. nur durch den Einsatz von Schweißautomaten (mit Mehrfachschweißköpfen) möglich.
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
2. Beulen ebener Rechteckplatten
Zusammenfassung
Ebene, dünnwandige Platten, bei denen die Blechdicke \(t\) wesentlich kleiner ist als die Flächengeometrie \(a\times b\), unterliegen bei Druck- und/oder Schubbeanspruchung in Blechmittelebene der Gefahr des Beulens: Bei Erreichen einer kritischen Beanspruchung geht die anfänglich ideal ebene Platte in eine doppelt gekrümmte Fläche über, Abb. 2.1a. Im ausgebeulten Zustand treten zu den reinen Membranspannungen aus \({\sigma}\) und/oder \(\tau\) u. a. noch Spannungen aus den Plattenbiegemomenten hinzu. Mit der Ausbeulung verbunden sind Spannungsumlagerungen aus Bereichen großer Beulen in die steiferen (ebenen) Randbereiche, Abb. 2.1c.
Die Grenztragfähigkeit solcher beulgefährdeten Bleche hängt von einer Vielzahl von Parametern ab, insbesondere auch von unvermeidbaren Vorbeulen, die aus dem reinen Stabilitätsproblem mit Gleichgewichtsverzweigung ein Spannungsproblem (ohne Gleichgewichtsverzweigung) machen. Aus diesen, aber auch noch anderen Gründen ist die Ableitung von Nachweisverfahren zur Gewährleistung ausreichender Tragsicherheit nur unter Zuhilfenahme experimenteller Ergebnisse möglich. Dabei leistet die klassische lineare Beultheorie dennoch gute Dienste, da mit ihrer Hilfe wesentliche Aussagen hinsichtlich einer Beulgefährdung getroffen werden können.
Beulgefährdete Bleche können z. B. Querschnittsteile von Biegeträgern ohne oder mit Normalkraft bzw. von Druckstäben sein, wobei der Einfluss ausgebeulter Querschnittsteile auf die Tragfähigkeit des Gesamtbauteils unterschiedlich zu bewerten ist.
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
3. Fachwerke
Zusammenfassung
Fachwerke als Träger oder sonstige Tragkonstruktionen haben nach wie vor eine große Bedeutung und werden eingesetzt, wenn
  • große Stützweiten frei zu überspannen oder
  • örtlich hohe Einzellasten abzuleiten sind,
  • gewichtssparend zu konstruieren ist oder
  • ästhetische Gesichtspunkte der Architektur eine filigrane Tragkonstruktion erfordern.
Sie werden daher vorzugsweise eingesetzt als
  • Haupt- und Nebenträger des Hoch- und Brückenbaus (s. Abb. 3.1a, b)
  • Horizontal- und Vertikalverbände von Tragwerken zur Ableitung von Wind- und Seitenkräften
  • bzw. zur Stabilisierung von Biegeträgern und Rahmenriegeln (s. Abb. 3.1c)
  • Vergitterung von Druckstäben (Stützen) im Mast- und Turmbau (s. Abb. 3.1d).
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
4. Kranbahnen
Zusammenfassung
Kranbahnträger als fest verbundener Bestandteil einer baulichen Anlage (Halle, Freianlage …) sind die Fahrwege von Kranen und unterliegen daher den bauaufsichtlich eingeführten Bestimmungen (z. B. Landesbauordnung – LBO), d. h. den einschlägigen DIN-Vorschriften und sonstiger Richtlinien. Die Krananlage selbst dient zum Heben und Fördern von Lasten (Fördertechnik) und ist nicht baugenehmigungspflichtig. Ihre „Abnahme“ fällt in den Zuständigkeitsbereich der hierfür anerkannten Sachverständigen, welche durch die Berufsgenossenschaften (Unfallverhütungsvorschriften) oder die Technischen Überwachungsvereine (TÜV) bestellt werden. Siehe hierzu auch [24].
Bereits hier wird erkennbar, dass die Kranbahnträger wegen der unterschiedlichen Zuständigkeiten eine Sonderstellung einnehmen im allgemeinen Trägerbau.
Da bei der Planung der baulichen Anlage sehr häufig zuverlässige Daten über die letztendlich eingesetzten (herstellerspezifischen) Krane noch nicht vorhanden sind, ist eine frühzeitige Abstimmung der notwendigen „Annahmen“ dringend erforderlich. Dies trifft insbesondere für ein- oder mehrschiffige Hallen zu, bei denen gleichzeitig mehrere Krane betrieblich genutzt werden sollen. Für Regelfälle können Angaben der maßgebenden Norm (aktuell DIN EN 1993-6 [5] und DIN EN 1991-3 [1], früher DIN 4132 [11] in Kombination mit DIN 15018 [12]) entnommen werden; aber auch diese Regelungen bedürfen einer sorgfältigen Überprüfung auf der Grundlage betrieblicher Bedingungen, die der Betreiber der Krananlage festlegen muss.
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
5. Dauerfestigkeit und Betriebsfestigkeit
Zusammenfassung
Eine Reihe von Tragwerken, wie z. B. Krane, Kranbahnen, Straßen- und Eisenbahnbrücken aber auch Maschinen, Fahrzeuge, Flugzeuge etc. unterliegen während ihrer Nutzungsdauer sich häufig ändernden Einwirkungen (Belastungen), sowohl in Größe als auch in zeitlicher Folge; sie sind daher „nicht vorwiegend ruhend“ beansprucht. Für solche Tragwerke muss neben den bekannten Festigkeitsnachweisen (für die „als ruhend“ unterstellten Einwirkungen) und den Stabilitätsnachweisen die Betriebssicherheit unter Berücksichtigung der häufigen Lastwechsel nachgewiesen werden. Dies erfolgt über die sogenannten Betriebsfestigkeitsnachweise (Ermüdungsnachweise), die im deutschen Normenwesen noch in den einschlägigen Fach- bzw. Anwendungsnormen (z. B. DIN 4132 [11], 15018 [10]) geregelt waren, während der Eurocode 3 einen separaten Teil mit DIN EN 1993-1-9 und zugehörigen NA enthält. Zusätzlich enthalten die Eurocode-Teile zu speziellen Bauteilen, wie z. B. DIN EN 1993-6 (Kranbahnen) [18] oder DIN EN 1993-2 (Stahlbrücken), weitere Angaben zu den Ermüdungsnachweisen. Zum besseren Verständnis der geforderten Nachweise wird in den zwei folgenden Abschnitten auf die notwendigen Grundlagen eingegangen. Mit deren Kenntnis lassen sich auch die wesentlichen Grundsätze einer ermüdungsgerechten Gestaltung, insbesondere der Schweißkonstruktionen, ableiten. Eine detaillierte Behandlung der Ermüdungsproblematik kann der einschlägigen Literatur [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41], entnommen werden. Tabellenwerte finden sich z. B. in [27].
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
6. Rahmentragwerke
Zusammenfassung
Rahmentragwerke finden im Stahlbau vielfach Anwendung wie die Beispiele aus dem Hochbau (s. Abb. 6.1) und dem Brückenbau (s. Abb. 6.2) verdeutlichen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass die horizontal (oder schräg) liegenden Rahmenriegel mit den vertikal (oder geneigt) angeordneten Stielen biegesteif verbunden werden. Dadurch sind Rahmen in der Lage, neben vertikalen auch horizontale Lasten abzutragen und können zur Aussteifung von Tragwerken dienen. Vielfach und insbesondere im Industriehochbau (Apparategerüste) werden auch Mischsysteme mit teilweiser Stabilisierung in Rahmenebene über Verbände ausgeführt (vgl. Abb. 6.1c).
Der wesentliche Unterschied zwischen Rahmen und einfachen Träger-Stützenkonstruktionen liegt in der biegesteifen Gestaltung der Trägeranschlüsse an die Stützen (\(=\) Rahmenecken, s. Abschn. 6.4). Dadurch sind Rahmen in der Lage, außer vertikalen Lasten auch horizontale Belastungen in der Rahmenebene wie z. B. infolge Wind oder Kranseitenlasten abzutragen.
Zum anderen führt die biegesteife Verbindung und die damit einhergehende elastische Einspannung der Riegel in die Stiele dazu, dass sich die maximale Momentenbeanspruchung der Riegel verringert, sodass diese mit kleineren Profilen und somit wirtschaftlicher ausgeführt werden können (s. Abb. 6.3b). Die Durchbiegung der Riegel ist wegen der entlastenden Wirkung der aus den lotrechten Lasten hervorgerufenen negativen Einspannmomente ebenfalls geringer als bei gelenkigem Anschluss. Dadurch können auch größere Stützenabstände als bei einfachen Trägerkonstruktionen wirtschaftlich ausgeführt werden.
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
7. Stahlleichtbau – kaltgeformte dünnwandige Bauteile
Zusammenfassung
In Kap. 2 wurde bereits ausführlich die Phänomene des Plattenbeulens erläutert. Hier waren die Grundlagen ebene Platten mit Abmessungen von mindestens 3 mm Plattenstärke, die auf der Basis von DIN EN 1993-1-5 bemessen werden können. Eine weitere im Stahlbau häufig verwendete Bauart ist der Stahlleichtbau. Hierbei werden dünne Flachbleche durch Kaltverformung (Kanten der Bleche) in quasi beliebige Formen gebracht, siehe Abb. 7.1. Durch die Kantungen wird die Tragfähigkeit deutlich erhöht, sodass statt des wenig belastbaren Flachblechs große Tragfähigkeiten erreicht werden können. Hierbei werden i. d. R. Blechtstärken von 0,5 bis 3 mm verwendet. Typische Anwendungsgebiete sind u. a.Gemäß DIN EN 1993-1-3/NA wird die Kernblechdicke \(t_{\mathrm{cor}}\) für folgende Grenzen definiert:
$$\displaystyle 0{,}45\,\mathrm{mm}\leq t_{\mathrm{cor}}\leq 3\,\mathrm{mm}$$
(7.1)
Typische Dachkonstruktionen sind in Abb. 7.2 dargestellt. In Abb. 7.2a wird ein Trapezblech angeordnet mit oberseitiger Dämmung und Abklebung. Das Trapezblech wird dabei in der Regel als Durchlaufträger ausgebildet und spannt von Hallenbinder zu Hallenbinder. Alternativ ist in Abb. 7.2b eine Dachkonstruktion mit Z-Pfetten und oberseitigem Sandwichelement dargestellt. In diesem Fall spannt das die Dacheindeckung in Dachneigung und liegt auf den Pfetten auf. Diese tragen dann in der Regel als Koppelpfettensystem die Lasten zu den Bindern ab.
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
8. Stahlverbundbauweise im Hochbau
Zusammenfassung
Der Stahlverbundbau ist ca. 60 Jahre alt und hat sich in den letzten drei Jahrzehnten neben den vier klassischen Bauweisen in Holz, Mauerwerk/Steine, Beton/Stahlbeton und in Stahl als jüngster Bauweise im Hochbau fest etabliert. Fast noch stärker gilt dies auch für den Brückenbau, auf den in diesem Kapitel aber nicht näher eingegangen wird. Im Hochbau findet der Verbundbau vorzugsweise Anwendung im Skelettbau (Geschoss- und Industriebau, Parkhausbau), d. h. bei Träger- und Stützenkonstruktionen bzw. Decken. Dabei vereinigt die Bauweise die Vorteile der beiden eingesetzten Materialien Stahl und Beton durch Ausnutzung ihrer spezifischen Werkstoffeigenschaften:
Stahl ist ein homogener, ideal-elastisch/plastischer Werkstoff mit zeit- und alterungsunabhängigen Festigkeitseigenschaften, die allerdings bei Einwirkung hoher Temperaturen (z. B. im Brandfall) relativ rasch verloren gehen. Aufgrund der hohen Festigkeiten ist ein geringer Materialeinsatz möglich.
Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf
Backmatter
Metadata
Title
Stahlbau 2
Authors
Prof. Dr. Wolfram Lohse
Prof. Dr. Jörg Laumann
Prof. Dr. Christian Wolf
Copyright Year
2020
Electronic ISBN
978-3-8348-2116-4
Print ISBN
978-3-8348-1511-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2116-4