Entwurf von Stahlbaukonstruktionen – Arten, Nuancen, Vorteile

Die Definition der Stahlbaukonstruktion

Wenn es um Gebäudetypen geht, ist es naheliegend, von vornherein den zukunftssichersten Typ zu wählen. Daher ist die Stahlbaukonstruktion der Gebäudetyp, den Sie suchen, denn sie ist leistungsfähiger als alle anderen möglichen Gebäudetypen – Beton, Holz und so weiter.

Stahl selbst ist eine Legierung aus zwei Materialarten – Kohlenstoff und Eisen. Durch die Zugabe von Schwefel, Chrom, Nickel, Phosphor, Mangan usw. in geringen Mengen kann dem Stahl besondere Eigenschaften verliehen werden. Auf diese Weise können mehrere verschiedene Stahlsorten hergestellt werden. Zum Beispiel:

• Durch den Zusatz von Kupfer wird die Korrosionsbeständigkeit von Stahl verbessert;
• Eine höhere Streck- und Zugfestigkeit kann durch die Zugabe von Mangan und Kohlenstoff erreicht werden, allerdings gibt es auch zwei Nachteile: Das Endergebnis ist schwieriger zu schweißen und hat eine geringere Duktilität (die Fähigkeit des Metalls, sich durch Ziehen zu dehnen, ohne zu brechen);
• Sowohl die Korrosions- als auch die Hochtemperaturbeständigkeit können durch die Zugabe von Nickel und Chrom erhöht werden;
• Die Ermüdungsfestigkeit und die Schweißbarkeit können durch Zugabe von Schwefel und Phosphor verbessert werden.

Der Stahlbau ist seinem Wesen nach ein Bauwerk, das aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten besteht, wobei jede Komponente aus Baustahl gefertigt wird. Baustahl hingegen ist ein Konstruktionsmaterial auf Stahlbasis, das in einer bestimmten Form und Zusammensetzung hergestellt wird, um die erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen.

Es gibt eine riesige Auswahl an verschiedenen Stahlprofilen, die als Teile einer Stahlbaukonstruktion verwendet werden können, mit unterschiedlichen Formen, Größen und mehr. Einige der häufigsten Formen, die als Stahlbaukonstruktionsmaterial verwendet werden, sind:

• Winkel – ein Querschnitt in Form eines Buchstabens “L”
• Blatt – ein dünnes, flaches Metallstück, in der Regel 6 mm dick oder weniger
• Platte – eine dickere Variante eines Blattes, dicker als ein Viertel Zoll
• HSS/SHS – Struktureller Hohlquerschnitt oder struktureller Hohlquerschnitt ist eine Form, die kreisförmige, rechteckige, elliptische und quadratische Profile umfasst.
• I-Strahl – ein Querschnitt in Form des Buchstabens „I“; ein weit gefasster Begriff, der je nach Land unterschiedliche Arten von Trägern umfasst:
  • In Europa – eine Vielzahl von Abschnitten, wie HL, IPE, HD, HE usw.
  • In den USA – H-Profile, W-Formen, etc.
  • In Großbritannien – hauptsächlich UCs und UBs (Universal Columns und Universal Beams)

• Struktureller Kanal – C-Querschnitte/C-Träger

• Stab – ein langes und relativ dünnes Stahlstück
• Z-Form – ein halber Flansch in verschiedenen Richtungen, der mit seiner Gelassenheit dem Buchstaben „Z“ sehr ähnlich ist
• Tee – einen Querschnitt in Form des Buchstabens „T“
• Schienenprofil – eine asymmetrische Variante des I-Trägers, umfasst mindestens vier verschiedene Varianten:
  • Vignoles-Schiene
  • Rillenschiene
  • Eisenbahnschiene
  • Geflanschte T-Schiene

Während einige dieser Variationen durch das Zusammenschweißen von gebogenen oder flachen Blechen hergestellt werden, werden die meisten der oben genannten Beispiele entweder mit heißen oder kalten Rollen – Durchführen von Metallmaterial durch Walzenpaare, um die Dicke des Materials zu verringern.

Richtig gebaut, soll diese Struktur eine völlig starre Verhütung bieten, die in der Lage ist, große Gewichte zu tragen. Einige der Gebäudetypen, für die derzeit Stahlbaukonstruktionen verwendet werden, sind Brücken, Türme, Rohrgestelle, Hochhäuser, Industriegebäude, Infrastrukturelemente und vieles mehr.

Vorteile und Nachteile

Wie jede andere Art von Gebäude haben auch Stahlbaukonstruktionen ihre eigenen Probleme und Vorteile. Zunächst einmal sind die Vorteile von Stahlbaukonstruktionen recht zahlreich:

• Stahlbaukonstruktionen haben alle Vorteile der Massenproduktion und der Vorfertigung, mit einigen Ausnahmen;
• Die Verstärkung von Stahlbaukonstruktionen zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft ist eine Möglichkeit, die zu einer verlängerten Lebensdauer beiträgt;
• Duktilität – eine Eigenschaft von Stahl, sich plastisch zu verformen, bevor er vollständig versagt, was die Festigkeitsreserven verbessert;
• Große Ermüdungsfestigkeit;
• Die Gesamtbaugeschwindigkeit bei der Verwendung von Stahlbaukonstruktionen ist beeindruckend hoch, wodurch die Ausgaben, die Sie normalerweise bei langwierigen Bauarbeiten haben, verringert werden können;
• Stahl hat im Allgemeinen ein beeindruckendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, so dass die Konstruktionen selbst im Vergleich zu der Menge an Gewicht, die sie tragen können, relativ leicht sind;
• Viele Stahleigenschaften können mit relativ hoher Genauigkeit vorhergesagt werden, was die Berechnung potenzieller Spannungsniveaus und anderer wichtiger Kriterien erheblich erleichtert.

Natürlich gäbe es keinen Markt mit einer Vielzahl von Möglichkeiten, wenn eine für alles perfekt geeignet wäre. So haben Stahlbaukonstruktionen auch ihre eigenen potenziellen Nachteile, wie z. B.:

• Die Feuerfestmachung von Stahlbaukonstruktionen ist eine Notwendigkeit, da starke Hitze die Gesamtfestigkeit von Stahl drastisch verringern kann;
• Korrosion ist auch ein massiver Faktor, wenn es um Stahl im Allgemeinen geht, und Stahlbaukonstruktionen sind von dieser Regel nicht ausgenommen – vor allem, wenn solche Konstruktionen Wasser und Luft ausgesetzt sind (vor allem bei Brücken), weshalb eine regelmäßige Wartung und Korrosionsbehandlung erforderlich ist;
• Stahlbaukonstruktionen sind oft teurer als andere Konstruktionsarten, was sie für kleinere Projekte mit begrenztem Budget weniger attraktiv macht.

Arten von Stahlbaukonstruktionen in Form von Gebäuden

Es gibt viele verschiedene Beispiele für Stahlbaukonstruktionen, die wir oben aufgeführt haben – und alle lassen sich in vier Haupttypen von Konstruktionen einteilen. Jede dieser Strukturen hat ihre eigene Herangehensweise an den Bau und eignet sich nur für bestimmte Arten von Stahlbaukonstruktionen. Diese vier Konstruktionsarten von Stahlbaukonstruktionen sind:

• Portalrahmen. Ein Portalrahmen ist eine weit verbreitete Art von Stahlbaukonstruktion, die sich nur auf Profilstahl, Stahlrohre und C/Z-Stahl stützt, um der Kraft der gesamten Struktur standzuhalten. Er wird häufig für viele verschiedene Gebäudetypen verwendet, sei es für industrielle, landwirtschaftliche, institutionelle oder kommerzielle Zwecke – obwohl das populärste Beispiel wohl die normale Lagerhalle ist, die in vielen verschiedenen Ländern auf der ganzen Welt üblich ist.
• Stahlgitter. Im Allgemeinen ist ein Raster eine räumliche Struktur, die aus mehreren Stäben besteht, die in einer bestimmten Form miteinander verbunden sind. Es gibt viele Arten von Gittern und auch viele verschiedene Normen für sie. Sie sind sehr steif und bieten eine hohe seismische Widerstandsfähigkeit, was sie perfekt für Hangars, Ausstellungshallen, Sporthallen usw. macht.
• Gebäuderahmen aus Stahl. Ein weiterer beliebter Konstruktionstyp, der meist für verschiedene mehrstöckige Gebäude verwendet wird, ist der Stahlskelettbau, der aus Stützen und Trägern besteht, die Strukturen bilden, die sowohl vertikalem als auch horizontalem Druck standhalten. Er wird häufig für Hochhäuser, Geschäftsräume, Konferenzgebäude usw. verwendet.
• Stahlbinder. Die Fachwerkkonstruktion besteht aus mehreren Stäben, die an jedem Ende eines Stabes angelenkt sind. Sie benötigt weniger Stahl als herkömmliche Stahlbaukonstruktionen, wiegt weniger und kann mehr Kraft aushalten – deshalb wird sie häufig für Brücken, Dächer, Turmkorridore, Fernsehtürme, Ölplattformen usw. verwendet.

Entwurf von Stahlbaukonstruktionen

Wie bei jedem Bauwerk mittlerer Größe aus einem beliebigen Material müssen in der Entwurfsphase zahlreiche Berechnungen durchgeführt werden, damit das betreffende Gebäude nicht unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht. Bei Stahlbaukonstruktionen gibt es zwei Hauptansätze für den Entwurf von Stahlbaukonstruktionen (manchmal auch als Entwurfsphilosophie bezeichnet):

• Entwurf von Last- und Widerstandsfaktoren (LRFD, auch Limit State Design – LSD genannt);
• Allowable Strength Design (ASD).

Aus der Sicht der Konstruktion gibt es bestimmte Bedingungen, die theoretisch auf Stahlbaukonstruktionen angewendet werden können, nämlich Grenzzustände. Die Grenzzustand stellt einen Punkt dar, ab dem ein Bauteil oder eine ganze Stahlbaukonstruktion nicht mehr in der Lage ist, den Zweck zu erfüllen, für den sie geschaffen wurde.

Es gibt viele verschiedene Beispiele für Grenzzustände, die das Bauwerk in irgendeiner Weise beschädigen können, so dass es für eine künftige Nutzung nicht mehr zur Verfügung steht – und auch dies muss bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden, abgesehen von dem allgemeinen kosmetischen Ansatz bei der Bauwerksgestaltung.

Einige Beispiele für Grenzzustände sind Rissbildung, Torsion, Ermüdung, Scherung, Biegung, Knickung und so weiter. Um all diese potenziellen Probleme auf einmal anzugehen, wurde ein spezieller Ansatz für die Konstruktion von Stahlbaukonstruktionen entwickelt, der LRFD – Load and Resistance Factor Design.

Dabei handelt es sich um eine Methode der Bautechnik, bei der anhand von Grenzzuständen potenzielle Probleme analysiert und Strukturen geschaffen werden, die diesen Problemen weitaus länger standhalten können als zuvor. Diese Methode berücksichtigt sowohl die Widerstandsfähigkeit als auch die Variabilität der Belastung und erreicht für die meisten Grenzzustände ein ziemlich hohes Sicherheitsniveau.

Wenn Ihnen das LRFD-Konzept zu komplex erscheint, gibt es eine Alternative namens ASD – Allowable Stress Design. Dabei handelt es sich um einen relativ einfachen Ansatz für die Gebäudesicherheit, bei dem die Berechnungen meist auf einem linearen elastischen Verhalten des betreffenden Materials – in unserem Fall Stahl – basieren. Er basiert meist auf Erfahrungen mit dem Material und umfasst nur zwei große Faktoren – die potenzielle Höchstlast einer Struktur und einen linearen Sicherheitsfaktor.

Bei einem direkten Vergleich zwischen ASD und LRFD für die Bemessung von Stahlbaukonstruktionen wäre ASD die einfachere, aber ungenauere Variante, während LRFD zwar komplexer, aber auch zuverlässiger in seinen Berechnungen ist. Außerdem berücksichtigt LRFD bei der Bemessung weitaus mehr Faktoren, wie z. B. unterschiedliche Werte für Verkehrslasten und Eigenlasten, die bei ASD überhaupt nicht unterschiedlich berechnet werden.

Schlussfolgerung

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