Bauen mit Stahl: Grundlagen, Details, Beispiele 9783955530198, 9783920034164

Table of contents :
Einführung
Beispiel A - Halle
Übersicht
Tragwerk / Hülle
Details M 1:20
Beispiel B - Erweiterung
Übersicht
Tragwerk / Hülle
Details M 1:20
Tragwerksentwurf
Tragwerksentwicklung / Stahlherstellung
Mechanische Eigenschaften
Tragsysteme, Tragelemente
Raster, Geometrische Ordnung
Transport und Montage
Fügen und Verbinden
Einführung
Verbindungsmittel
Stützen / Träger
Stützenfuß / Verbindung Stütze - Träger
Verbände
Beispiele
Halbzeuge aus Stahl
Langerzeugnisse (Profile)
Flacherzeugnisse (Bleche)
Roste, Gitter, Gewebe
Seile / Zugstabsysteme
Korrosionsschutz, Brandschutz, Bauphysik
Korrosionsschutz
Brandschutz, Wärmeschutz, Schallschutz
Ausgeführte Stahlbauten
Übersicht
Wohnhaus in Oldenburg
Spannbandbrücke in der Via Mala Schlucht
Dachaufbau in Stuttgart
Wohnhaus mit Praxisräumen in Saulgau
Mensa und Casino in Dresden
Umnutzung Tiefstollenhalle in Peißenberg
Wohnhaus in Dornbirn
Dokumentationshaus Hinzert
Anhang
Tabellen
Normen/Richtlinien, Literatur
Verbände/Informationsstellen
Herstellerverzeichnis
Bildnachweis

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∂ Praxis

Bauen mit Stahl Details Grundlagen Beispiele

Alexander Reichel Peter Ackermann Alexander Hentschel Anette Hochberg

Edition Detail

∂ Praxis

Bauen mit Stahl Details Grundlagen Beispiele

Alexander Reichel Peter Ackermann Alexander Hentschel Anette Hochberg

Edition Detail

Autoren: Alexander Reichel, Dipl.-Ing. Architekt, Kassel Alexander Hentschel, Dr.-Ing., Nürnberg Peter Ackermann, Dipl.-Ing. Architekt, München Anette Hochberg, Dipl.-Ing. Architektin, Griesheim Projektleitung: Andrea Wiegelmann, Dipl.-Ing. Redaktion: Nicola Kollmann, Dipl.-Ing. (FH), Christina Schulz, Dipl.-Ing. Architektin Zeichnungen: Silvia Hollmann, Claudia Hupfloher, Nicola Kollmann, Elisabeth Krammer, Daniel Hajduk, Andrea Saiko, Dirk Hennig, Gerald Schnell © 2006 Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München Ein Fachbuch aus der Redaktion DETAIL

ISBN-10: 3-920034-16-3 ISBN-13: 978-3-920034-16-4 Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff. Alle Rechte vorbehalten, einschließlich das des auszugsweisen Abdrucks, der Übersetzung, der fotomechanischen Wiedergabe und der Mikrokopie. Die Übernahme des Inhalts und der Darstellungen, ganz oder teilweise, in Datenbanken und Expertensysteme, ist untersagt.

DTP & Produktion: Peter Gensmantel, Andrea Linke, Roswitha Siegler, Simone Soesters Druck: Rapp-Druck GmbH, Flintsbach a. Inn 1. Auflage 2006 3250 Stück

Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Sonnenstraße 17, D-80331 München Telefon: +49/89/38 16 20-0 Telefax: +49/89/39 86 70 www.detail.de

∂ Praxis Bauen mit Stahl

Inhalt

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Einführung

8 10 12

Beispiel A – Halle Übersicht Tragwerk / Hülle Details M 1:20

20 22 24

Beispiel B – Erweiterung Übersicht Tragwerk / Hülle Details M 1:20

30 31 33 34 42 43

Tragwerksentwurf Tragwerksentwicklung / Stahlherstellung Mechanische Eigenschaften Tragsysteme, Tragelemente Raster, Geometrische Ordnung Transport und Montage

45 46 48 52 54 56

Fügen und Verbinden Einführung Verbindungsmittel Stützen / Träger Stützenfuß / Verbindung Stütze – Träger Verbände Beispiele

65 68 73 76

Halbzeuge aus Stahl Langerzeugnisse (Profile) Flacherzeugnisse (Bleche) Roste, Gitter, Gewebe Seile / Zugstabsysteme

79 84

Korrosionsschutz, Brandschutz, Bauphysik Korrosionsschutz Brandschutz, Wärmeschutz, Schallschutz

87 88 90 92 94 96 98 100 102

Ausgeführte Stahlbauten Übersicht Wohnhaus in Oldenburg Spannbandbrücke in der Via Mala Schlucht Dachaufbau in Stuttgart Wohnhaus mit Praxisräumen in Saulgau Mensa und Casino in Dresden Umnutzung Tiefstollenhalle in Peißenberg Wohnhaus in Dornbirn Dokumentationshaus Hinzert

104 109 110 111 112

Anhang Tabellen Normen/Richtlinien, Literatur Verbände/Informationsstellen Herstellerverzeichnis Bildnachweis

Einführung Alexander Reichel

Stahlbau, Stahlprofile und Stahlbleche sind ein fester Bestandteil im Hochbau. Das Bauen mit Stahl – trotz der Vielfalt seiner Aspekte – in einer knappen und präzisen Übersicht darzustellen ist Ziel dieses Bandes aus der Reihe Detail Praxis. Dabei sollen hier nicht die spektakulären und rekordverdächtigen Anwendungen im Mittelpunkt stehen, sondern Techniken und Lösungen für gut gestaltete, angemessene und gebrauchstaugliche Alltagsarchitektur. Das Buch gliedert sich dazu in vier Hauptbestandteile, die durch ausgeführte Stahlbauten, Tabellen und Register ergänzt werden. Die Reihenfolge der Kapitel reicht vom komplexen angewandten Projektbeispiel über die Fügung und Ordnung des Tragwerks und seiner Konstruktion bis hin zu den einzelnen Produkten und Halbzeugen des Baumaterials Stahl. Zunächst werden exemplarisch zwei typische Bauvorhaben in Stahlbauweise mit ihren spezifischen Details vorgestellt. Konstruktion und Gestalt, Tragwerk und Hülle sind in einer Zeichnung zusammengefasst und entsprechen den üblichen Ausführungsdetails der Architekten.

und Tabellen sowie durch Nachweise zum schnellen und übersichtlichen Verständnis. Die Auswahl an Strukturen und Oberflächen, die Filigranität und Profilierung der Tragstruktur, aber auch die Ordnung und Präzision der Fügungen kennzeichnen den Stahlbau und ergeben den architektonischen und sinnlichen Reiz von Stahlkonstruktionen. Die Eigenschaften des Materials lassen dabei zunächst alle formalen Freiheiten zu, was die Vielzahl der gestalterisch unterschiedlichen Bauten belegt. Aufgrund der Schnelligkeit während der Montage, der großen wirtschaftlichen Spannweiten und der relativen Leichtigkeit und Flexibilität der Konstruktion ist Stahl ein Baustoff der Industrie. Die Zunahme von Sanierungen und die geänderten Ansprüche an räumliche Vorstellungen eröffnen dem Stahlbau jedoch weitere Anwendungsmöglichkeiten. Die gemeinsame planerische Disziplin von Architekten und Ingenieuren vermag dabei die Qualitäten des Materials zur Geltung zu bringen und die Vielfalt der Konstruktionen und Halbzeuge in gestalterische Bahnen zu lenken.

Im zweiten Teil wird den Tragwerksprinzipien und der Aussteifung der Konstruktionselemente im Stahlbau nachgegangen. Darauf folgen Grundprinzipien gestalterischer Fügungslogik einzelner Konstruktionselemente ergänzt durch realisierte Beispiele. Im Anschluss sind die wichtigsten Profile und Halbzeuge, ausgewählt und sortiert, vorgestellt. Dieser Teil wird ergänzt durch kurze Darstellungen der technischen Kennwerte Korrosions-, Brand-, Wärmeund Schallschutz. Abgerundet wird der Einstieg in den Stahlbau durch ausgeführte Stahlbauten, die die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten aufzeigen, 7

Beispiel A Halle

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18/19

17

12 17

15

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Übersicht Details M 1:20

12 13 14 15 16 17 18 19

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Vertikalschnitt Metallfassade Rahmenecke und -fußpunkt Vertikalschnitt Geschossdecke Vertikalschnitt Glasfassade Horizontalschnitt Metall- und Glasfassade Verbunddecke, Fensterbänder Lichtkuppel Sektionaltor Falttor

Beispiel A Halle

Die Anforderungen an Herstellungs- und Montageschnelligkeit, an flexible Nutzung und Umrüstung sowie an die Wirtschaftlichkeit führen bei weitgespannten Industriehallen häufig zu Stahltragwerken.

aa

b

a

a

b

bb

Beispiel A zeigt daher eine Halle, die als Handwerkerwerkstatt, Lager, Verkaufsoder Produktionsstätte verwendet werden könnte. Der Grundstückszuschnitt entspricht denen in Gewerbegebieten, er ermöglicht Zu- und Abfahrt aber auch eine Umfahrt. Das Gebäude ist als kompakter Baukörper angelegt, der innerhalb einer Hülle unterschiedliche Raumqualitäten bietet. Im vorderen Bereich sind Empfang und Ausstellung sowie die Aufenthaltsräume und Umkleiden der Mitarbeiter untergebracht. Im Obergeschoss liegen zusätzlich Büroarbeitsplätze, die direkte Kommunikation in die Halle erlauben. Die große stützenfreie Werkfläche endet in einer überdachten An- und Auslieferungsfläche. Form und Größe einer Halle können im Stahlbau in den Dimensionen nahezu unbeschränkt gewählt werden. Typologisch werden sie eingeteilt u. a. nach der Anzahl der Hallenschiffe, nach der Dachform, nach den Einbauten, nach Kranbahnen und Regalanlagen. Die hier vorgestellte Halle ist eine einschiffige Standardhalle ohne Kranbahn mit einer Zwischenbühne zur Aufnahme der Büroräume. Das Achsraster der Tragkonstruktion entspricht dabei üblichen Dimensionen, im Beispiel 5 m, die sich unter Abwägung der Ausbaumaße als wirtschaftlich herausgestellt haben. Dabei wird zwischen der Decken- und Trägerhöhe und zwischen den freien Blechspannweiten und Montagemöglichkeiten abgewogen. Die Werkhalle ist üblicherweise als kalte Halle ausgebildet, die im Gegensatz zu den Büroflächen gering beheizt wird (ca. 16 °C). Die Hallengrundfläche ist ein wichtiges Kriterium zur Anwendung unterschiedlicher Vorschriften. So werden beispielsweise Hallen bis 200 m2 in der Industriebaurichtlinie bzw. der DIN 18230 mit einfacheren Forderungen zum Brandschutz belegt. In den Beispielen wird vor allem das Zusammenwirken von Tragwerk, Ausbauteilen, Hülle und gestaltender Idee aufgezeigt. Dabei wird erläutert, wie sich aus einem Stahltragwerk ein Gebäude mit einer ansprechenden Hülle entwickelt, das die Fügungslogik und klare Geometrie des Stahlbaus herausarbeitet.

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Beispiel A Tragwerk

Die Gestalt eines Stahlbaus wird im Wesentlichen durch zwei Hauptmerkmale, das Tragwerk und die Hülle bestimmt. Stahlbauten gehören aufgrund ihrer aufgelösten Tragstruktur überwiegend zu den Skelettbauten. Das Tragwerk eines Gebäudes setzt sich zusammen aus der Gründung mit den Fundamenten, aus Stützen, Trägern, Rahmen, Bogen oder Seilen als Traggerüst und der jeweiligen Aussteifung. Ein Tragwerk muss in mindestens drei Richtungen stabil sein. Vertikal müssen Eigengewicht, Wind, Schnee und Verkehrslasten aufgenommen werden, horizontal belasten Kräfte aus Wind, aus Kranbahnen und auch Anpralllasten das Gebäude. Bei Industriehallen ist die Gefahr des Anpralls (durch Fahrzeuge oder Kranbahnen) aufgrund der Nutzung wesentlich größer als im herkömmlichen Hochbau. Der Anprallschutz kann entweder durch eine stärkere Bemessung des Tragwerks oder durch eine unabhängige Konstruktion zur Abwehr der Anpralllasten gewährleistet werden.

e

d

Das Traggerüst gliedert sich in der Regel in die Hauptkonstruktion, das so genannte Primärtragwerk, und die Nebenkonstruktion, das Sekundärtragwerk. In diesem Beispiel bilden die Rahmen und die Kragkonstruktion des Vordachs die Primärkonstruktion, das Trapezblech das Sekundärtragwerk. Auf das Traggerüst wird häufig die Unterkonstruktion der Hülle aufgebracht, die in diesem Fall synergetisch die Nebenkonstruktion darstellt (die Trapezblechscharen spannen frei zwischen den Haupttraggliedern).

c

Die Vertikal- und Horizontallasten werden über die Rahmen abgeleitet. Die Aussteifung erfolgt über Dachverbände, hier gekreuzte Diagonalen, in Wandverbände und von dort in das Fundament. Die aussteifende Wirkung wird über Traufriegel und Druckstäbe an die benachbarten Rahmen übertragen. Rahmenkonstruktionen gehören aufgrund der einfachen Herstellung und Montage bei geringen bis mittleren Spannweiten zu den wirtschaftlichen Tragwerken und werden vielfach eingesetzt, können aber nicht jede Form bilden. Die Bodenplatte bildet zusammen mit Fundament und Frostschürzen die Gründung. Die Fundamente leiten die Last aus den Rahmen in den Baugrund. 10

b

a

a b c d e

Fundamente und Frostschürze Bodenplatte Primärtragwerk Rahmen Primärtragwerk Kragkonstruktion Vordach Aussteifung mit Traufriegeln, Druckstäben und Verbänden

Beispiel A Hülle

Die Hülle der Halle bestimmt die Gestalt. Die Eingangsfassade wird als großes Schaufenster ausgebildet, die notwendigen Funktionen sind in die Gestaltung mit einbezogen. Während der Dachüberstand als Schirm die Anlieferung verdeutlicht, erzeugt die Schräge des Daches auf einfache Weise ein wirkungsvolles Gefälle für das Niederschlagswasser und erlaubt auf der Büroseite eine Zweigeschossigkeit. Das Regenwasser wird am Dachende in einer Rinne gesammelt und über Rohre, die innerhalb der Hülle liegen, abgeführt. Die Funktionen Belichtung, Belüftung und Rauch-/Wärmeabzug werden im Dach und in den Längsfassaden durch ein typisiertes Element, handelsübliche Lichtkuppeln, erfüllt. Sie stehen durch ihre markante Struktur als einfaches Werbezeichen für den Nutzer zur Verfügung. Die Rahmen des Primärtragwerks staffeln sich in der Höhe nach hinten ab, die Geschossebene wird zwischen zwei Rahmen hineingehängt, damit kann das Gebäudevolumen reduziert werden.

a

b

d c

e

f

Die Hülle besteht in der Vertikalen aus großformatigen leichten Tafeln, sogenannten Sandwichpaneelen. Mithilfe dieser Elemente kann eine Halle schnell, wirtschaftlich und ohne aufwendige Unterkonstruktion geschlossen und wärmegedämmt werden. Ungedämmte Hallenwände bestehen in der Regel aus Trapezblechen, Wellblechen oder anders profilierten Blechformaten. Soll Kondenswasser im Innern vermieden werden, verwendet man gedämmte Stahlkassetten, Sandwichelemente, oder eine hinterlüftete gedämmte Fassade. Auch mit Mauerwerk, Porenbeton oder mit Holzschalungen können Hallenwände, gedämmt und ungedämmt, geschlossen werden. Das Dach, die horizontale Hülle, ist als gedämmtes Foliendach ausgebildet. Ohne Neigung können diese Dächer auch begrünt werden. Eine Dachbegrünung bringt neben dem ökologischen und bauphysikalischen Nutzen jedoch Zusatzlasten, die sich auf Konstruktion und Kosten auswirken. Geclipste Blechabdeckungen oder Sandwichelemente sind eine wirtschaftliche Alternative. Bei diesen ist ein Mindestgefälle erforderlich. a b c d e f

Trapezblechtafeln Lichtkuppeln Sandwichpaneel mit Lichtkuppel gesamte Hülle Nebentragwerk Obergeschoss Glasfassade

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Beispiel A Vertikalschnitt Metallfassade, Rahmen

a Bei einem Rahmentragwerk werden Träger und Stütze biegesteif verbunden. Die Stütze heißt dann Stiel und der Träger Riegel. An diesem Zusammenschluss werden alle auftretenden Schnittkräfte übertragen. Die Normalkraft wird bei einem Å-Profil vom gesamten Querschnitt, die Querkraft vom Steg und die Biegung vom Flansch aufgenommen. Um das aus der Durchbiegung resultierende Moment im Riegel zu übertragen, kann dieser angevoutet werden. Dadurch entsteht ein größerer Hebelarm an den Stirnplatten und die geometrische Ordnung der Profile (gleiche Querschnittsbreite) kann beibehalten werden. Bei sehr wirtschaftlichen Anschlüssen werden häufig die Stirnplatten zur Kraftübertragung über das eigentliche Profil herausgezogen. Bei diesen pragmatischen und formal wenig überzeugenden Fügungen sind die nachgeordneten Schichten – Decke, Wärmedämmung, Abdichtung – mit besonderer Sorgfalt um diesen Punkt herum zu führen. Die einzelnen Rahmenriegel erhalten runde Aussparungen, die in den Stahl geschnitten oder gelasert werden, um die Installationsstränge besser durch die Halle zu führen. b Die Fundamente übernehmen neben den Vertikallasten auch den Horizontalschub aus dem Rahmen. In jedes Einzelfundament werden ein Hüllrohr zum Aufnehmen einer Schubknagge und Bewehrungsstähle mit aufgeschnittenem Gewinde (GewiStähle) einbetoniert. Die Schubknagge, in der Regel ein an der Fußplatte angeschweißter Profilstahl, überträgt den Horizontalschub. Die vormontierten Rahmen werden aufgestellt, mithilfe von Futterblechen in der Höhe justiert und verschraubt. Dadurch lassen sich die Fertigungstoleranzen im Betonbau ausgleichen. Stützenfuß und Hüllrohr werden mit Vergussmörtel ausgegossen. Diese im Industriebau übliche Ausführung überträgt auf wirtschaftliche Art die Lasten aus dem Rahmen in das Fundament. Optisch wirkt dieser lapidare Anschluss zwar wie eine eingespannte Stütze, es hängt aber von der Dicke und Steifigkeit der Fußplatte und vom Schraubenbild ab, ob der Fußpunkt als Einspannung oder als Gelenk gerechnet wird. Die als Betonfertigteil hergestellte Frostschürze wird auf das Fundament aufgesetzt, über einen Schubdorn in der Lage gesichert und als Schalung für die Bodenplatte verwendet. Um einen durchgehenden Anschluss des äußeren Belages zu erreichen springt der Beton der Fundamente an der Außenseite zurück. 12

a

b

Beispiel A Vertikalschnitt Geschossdecke

a Die Geschossdecke ist als Stahlbetonverbunddecke ausgebildet. Im vorgestellten Beispiel wird ein bandverzinktes und beschichtetes Schwalbenschwanzprofilblech mit Aufbeton versehen. Die Ränder werden mit Randblechen verstärkt, die gleichzeitig den Beton abschließen. Im ausbetonierten Zustand besitzen Verbundstützen und Verbunddecken durch Bewehrungszulagen eine höhere Feuerbeständigkeit als Stahl allein und müssen nicht verkleidet werden (siehe auch Seite 16). b Die Stütze der Geschossdecke ist hauptsächlich auf Druck belastet. Sie ist am Kopf- und Fußpunkt gehalten, so dass der Stützenfuß nur in seiner Lage gesichert werden muss. Einfache Befestigungen von Stahlbauteilen in Beton, wie beispielsweise Geländer, Fassadenprofile oder auch Lagesicherungen von Stützen, werden mit Dübeln, im Regelfall Hinterschnittankern ausgeführt. Bei höheren Belastungen kommen chemische Dübel (Verbund- oder Reaktionsanker) zum Einsatz, die jedoch in der Montage aufwendiger sind. Nach der Bohrung im Beton wird das Bohrloch gereinigt und mit einem Zweikomponentenharz gefüllt, in den eine Gewindestange oder ein Dübel maßgenau eingesetzt wird. Nach dem Erhärten kann das Bauteil befestigt werden. Bautoleranzen und nachträgliche Planungsänderungen können damit unter Beachtung der Randabstände und Bauteildicken ausgeglichen werden, die Montagearbeiten können ohne Unterbrechungen erfolgen.

a

b

13

Beispiel A Vertikalschnitt Glasfassade

a Um als großflächige und transparente Fläche zu erscheinen, ist die Verglasung hier als Vorhangfassade ausgeführt. Festverglasung, Öffnungsflügel, Brüstungspaneele und Sonnenschutz können in ein Bausystem integriert werden und bilden eine homogene Gebäudehülle. Diese besteht aus einer Unterkonstruktion aus Rechteckrohren, die unabhängig von der vertikalen Tragkonstruktion ausgebildet ist und lediglich an der Stirnseite von Dach, Geschossdecke und Bodenplatte befestigt wird. Werden die Gläser dabei nur auf die Unterkonstruktion geklebt und die Fugen mit Silikon geschlossen, wird die Fassade als »Structural Glazing Fassade« bezeichnet (s. S. 27). In Deutschland ist ein reines Kleben der Gläser nur bis 8 m Höhe erlaubt. Zugelassene »Ganzglasfassaden« müssen darüber zusätzlich mechanisch befestigt, beispielsweise verdeckt geschraubt werden, um einem eventuellen Versagen der Haftfähigkeit des Klebstoffes vorzubeugen.

b

a

b Da Glas aufgrund seines spröden Materialverhaltens anfällig gegen Spannungsspitzen aus Zwängungen ist, wird die Unterkonstruktion beweglich an das Tragwerk angeschlossen, um Differenz-Verformungen aufnehmen zu können. Gleitende Anschlüsse (hier am Traufpunkt) oder beweglich bleibende Langlöcher (hier an der Geschossdecke) verhindern, dass sich die zulässigen Durchbiegungen des Tragwerks auf die Glasfassade übertragen. Der Fassadenfußpunkt ist dagegen unverschieblich gelagert. c Um die Fassadenkonstruktion justieren zu können werden die Stahlprofile über konsolenartig angeordnete Stahlwinkel befestigt, die über Langlöcher während der Montage beweglich sind. Damit kann in drei Richtungen ein Toleranzausgleich erfolgen, der notwendig ist, um unterschiedliche bauliche Maßtoleranzen auszugleichen. Die Stahlprofile werden mit Kunststoffhaltern ausgestattet, so dass eine thermische Trennung der Fassade von der Unterkonstruktion erreicht wird (s. S. 27). Die Rechteckrohre ermöglichen durch ihre geschlossene Form einfache Anschlüsse der Ausbaugewerke. Dies ist mit offenem Profilstahl schwieriger, man erreicht jedoch eine differenziertere Gestalt der Unterkonstruktion.

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c

Beispiel A Horizontalschnitt Metall- und Glasfassade

a

a Die Einteilung der Sandwichpaneele soll auf das Raster des Tragwerkes abgestimmt sein. Um dieses zu erreichen muss das Tragraster ein Vielfaches der Paneelbreite sein, die in der Regel 0,90 m bis 1,10 m beträgt. Je weniger die Paneele geschnitten werden müssen, um so wirtschaftlicher ist die Herstellung.

b

d

c

b Sonderlösungen werden für den windund regendichten Anschluss der Ecke nötig. Zwei Varianten haben sich dabei herausgebildet. Die einfachste Möglichkeit ist das Aufsetzen eines Blechwinkels außen auf die 90° zulaufenden, stumpf gestoßenen Paneele. Die elegantere Lösung für die Außengestaltung stellt das Kanten eines Paneels dar. Dabei wird das Paneel nach Aufmaß im Werk eingeschnitten und gefaltet. Da die Ecken besonders starkem Winddruck unterworfen sind, muss die Unterkonstruktion in diesem Bereich verstärkt werden. Die Eckpaneele müssen in der Regel aus geometrischen und statischen Gründen verkleinert und mit einem Sonderprofil abgedichtet werden. Um die aufgeschnittene Kante vor eindringender Feuchtigkeit zu schützen, muss der Abschluss der abgelängten Paneele mit einem Klemmprofil erfolgen, das am Fuß- und Traufpunkt gehalten wird. Sämtliche Fugen der Sandwichfassade müssen konvektions- und diffusionsdicht ausgeführt werden, um der heutigen Energieeinsparverordnung zu genügen. c Sowohl die Paneelwände als auch die Glasfassade benötigen eine Unterkonstruktion, um die Lasten aus Wind, Eigengewicht und Anprall abzutragen. Beim Anschluss der Glasfasade ergibt sich dabei eine ähnliche Schattenfugenlösung wie bei der Metallfassade. Die Glasfassade muss winddicht, aber beweglich gelagert angebracht werden. d In »Ganzglasfassaden« können Öffnungsflügel integriert werden. Sie sind von außen planeben und nahezu unsichtbar, da Rahmen- und Flügelprofil von den aufgeklebten Glasscheiben überdeckt werden. Standardmäßig öffnen sich die Flügel nach außen.

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Beispiel A Verbunddecke, Fensterbänder

a Stahlverbunddecken verbessern den Brandschutz und können mit Stahltrapezdecken oder schwalbenschwanzähnlichen Profilblechen ausgeführt werden. Die Blechtafeln dienen dabei als Schalung und Zugbewehrung der Deckenplatte. Gleichzeitig bilden sie eine fertige Untersicht und können Installationsträger aufnehmen. Je nach Spannweite muss das Blech während der Betonierarbeiten noch unterstützt werden. Der Verbund mit den Hauptträgern erfolgt über Kopfbolzendübel, die auf dem oberen Flansch fest verschweißt sind. Stahlverbunddecken benötigen eine bauaufsichtliche Zulassung, die Stahltrapezprofile sind in der DIN 18807 genormt. b Fenster und Lichtkuppeln dienen der Belichtung, Belüftung und Entrauchung der Halle. Vor allem bei großen Gebäudevolumen reicht der Anteil der üblichen Fensterflächen nicht aus. Die Anforderungen sind in verschiedenen Vorschriften wie der DIN 18232, der Industriebaurichtlinie und der DIN 5034, Beleuchtung am Arbeitsplatz, geregelt. So genannte RWA-Anlagen, RauchWärme-Abzugsanlagen, werden benötigt um den lebensbedrohlichen Brandrauch abzuführen. Bei einem Brand werden die RWA-Öffnungen mithilfe elektromotorischer oder pneumatischer Antriebe geöffnet. Die Lichtkuppeln (s. S. 17) können im Normalfall auch manuell geöffnet werden. Für den Luftabzug müssen Nachströmöffnungen, beispielsweise in den Fassaden, vorgesehen werden. c Obwohl im vorgestellten Projekt die Lichtkuppeln für ausreichende Belichtung und Belüftung sorgen, sind hier beispielhaft Schnitt und Grundriss einer Industrieverglasung aufgezeigt. Für die nicht beheizten Bereiche einer Halle reichen einfache Verglasungsmöglichkeiten für die Belichtung. Statt aufwendiger Fensterelemente können transluzente Profilbaugläser verwendet werden, alkalische Gussgläser in U-Form, die im maschinellen Walzverfahren hergestellt werden. Um hinauszusehen, wie für jeden Arbeitsplatz von der Abeitsstättenrichtlinie empfohlen, oder um zu belüften, können standardisierte Öffnungsflügel eingesetzt werden. Der bauphysikalische Nachteil des eingeschränkten Wärmeschutzes kann aufgrund der allgemeinen Situation vernachlässigt werden. 16

a

c

b

b Grundriss Fensterband Profilglas c Schnitt Fensterband Profilglas

Beispiel A Lichtkuppel

a

b

a Lichtkuppeln und ihre Öffnungssysteme müssen als RWA, d. h. Rauch-WärmeAbzugsanlagen, zugelassen sein. Die Anzahl und Größe der Öffnungen muss bezogen auf die Grundfläche der jeweiligen Halle berechnet werden. Dabei ist der so genannte aerodynamische Querschnitt eine Kennzahl für den Luftdurchlass. Dieser Kennwert unterscheidet sich geringfügig von den normalen Luftwechselraten. Bei einer Projektierung nach der Industriebaurichtlinie kann bei Hallen von 200 m2 bis 1600 m2 mit RWA-Flächen von ca. 2 % der Grundfläche gerechnet werden. Bei der vorgestellten Halle, deren Entrauchungsfläche ca. 250 m2 groß ist, reicht daher die Öffnung des Anliefertores aus, so dass die Kuppeln nur zur Belichtung und Belüftung dienen müssen. Somit sind alle Lichtkuppeln, auch runde, unabhängig vom Zulassungsgrad verwendbar. b Die Lichtkuppel im Dach wird mithilfe eines wärmegedämmten Aufsatzkranzes aus Kunststoff montiert, der bei Bedarf mit einem Lüfterrahmen versehen werden kann. Im Bereich des Kranzes sollte die Wärmedämmung druckfest ausgeführt werden. Das Trapezblech wird an dieser Stelle ausgeschnitten und – sollte die Profilierung nicht genügend Eigensteifigkeit bieten – mit einem Längswechsel, einem statisch nachgewiesenen Stahlprofil, verstärkt. Als unterer Abschluss wird ein standardisiertes Einfassprofil vorgesehen.

c

c Während das Einsetzen im Dach standardisiert erfolgt, ist der Einbau in der Wand ein Sonderdetail. Hierbei zeigt sich aber der Vorteil des Stahlbaus, da auch komplexe Vorgänge einfach gelöst werden können. Die Sandwichpaneele können vor Ort oder im Werk getrennt und über einen Profilrahmen (Wechsel) zusammengefügt werden. Die Standardlichtkuppel wird über ein Montageblech, das werkseitig in das Sandwich eingeklebt ist, angeschlossen. Durch die Überschuppung der Bleche ist die Wand vor Niederschlagswasser geschützt. Seitlich wird ein gekantetes Blech vorgefertigt und mit einem Dichtungsband versehen eingeklemmt.

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Beispiel A Sektionaltor

a Wesentlicher Bestandteil jeder Industriehalle ist eine große, gut nutzbare Öffnung, die dem Anliefern und Abholen von Waren und Material dient. Die Anforderungen aus Wind, Gewicht und Bewegung bedingen ein aufwendiges Nebentragsystem, das frühzeitig in die Planung integriert werden muss, um eine einheitliche Gestaltung zu erzielen. In der Regel werden vier Torarten unterschieden: • Falttore • Schiebetore, Hubtore • Sektionaltore • Rolltore.

c

Kriterien für die Auswahl sind die Größe der Öffnung, die Schnelligkeit des Zugriffs, der Platzbedarf und der Öffnungsmechanismus der Torflügel. Bei einfachen Hallenbauten wird häufig auf das Sektionaltor zurückgegriffen, da es bei kleinen und mittleren Größen wirtschaftlich und schnellaufend ist (H ≈ B bis zu 7 m ≈ 8 m). Bei größeren Öffnungen können Schiebeoder Falttore verwendet werden. Den geringsten Platzbedarf im geöffneten Zustand bieten Rolltore, deren aufgerollte Einzelelemente im Sturzbereich über der Öffnung liegen. Die ein- oder doppelwandigen, gelenkig miteinander verbundenen Profile sind durch so genannte Endschuhe gegen seitliches Verschieben geschützt. Hauptsächlich werden sie bei schmalen und hohen Öffnungen verwendet, aber auch Breiten bis zu 25 m sind möglich. b Sektionaltore bestehen aus wenigen quergespannten Elementen, die durch Scharniere miteinander verbunden sind und auch aus wärmedämmenden Sandwichpaneelen hergestellt sein können. Die gekoppelten Elemente werden in einer Schiene elektrisch oder manuell unter die Hallendecke geschoben. Den Gewichtsausgleich übernehmen Torsionsfedern im Sturzbereich, bei kleineren Toren auch Zugfedern. Der Platzbedarf entspricht dem von Rolltoren, die Einschubtiefe ist etwas länger. Auch einzelne Schlupftüren können innerhalb des gesamten Tores ausgebildet werden. c Um Luftzirkulation im Trapezblech am Fassadenanschluss zu vermeiden, werden Profil- oder Sickenfüller verwendet. Diese bestehen aus Hartschaumleisten, die von oben und unten in die Sicken gelegt werden. Ein angeschraubtes Zahnblech dient als Abdeckung und Insektenschutz. 18

a

b

Beispiel A Falttor

a

b

a Falttore lassen sich durch eine umlaufende Zargenkonstruktion gut einbauen, können als Sandwichpaneele oder mit Verglasungen ausgeführt werden und sollten quetschungssichere Dichtungen besitzen. Durch die Rollenführung können auch mehrflügelige Anlagen manuell bewegt werden. Bei sehr großen Öffnungen, beispielsweise bei Flugzeughangars, werden Schiebetore verwendet, die in der Regel unten auf einer Rolle stehen und oben zusätzlich geführt werden, um das große Eigengewicht der Torflügel besser handhaben zu können und um keine Flügel in der Öffnung stehen zu haben. Schiebetore werden – je nach Auflagerung des Torgewichts – in untenlaufende, freitragende und obenlaufende Schiebetore eingeteilt. b Stahlfalttore sind mehrflügelige Tore mit Entlastungsrollen, deren Einzelteile sich leporelloartig nach links oder rechts, nach außen oder innen zusammenfalten lassen. Dabei muss je nach Öffnungsart der Platzbedarf der geöffneten Torblätter berücksichtigt werden. Bei breiten Toren kann dies beträchtliche Ausmaße annehmen, wodurch bei einer 90°-Faltung die lichte Breite der Öffnung verringert wird. Eine Faltung um 180° vor die Fassade ist ebenfalls möglich, aber aufwendig.

c

c Im Brandfall oder bei betrieblichem Personenverkehr ist das Öffnen des gesamten Tores zu langsam und zu aufwendig. Daher können Falt-, Schiebe-, Hub- und Sektionaltore mit einer Schlupftür ausgestattet werden. Diese Flügeltür ist in das Tor integriert und kann mit und ohne Schwelle ausgebildet werden. Ein Kontakt verhindert das Öffnen der gesamten Toranlage bei geöffneter Schlupftür. Bei Falttoren kann anstelle von Schlüpftüren der Gehflügel, auch Schlossflügel genannt, als schwellenlose Tür genutzt werden. Bei hohen Toren wird der Gehflügel dazu horizontal unterteilt. Diese Möglichkeit erzielt eine größere Durchgangsbreite als Schlupftüren und beeinträchtigt kaum die durchgängige Gestaltung des Tores. Bei der hier vorgestellten Halle wurde ein Falttor eingesetzt, da es einerseits die vertikal gerichtete Gestaltung der Sandwichpaneele aufnehmen kann und andererseits eine durchgehend bündige Ansicht der Fassade bewirkt.

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Beispiel B Erweiterung

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Übersicht Details M 1:20

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Vertikalschnitt Loggia Vertikalschnitt Glasfassade Horizontalschnitt Loggia Verglasungssysteme Horizontalschnitt Kassettenwand Vertikalschnitt Kassettenwand

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Beispiel B Erweiterung

a

b

b

a

Maßstab 1:250 a bestehendes Gebäude b Aufstockung

Eine weitere typische Aufgabe für Stahlkonstruktionen sind Erweiterungen oder Dachaufbauten bei der Sanierung und Umnutzung von bestehenden Gebäuden. Aufgrund des hohen Vorfertigungsgrades, seiner Gutmütigkeit Lasten umzuleiten und seines geringen Eigengewichtes eignet sich Stahl gut für Dachaufbauten. Dabei geht es in diesem Beispiel nicht um die dramatische Gestaltung oder pointierte Überhöhung eines alten Hauses, sondern um einen einfachen und angemessenen Umgang mit einem fiktiven Gebäude aus den fünfziger oder sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts, das nun, etwa im Rahmen einer städtebaulichen Nachverdichtung, eine Dachaufstockung erhält. Das fiktive Bestandsgebäude ist dreigeschossig mit einem Satteldach und trägt die Lasten über die Außen- und Mittelwände ab. Die Erschließung erfolgt über ein in der Mitte liegendes Treppenhaus auf der Nordseite. Die Aufstockung erfolgt über die gesamte Fläche des Geschosses und nutzt den alten Erschließungskern. Ein Aufzug ist bei vier Geschossen baurechtlich nicht notwendig, wäre jedoch für eine alten- und behindertengerechte Nutzung empfehlenswert. Das alte Satteldach, ein einfacher Holzdachstuhl, wird abgetragen und eine neue Stahlkonstruktion auf die alten tragenden Wände aufgestellt. Die Decke über dem Bestand wird als Stahlverbunddeckensystem ausgeführt, um den Anforderungen aus Brand- und Schallschutz zu genügen. Das Dach über der Aufstockung kann einfacher und leichter, als reine Stahlkonstruktion, ausgebildet werden, da über diesem Geschoss keine weiteren Aufenthaltsräume folgen. Die Fassade besteht aus raumhohen Schiebefenstern und hinterlüfteten Stahlblechkassetten, die innenseitig mit Gipskarton beplankt sind und außen eine hinterlüftete Vorsatzschale aus horizontal konturierten Blechprofilen erhalten. Der Grundriss stellt beispielhaft eine großzügige loftartige 4-Zimmer-Wohnung mit einer Dachterrasse dar. Der Gebäuderücksprung, der durch den Freibereich entsteht, bietet baurechtlich die Möglichkeit, je nach geltendem Länderrecht durch Reduzieren der Geschossfläche die Bedingungen für ein Dachgeschoss anstelle eines Vollgeschosses zu erfüllen oder bestimmte Abstandsregelungen einzuhalten. Im dargestellten Beispiel ist der Gebäuderücksprung als Loggia mit einem vertikal geführten Sonnenschutz ausgebildet, der die einheitliche und damit zurückhaltende Gestaltung der Dachaufstockung unterstützt. 21

Beispiel B Tragwerk

Die Explosionsisometrie zeigt den Zusammenhang von Auflager, Tragkonstruktion und Aussteifung am Beispiel einer Aufstockung. Die lastverteilende Schicht, das Fundament des Erweiterungsbaus, wird als Ringbalken auf das vorhandene Mauerwerk betoniert und schafft so ein gleichmäßiges Auflager für die neue Stahlkonstruktion. Das Primärtragwerk besteht aus Walzprofilen in Form einhüftiger Rahmen, die einseitig auf Pendelstützen, gebildet aus jeweils vier L-Profilen, aufgelagert sind. Jeder Rahmen steht auf einem HEADurchlaufträger, der von der Außenwand über die Mittelwand zur Außenwand spannt. Die zusätzliche Abstützung auf der Mittelwand dient der Profilminimierung und gleichmäßigen Nutzung der Tragreserven des Bestandes. Der Neubau der Geschossdecke ist hier in der Regel sinnvoll, da oberste Geschossdecken bei Altbauten meist nicht für größere Lasten vorgesehen waren, oder zwischen der letzten Etage und dem Dachstuhl erst gar keine betonierte Decke vorhanden war. Der Abstand der Trägerachsen richtet sich nach der Grenzstützweite, der maximalen Spannweite der Trapezbleche, die hier als Schalung und Sekundärtragwerk verwendet werden. Um möglichst ohne Schalungsunterstützung oder mit nur einer Absprießung pro Feld auszukommen, sollte der Trägerabstand nicht zu weit gewählt werden. Die Grenzstützweite der Trapezbleche richtet sich nach ihrer Profilhöhe, Blechstärke und Profilierung. Sie kann bis zu 5 m betragen, sinnvoll sind 2 m bis 3 m. Im Dach werden die Hauptträger und die als Nebenträger fungierenden Blechtafeln trotz des höheren Montageaufwandes in einer Ebene verlegt, um möglichst geringe Aufbauhöhen zu erhalten. Die Aussteifung des Stahltragwerks erfolgt in Gebäudelängsrichtung über liegende Verbände in der Dachebene, die direkt über dem Trapezblech angeordnet sind und ihre Lasten in die Treppenhauswände abgeben. In Querrichtung steifen die Rahmen das Dachgeschoss aus. Das Vordach der Loggia wird aus Kragträgern gebildet und ist damit Teil der eigentlichen Rahmenkonstruktion, aber über ein wärmegedämmtes Tragelement thermisch von der inneren, im »Warmen« liegenden Tragstruktur getrennt.

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Beispiel B Hülle

Durch die Hülle erhält der Dachaufbau seine äußere Gestalt. Sie ist als klare und glatte Stahlfassade ausgebildet, die den Charakter des eingesetzten Materials unterstreicht. Die Eigenart von industriellen Metallfassaden sind ihr modularer Aufbau und eine exakte Verarbeitung. Die Box wird erkennbar als neuer Baukörper auf das sanierte Gebäude aufgesetzt. Um das Bild einer geschlossenen Hülle zu erhalten wird der Sonnenschutz bei diesem Beispiel aus bündig in die Fassade integrierten Lamellen und an den Lochfenstern der Nordseite aus Schiebeläden gebildet. Die Hülle eines Skelettbaus dient als nichttragende Außenwand ausschließlich dem Raumabschluss und dem Wetterschutz. Dabei werden folgende Aufbauten unterschieden: • Einschalige nicht wärmegedämmte Wand, beispielsweise Well- oder Trapezbleche unterschiedlicher Dicke und Profilierung, die direkt auf die Unterkonstruktion montiert werden. • Einschalige wärmegedämmte Wand, die ohne Hinterlüftung aus einer Wetterhaut, Wärmedämmung und einer inneren Bekleidung besteht. Ein Beispiel für solche mehrschichtigen, einschaligen Aufbauten sind Sandwichelemente, die aus schubfest verbundenen, profilierten Stahlblechschalen mit einer innenliegenden Wärmedämmung bestehen. • Zweischalige wärmegedämmte Wand. Es gibt unterschiedliche Wandaufbauten, bei denen jedoch stets die äußere Schale, die Wetterhaut, durch eine Hinterlüftung von den übrigen Schichten getrennt ist. Die Innenschale kann aus Profilblech unterschiedlichster Ausformulierung oder aus massiven Bauteilen (nichttragendes Mauerwerk, Porenbeton) bestehen, auf die dann Wärmedämmung und die Außenschale aus Profilblech oder Blechkassetten folgen. Die konstruktive Ausbildung der Wand ist abhängig von den funktionalen Anforderungen hinsichtlich Wärme, Kälte, Schalloder Brandschutz. Bei dem dargestellten Beispiel ist eine Stahlkassettenkonstruktion mit Wärmedämmung und vorgehängten, hinterlüfteten Blechpaneelen vorgesehen.

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Beispiel B Vertikalschnitt Loggia

a Auf die bestehende Ziegelaußenwand wird ein Ringbalken betoniert, um ein gleichmäßig festes Auflager zu erhalten, die Toleranzen aus dem Abbruch auszugleichen und die Mauerwerkswände zu stabilisieren. Die breiten Å-Träger (HEA), wirtschaftliche Walzprofile mit einem breiten Querschnitt, werden dann mit Futteroder Montageblechen direkt auf den Beton höhen- und fluchtgerecht montiert und mit Dübeln in der Lage gesichert. b Auf die oberen Flansche der Profile wird Trapezblech gelegt und mit einem Randwinkel versehen, der die Stahlträger miteinander verbindet und gegen Kippen sichert. Das Trapezblech dient als verlorene Schalung (nach DIN 18867-3). Der Aufbeton erhält eine untere Bewehrung und wirkt damit wie eine Betonrippendecke. Bei ausreichender Betonüberdeckung der Bewehrung ist die Decke feuerbeständig. Die Betonplatte wirkt als aussteifende Scheibe und kann mit dem Träger in Verbundwirkung stehen. Auf den Träger aufgeschweißte Kopfbolzendübel stellen dann einen engen Verbund zwischen Träger, Bewehrung und Beton her (s. S. 16). Bei der Verbunddecke trägt der Beton sehr effizient die Drucklasten ab und bewirkt einen wirtschaftlichen und nachhaltigen Brandschutz. Auch das einzelne Trägerprofil kann bis zur Brandschutzklasse F 90 ertüchtigt werden, wenn auf die – im Beispiel vorgesehene – abgehängte Decke verzichtet werden soll. Das Stahlprofil wird beispielsweise ausbetoniert (Kammerbeton) oder mit einer dämmschichtbildenden Farbbeschichtung geschützt (bis F 90 zugelassen, siehe S. 84). Ebenso ist das Aufspritzen von einem mit Kunststofffasern versehenen Zementputz möglich. c c Um Alt und Neu ablesbar zu gestalten wird der Rücksprung der Konstruktion zur Ausbildung einer Schattenfuge genutzt. Gekantete Stahlbleche schließen das im Zuge der Baumaßnahme eingebaute Wärmedämmverbundsystem des Altbaus und den Übergang zum neuen Dachaufbau gegen Witterungseinflüsse ab. Die Befestigung erfolgt über Clipse und Nieten an der Unterkonstruktion.

24

b a

Beispiel B Vertikalschnitt Glasfassade

f

d

e

d Die Kragträger des Vordaches, das als Regen- und Sonnenschutz dient, und die eigentliche Tragkonstruktion werden über ein tragendes Wärmedämmelement verbunden. Dieses handelsübliche Sonderelement zur thermischen Trennung von Stahlprofilen ermöglicht es, den Wärmedurchgang zu minimieren und damit die Bildung von Kondenswasser zu verhindern. Der statisch durchgehende Stahlträger wird getrennt und die Enden mit Kopfplatten versehen, zwischen denen eine druckfeste Dämmung mit Gewindestäben angebracht ist, die je nach Anforderung die jeweiligen Kräfte und Momente übertragen können. Dadurch kann gestalterisch die Anmutung der offenen Stahlträger und Trapezblechuntersicht weitergeführt werden, ein aufwendiges Einpacken des Vordaches mit Wärmedämmung wird vermieden. Die dargestellte Dämmung ist lediglich als Anti-Dröhn-Schutz vor dem Niederschlagswasser und als Ausgleichsdämmung für den Dachaufbau gedacht. e Der Anschluss der Pendelstütze ist statisch gesehen ein gelenkiger Anschluss, das bedeutet, dass hier lediglich Normalkräfte, z. B. aus der Dachlast, aber keine Momente übertragen werden. Um das statische Gelenk auch gestalterisch wirksam werden zu lassen, wird die Stütze von Decke und Boden optisch abgesetzt und die Übertragung der Kräfte auf die zurückgesetzten Anschlussschwerter reduziert. f Das Dach aus tragenden Trapezblechen ist als Warmdach ausgebildet und mit einer Systemdeckung aus industriell vorgefertigten Profiltafeln versehen. Diese Tafeln, die auf sehr flachen Dächern ab 1,5° verlegt werden können, werden durch maschinelles Verbördeln auf der Baustelle formschlüssig und regendicht verbunden. Ihre Befestigung erfolgt über in die Bördel einrastende Spezialclips, die in eine auf der unteren, trittfesten Dämmlage aufgelegten Schiene aufgeclipst werden. Da diese Schienen nur punktuell auf dem tragenden Trapezblech befestigt sind, können die auftretenden Winddruck- und -sogkräfte nahezu wärmebrückenfrei an die Tragkonstruktion weitergeleitet werden. Die besondere Konstruktion von Clips und Bördelung erlaubt eine ungehinderte Ausdehnung auch von langen Profiltafeln und Dämmstärken von insgesamt bis zu 300 mm. 25

Beispiel B Horizontalschnitt Loggia

a Die Pendelstützen entlang der Glasfassade sind in jeweils vier Winkelprofile aufgelöst und wirken dadurch sehr plastisch. Die L-Profile werden über eingeschobene Bindebleche zusammengehalten. Der gelenkige Fußpunkt und das Auflager für den Träger sind ebenfalls mittels eingeschobener Bleche bzw. T-Stücke gelöst. b Entlang der Fassade ist ein Gitterrost geplant, damit die wasserführende Schicht DIN-gerecht 15 cm tiefer liegt. Diese ist gleichzeitig als Entwässerungsrinne für die Dachterrasse verwendbar, wenn das Gefälle zur Rinne hin ausgebildet wird. Rinnen entlang der Fassade und Fallrohre in Installationsschächten bedürfen besonderer Sorgfalt bei der Ausführung, um Undichtigkeiten zu vermeiden. Sie sollten daher an den Stößen wasserdicht verbunden werden (Löten, Schweißen, Kleben). Das Andichten der Folie oder Dachpappe muss auf einem festen Untergrund erfolgen, einem Paneel oder Blech, das am Fußprofil der Fassade angebracht ist. Wenn die Abdichtung an dieser Stelle nur auf die Dämmung geklebt wird, besteht die Gefahr des Durchtretens (siehe auch S. 25).

e

a

b

c

c Der Sonnenschutz besteht aus spindelförmigen Aluminiumlamellen, die beweglich gelagert sind. Sie werden über einen Parallelschieber in Gruppen zusammengefasst und können elektrisch im Winkel verstellt werden. d Aus baurechtlichen Gründen ist eine Absturzsicherung hinter dem Sonnenschutz notwendig. Diese wird am Fuß der Balkonaufkantung befestigt, da sie dort am besten eingedichtet werden kann (siehe auch S. 24). Der Terrassenbelag besteht aus einem Holzrost, der Regen und Schnee durchlässt, und einen bodenbündigen Übergang aus dem Innenraum zulässt. e Im Stahlbau sollte auf der Baustelle möglichst viel geschraubt werden, um den Korrosionschutz der fertigen Elemente nicht durch das Schweißen zu gefährden. Je einfacher die Schraubverbindungen zu erreichen sind, umso wirtschaftlicher ist die Konstruktion. Auch zur Wartung sollten die Schrauben gut erreichbar sein.

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d

Beispiel B Verglasungssysteme

Pfosten-Riegel-Fassade, Isometrie 1 Pfosten 2 Riegel 3 Füllelement, Isolierglas, Paneel, 20 – 35 mm 4 Anpressprofil 5 Abdeckprofil 6 Thermische Trennung, Kunststoffknopf 7 Neoprenedichtung 8 Verklotzung

3

1

6

a 4

b Die zur Verwendung kommenden Gläser sind meistens Mehrscheibenisoliergläser, die je nach Aufbau und Beschichtung verschiedene Funktionen wie Wärmeschutz, Brandschutz oder Sonnenschutz erfüllen können.

3

c

2 5 7

8 7

Pfosten-Riegel-Fassade mit Structural Glazing-System

b

a Transparente Vorhangfassaden werden im Stahlbau standardmäßig als PfostenRiegel-Konstruktion ausgeführt. Dabei bilden der stehende Pfosten und der liegende Riegel aus Profilstahl die Unterkonstruktion, die je nach statischen Erfordernissen dimensioniert wird. Stahlprofile können aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften auch bei größeren Spannweiten sehr schlank ausgebildet werden. Dabei kann die statische Tragfunktion entweder vom Pfosten oder vom Riegel übernommen werden. Neopreneprofile (s. S. 4 und 7), die zum Anpressen der Glasscheiben und zur Abdichtung des Glasfalzes erforderlich sind, werden in schon ausgebildeten Nuten der Unterkonstruktion befestigt.

5

c Die äußere Klemmleiste wird mittels einer Klemmschraube unter kontrolliertem Anpressdruck in den Klemmfuß verschraubt. Durch die Entkoppelung von der Stahlunterkonstruktion mithilfe von Kunststoffprofilen erfolgt die thermische Trennung der Fassade. Die Form und das Material der Deckprofile werden in unterschiedlichen Profilvarianten angeboten. Die sowohl vertikal als auch horizontal verlaufende Dichtung ist in den Kreuzungspunkten überlappend. Zur Montage eines außenliegenden Sonnenschutzes können Konsolen an den Stahlprofilen befestigt und durch die Deckleisten nach außen geführt werden. d Soll die Außenansicht der Glasfassade profillos sein, muss ein »structural glazing«System verwendet werden. Die Glasscheiben werden nicht mit Anpressleisten gehalten, sondern von Klammern, die in den Glasfalz eingreifen. Die äußere Scheibe des Mehrscheibenisolierglases hält im Wesentlichen über die Klebung des Randverbundes, wird aber je nach bauaufsichtlicher Zulassung des Systems noch punktuell mechanisch gehalten. Diese Halterungen werden dann durch die abschließende Siliconverfugung verdeckt (s. S. 14).

d

27

Beispiel B Horizontalschnitt Kassettenwand

a Um den Gegensatz zwischen geschlossener und offener Wand zu betonen ist die verglaste Gebäudeecke möglichst transparent ausgebildet: Die Gläser der Eckscheiben sind nur an drei Seiten gehalten, die vierte Seite hat einen Stufenfalz, so dass hier eine rahmenlose Ecke entsteht. Damit der Randverbund der Isolierverglasung nicht dem schädigenden UV-Licht ausgesetzt wird, ist es empfehlenswert den Randstreifen des Glases emaillieren zu lassen. Die offene Fuge wird versiegelt. b Die Grundkonstruktion der Wand bildet eine Kassettenwand. Als Kassetten werden bis zu 21 m lange U-förmige, ca. 1 mm starke Blechprofile bezeichnet, die direkt auf die Primärkonstruktion aufgebracht und mit Wärmedämmung ausgefüllt werden. Dabei spannen die ca. 0,5 bis 0,6 m hohen Stahlkassetten horizontal von Stütze zu Stütze und benötigen bei entsprechendem Abstand keine weitere Unterkonstruktion. Die Kassetten sind durch Profilierungen gegen Ausbeulen stabilisiert und haben Abkantungen zur Befestigung der äußeren Schale, die direkt mit gewindefurchenden Schrauben, Bohrschrauben oder Nieten an den Stahlkassetten befestigt wird. Zur Verbesserung des Wärmeschutzes werden Außenschale, Kassette und hier auch die Stahlunterkonstruktion durch ein Schaumstoffband thermisch entkoppelt und die Fugen zwischen den Kassetten durch Dichtungsbänder winddicht geschlossen. Im dargestellten Beispiel ist anstelle der üblichen Trapezblechbekleidung eine hinterlüftete Blechpaneelfassade und innen eine weitere Dämmschicht mit Gipskartonbeplankung vorgesehen; zur Befestigung der Stahlkassetten ist in diesem Fall eine Unterkonstruktion aus Rechteckrohren erforderlich. Kassettenwände werden der Baustoffklasse A 2 zugeordnet und erleichtern damit den Brandschutz. Gelochte Kassetten können die Schallabsorption verbessern. c Mögliche Ecklösung für eine Kassettenwand: Die Kassetten werden stumpf gestoßen, die Fugen der vorgehängten Blechpaneele mit standardisierten Sonderprofilen geschlossen.

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a

b

c

Beispiel B Vertikalschnitt Kassettenwand

d

d Die Ausbildung der Attika muss sorgfältig geplant sein. Der Randwinkel und der Befestigungswinkel der Attika müssen sich überlappen. Durch eine innenliegende Rinne ist der Wasserabfluss gewährleistet. Dabei muss der Querschnitt nach DIN 18460 dimensioniert werden, um ein Hinterlaufen der Abdichtung und Wärmedämmung zu vermeiden.

f

e Die Paneele der hinterlüfteten Vorsatzschale werden vor den Fenstern in gelochter Ausführung für Schiebeläden verwendet und ermöglichen so einen flächenbündigen Sonnenschutz.

e

g

f Seit 2005 sind Rauchmelder in fast allen Landesbauordnungen für Wohnbauten vorgeschrieben. Sie dienen der Früherkennung und müssen in Schlafräumen und Fluren angebracht werden. Da die Gebäudeklasse im dargestellten Beispiel aufgrund der Anzahl der Geschosse niedrig ist, die Aufstockung nur über eine Ebene geht und keine weiteren Aufenthaltsräume über der Konstruktion liegen, kann die Stahlkonstruktion offen gezeigt werden und muss nicht mit einem zusätzlichen Brandschutz versehen werden. g Auf der Innenseite der Konstruktion ist eine Installationsschicht angeordnet, die Elektrodosen oder Leitungen aufnehmen kann. Den Abschluss bildet eine doppelt ausgeführte Gipskartonplatte, die dann oberflächenfertig zur Verfügung steht.

29

Tragwerksentwurf Gebäudeentwurf Funktion / Nutzung

Ökologie

Wirtschaftlichkeit

Dauerhaftigkeit 1

2

Zentriertes Raumfachwerk Radsporthalle, Berlin 1996, Dominique Perrault Randbedingungen des Tragwerksentwurfs

Tragwerksentwicklung Der Entwurf eines Tragwerks ist ein Spiel mit Kräften und mit der Form der Wege, die diese Kräfte vom Ort ihrer Entstehung zu ihrem Ziel, den Auflagern, zurücklegen. Der Tragwerksentwurf ist prinzipiell anders als sein statischer Nachweis, bei dem es vorrangig darum geht, für ein bereits planerisch fixiertes Tragwerk die Standsicherheit richtig und nachvollziehbar zu bestimmen. Der Tragwerksentwurf und die Entwicklung konstruktiver Lösungen wird vom architektonischen Entwurfsansatz geleitet und orientiert sich dabei an zahlreichen Randbedingungen. Die nicht zu trennende Verknüpfung von Tragwerksform und Gebäudegestalt fordert eine enge und frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Architekten und Ingenieuren, da nur so die Synergien aus Funktionalität und Gestaltung in den Entwurf integriert werden können. Auf diese Weise entstehen in Abhängigkeit von wirtschaftlichen Überlegungen nahezu unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten. Tragwerke haben die Aufgabe Lasten aufzunehmen und an den Stellen, die als Auflager vorgesehen sind oder sich dafür anbieten, abzuleiten. Die Lasten werden dabei getrennt nach Eigengewicht und Verkehrslasten, die sich aus der Nutzung und den klimatischen Bedingungen ergeben, betrachtet. Bei der Entwicklung eines Tragwerks beschreibt das Kraftsystem die konstruktive Aufgabe, die Kräfte von ihren Angriffspunkten zu den Auflagern hin zu verschieben. Das Kraftsystem ist bestimmt durch Größe, Verteilung, Richtung und Angriffspunkte der Lasten sowie die Lage der Auflagerungspunkte. Aus dem Kraftsystem lassen sich Varianten für ein Tragsystem, oft auch als stati-

1

Tragwerksentwurf

Materialeigenschaften

Baurecht

Beanspruchung

2

sches System bezeichnet, entwickeln. Das Tragsystem wird beschrieben durch die System-Maße (z. B. Stützweiten), die Form (äußere Geometrie), die Auflagereigenschaften (z. B. fest, verschieblich, eingespannt) und die Belastung. Erst das Tragsystem ist die Grundlage für eine statische Berechnung. Neben den konstruktiven Randbedingungen, die im Kraftsystem formuliert werden, sind unter der Voraussetzung eines integrativen Ansatzes zahlreiche weitere Einflüsse, unter anderem die Wirtschaftlichkeit, die Dauerhaftigkeit und der Bauablauf zu berücksichtigen. Im gleichen Maß, in dem der architektonische Entwurf zunächst ein gestalterisches Konzept aus städtebaulichen, soziologischen und funktionalen Anforderungen entwickelt, liegt es am Tragwerksentwurf ein Konzept für den Lastabtrag zu finden, das den konstruktiven Randbedingungen, den gestalterischen Ansätzen und der Erwartung an die Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion gerecht wird. Stahl als Baustoff für tragende Konstruktionen bietet sowohl aufgrund seiner Formbarkeit als auch durch die Möglichkeiten zur Addition elementierter Bauteile und deren Anpassung an die Belastungen im Gesamttragwerk gute Voraussetzungen für die Optimierung von Tragwerken hinsichtlich der geforderten Funktionalität und Gestalt. Die primäre Stahlkonstruktion ist im Hochbau dabei immer ein Skelettbau, der gegenüber dem Massivbau durch lineare Tragelemente und durch die strikte Trennung von tragenden und raumbildenden (umhüllenden) Bauteilen gekennzeichnet ist. Die Optimierung der Struktur hinsichtlich der Kraftflüsse führt fast immer zu einer guten Ablesbarkeit des Kräfteverlaufs. Dabei ist abzuwägen, ob ein Tragwerk

inszeniert werden soll oder zurückhaltend nur der Funktionalität dient. An den beiden Beispielen (S. 8ff. und S. 20ff.) zeigen sich die Vorzüge von Tragwerken aus Stahl im Hochbau. Vorteile von Stahlkonstruktionen bei Aufstockungen oder Umbauten: • Trockene Baustelle und kurze Bauzeit durch Vorfertigung bei der Primärkonstruktion, • geringes Eigengewicht der Konstruktion und daher Berücksichtigung der begrenzten Tragfähigkeit des Bestandes möglich, • leichte Montage bei entsprechender Elementierung, • geringe Konstruktionshöhen durch eine an die Beanspruchung angepasste Profilwahl und durch die Leistungsfähigkeit des Baustoffs Stahl, • große Freiheiten bei der Gestaltung von Grundriss und Gebäudehülle durch Skelettbauweise, • Integration der unverkleideten Primärkonstruktion in die Gestaltung des Innenraumes durch entsprechende Detailausbildung. Vorteile von Stahltragwerken bei Hallenbauten: • Erzeugen von Spannweite mit filigraner Konstruktion durch Anpassung der Profilgeometrien an die Schnittgrößenverläufe, • Integration der gebäudetechnischen Installationen unter Berücksichtigung des Kraftflusses in den elementaren Bauteilen, • kurze Montagezeiten und geringer Aufwand bei der Baustelleneinrichtung durch den hohen Vorfertigungsgrad, • Skelettbauweise bietet durch die Entflechtung von Tragwerk und Hülle die Möglichkeit für große Toröffnungen. 31

Tragwerksentwurf Stahlherstellung

Delta-Misch- A 1536°C kristalle 1500 B Delta-MischI kristalle + Austenit 1400 N Befüllung

1300

Gichtgas 200° 400°

Austenit 1100

1400°

Kohlungszone

Rast 1600° 2000° 1600° 1400°

Schmelzzone

911°C G Aus900 0,02% tenit + Austenit Sekundärze+ Ferrit 800 mentit Ferrit S 700 0,8% P 600 500

E 1147° 2,06%

C 4,3%

Austenit + Sekundärzementit + Ledeburit

Schmelze + Primärzementit F 6,67%

Primärzementit + Ledeburit

723°C

Ferrit Sekundär- Sekundärzementit + Per- zementit Perlit + lit + Perlit Ledeburit Perlit

Wasserkühlung

Reduktionszone Direkte Reduktion FeO3+ CO ∫ Fe + CO2 CO2 + C ∫ 2 CO

D

Schmelze + Austenit

1200

Vorwärmzone Indirekte Reduktion 3 Fe2O3 + CO ∫ 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO ∫ 3 FeO + CO2

Temperatur [°C]

900°

Roheisenabstich

1392°C

Schmelze

1000

Beschickung

Ringleitung zur Belüftung

Schmelze + Delta-Mischkristalle 1493°C

0 1 2 3 4 Kohlenstoffgehalt in Masseprozent [%]

3

K Primärzementit + Ledeburit

5

6

4 7

3

4

Stahlherstellung Stahl, das wohl bedeutendste Baumetall, ist schmiedbares Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 2 % und damit eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff sowie anderen Begleit- und Legierungselementen. Baustähle haben im Allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt unter 0,25 %. Begleitelemente sind unter anderem Phosphor, Schwefel und Stickstoff. Die wesentlichsten Legierungselemente sind Chrom, Mangan, Aluminium, Molybdän und Nickel.

gelangen zu den Winderhitzern. Dort wird das brennbare Kohlenstoffmonoxid entzündet und zum Aufheizen der Luft verwendet, die wieder über die Ringleitungen in den Hochofen hineingeführt wird.

Grundlage für die Erzeugung des Stahls ist das im Hochofen gewonnene Roheisen. Der Hochofen besteht aus einem bis zu 100 Meter hohen und mit feuerfesten Steinen ausgekleideten Behälter mit einem Stahlmantel. Er wird von oben mit einem Gemisch aus Erz (Eisenoxide), Kalk (= Möller) und Koks beschickt. Das in der Erdkruste als vierthäufigstes chemisches Element enthaltene Eisen liegt in der Natur als unedles Metall in oxidierter Form vor. Gesteine mit mehr als 20 % Eisengehalt eignen sich zur Verhüttung und werden Eisenerz genannt. Durch Brechen und Sieben werden die Rohstoffe Erz und Koks zerkleinert und auf eine gleichmäßige Stückgröße gebracht. Um Staubanteile einzubinden und die Durchgasung der Schüttung im Hochofenschacht zu verbessern, werden die Erze mit Koks und Kalk verbacken (gesintert) oder als Granulate pelletriert. Der Hochofenprozess dient der Reduktion des im Eisenerz gebundenen Sauerstoffs. Der Koks reagiert mit der über Ringleitungen zugeführten Heißluft zu Kohlenstoffmonoxid. Dieses reduziert in einer Redoxreaktion das Eisenerz zu Roheisen. Dabei wird es selbst zu Kohlenstoffdioxid weiter oxidiert. Beide Kohlenstoffoxide treten in der Gicht, dem oberen Teil des Hochofens, aus und 32

Moderne Hochöfen liefern täglich mehr als 10 000 Tonnen Roheisen. Ihre durchschnittliche Betriebsdauer, in der der Hochofenprozess niemals gestoppt wird, beträgt 10 Jahre. Das so gewonnene Roheisen enthält 3,5 bis 4,5 % Kohlenstoff sowie andere störende Begleitstoffe, wodurch es spröde ist und beim Erhitzen sofort erweicht . Um es in Stahl überzuführen müssen der Kohlenstoffgehalt gesenkt und die Begleitstoffe, hauptsächlich Schwefel, reduziert oder entfernt werden. Dies geschieht im Wesentlichen durch Einblasen von Sauerstoff oder Luft in das flüssige Roheisen sowie durch das sogenannte Feinen, die Zugabe von Kalkschlacke. Die Vielzahl der Verfahren zur Herstellung des Rohstahls unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der Sauerstoffund Wärmezuführung. Die bekanntesten Verfahren sind das Thomasverfahren mit Konverterbirne und Sauerstoffgebläse, der Siemens-Martin-Ofen mit Zuführung von Stahlschrott und der Elektrolichtbogen-Ofen. In der Schmelze ordnen sich die Kohlenstoff- und Eisenatome in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Kohlenstoffgehalt in unterschiedlichen Kristallgitterstrukturen. Das oben dargestellte EisenKohlenstoffdiagramm kennzeichnet die verschiedenen Übergangsbereiche für Eisen und Stahl. Die Geschwindigkeit, mit der der Rohstahl abgekühlt wird, entscheidet in welcher Kristallform das Endprodukt vorliegt. Wesentliche Zustandsformen für den Anwendungsbereich der Baustähle sind die fein-

Der Hochofenprozess Quelle: Didaktik der Chemie, 08/1997, Universität Bayreuth Eisen-Kohlenstoffdiagramm Zustandsformen von Stahl und Eisen in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt Quelle: Fachhochschule für Maschinenbau

körnigen flächenzentrierten austenitischen Stähle (α-Eisen) und die raumzentrierten ferritischen Stähle (γ-Eisen, siehe Diagramm 4). Unterschiedliche Zustände hinsichtlich Körnigkeit, Versprödung und Zähigkeit aufgrund der Temperaturbehandlung des Rohstahls werden mit unbehandelt, normalgeglüht oder vergütet gekennzeichnet. Um beim Gießen der Stähle blasenförmige Einschlüsse von Sauerstoff- oder Kohlenstoffrückständen, sogenannte Seigerungen zu vermeiden, werden der Schmelze zur Beruhigung Zusätze wie Aluminium, Silicium oder Mangan beigegeben. Auf diese Art beruhigte Stähle sind alterungsunempfindlicher und besser zum Schweißen geeignet. Man unterscheidet je nach der Art des Vergießens unberuhigte (U), beruhigte (R) und besonders beruhigte (RR) Stähle. Kein anderer Werkstoff wird im Bauwesen so vielfältig angewendet wie der Stahl: beginnend beim Baugrubenverbau hin zum Bewehrungsstahl und Verankerungsteilen in den Fundamenten, über die Primärtragelemente wie Stützen und Träger hin zu den Fassaden und Wandverkleidungen und zu den Blechbauteilen im Innenausbau kommt Stahl in allen Phasen der Errichtung eines Gebäudes zum Einsatz. Für das Bauwesen sind die allgemeinen Baustähle gemäß der Definition der DIN EN 10025, die Betonstabstähle und Betonstahlmatten gemäß DIN 488 als Bewehrungsstähle für den Stahlbetonbau, die Edelstähle, vergütete Stähle für Schrauben sowie hochfeste Stähle von besonderer Bedeutung. Edelstähle unterscheiden sich von den üblichen Baustählen im Wesentlichen durch die Legierung mit weiteren chemischen Elementen wie Chrom, Molibdän und Nickel.

Tragwerksentwurf Mechanische Eigenschaften

Reißlängen [km]

5

6

Reißlängen [km] unterschiedlicher Materialien, definiert als Verhältnis der Tragfähigkeit [N/mm2] zur Last aus Eigengewicht [N]. Spannungs-Dehnungs-Diagramm für S235 σ = Spannung F = Kraft Ao = Ausgangsfläche ε = Dehnung ΔL = Längenänderung Lo = Ausgangslänge

Bei den so genannen nichtrostenden Stählen ist darauf zu achten, dass sie jeweils nur in bestimmten Umgebungsbedingungen nicht rosten. Erst ab einem Chromanteil von etwa 17 % stellt sich eine höhere Korrosionsbeständigkeit ein. Der Einsatz und die Anwendung dieser Stähle muss hinsichtlich der gewünschten Oberflächenqualitäten und der Dauerhaftigkeit mit den dafür geltenden bauaufsichtlichen Zulassungen für den jeweiligen Anwendungsfall überprüft werden. Weitere Erläuterungen zum Thema Edelstahl enthält das Kapitel »Korrosionsschutz, Brandschutz, Bauphysik« (S. 80), Hinweise zu Werkstoffnummern und Legierungen finden sich im Anhang.

Mechanische Eigenschaften Die Reißlänge, ein häufig verwendetes Kriterium zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Baustoffen, gibt die Länge an, bei der ein Material unter der Zuglast seines reinen Eigengewichtes versagt. Der Vergleich des Wertes für Stahl mit denen anderer Baustoffe und Materialien zeigt zum einen seine erhöhte Leistungsfähigkeit gegenüber den anderen traditionellen Baustoffen wie Beton und Holz, zum anderen aber auch, dass weitere mechanische Kennzahlen zur Bewertung der Leistungsfähigkeit und Verwendbarkeit eines Baustoffes angezeigt sind. So ist beispielsweise zu prüfen, ob die bei der Ausnutzung der Tragfähigkeit auftretenden Verformungen mit der gewählten Konstruktion und Nutzung verträglich sind. Baustahl zeichnet sich insbesondere durch seine hohe Materialsteifigkeit aus, die in Verbindung mit dem linear elastischen Verhalten bis zum Erreichen der Fließgrenze in gleichem Maß unter Druckwie unter Zugbelastungen gegeben ist. Erst diese Eigenschaft ermöglicht den vielseitigen Einsatz von Stahl sowie die

S235

5,2 km

S355

7,1 km

Beton C20/25

1,0 km1

Nadelholz

3,8 km

Titan Kohlefasern Spinnwebfaden

17,8 km2 130,0 km 70,0 km

1

bezogen auf die Druckfestigkeit 5 2 abhängig von der Legierungsart

exakte Berechnung der Verformungen des Tragwerks. Bei der Bemessung von Stahlbauteilen im Hochbau macht man sich zusätzlich das ausgeprägte plastische Verhalten des Baustoffs Stahl zunutze. Es gewährleistet ein hohes Maß an Sicherheit, da ein Bauteilversagen bzw. der Bruchzustand nicht plötzlich wie bei spröden Werkstoffen erreicht wird, sondern sich durch erhebliche Verformungen und bis zu 26 %ige Dehnungen ankündigt. Gleichzeitig ermöglicht das plastische Materialverhalten unter lokalem Ausnutzen der Fließgrenze an hoch beanspruchten Stellen eine Umlagerung von Beanspruchungen in niedriger ausgenutzte Bereiche einer Konstruktion. Neben der vielseitigen Anpassungsfähigkeit des Stahls an Funktion und Gestalt und den Möglichkeiten zur Querschnittsoptimierung sind für die Bemessung eines Tragwerks in erster Linie die mechanischen Eigenschaften von Bedeutung. Die Bemessung, Ausführung und Überwachung von Stahlhochbauten erfolgt im Wesentlichen auf Grundlage der Stahlbau-Grundnorm DIN 18800 Teil 1 bis 7. Zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften werden im Folgenden die Kennlinie des oben abgebildeten Spannungs-Dehnungsdiagramms von Baustahl S235 erläutert sowie weitere Materialkennwerte angegeben. In Abbildung 6 ist erkennbar, dass Stahl sich im Bereich A bis P elastisch verhält und die Dehnung genau proportional zur Belastung verläuft. Da der Punkt P wegen des stetigen Übergangs der Kurve schlecht bestimmbar ist, ermittelt man praktisch stattdessen die sogenannte technische Elastizitätsgrenze mit der definierten messbaren Eigenschaft, dass die bleibende plastische Dehnung gerade

6

0,01 % ist (Punkt F). Bei Punkt S (beim Zugversuch Streckgrenze, beim Druckversuch Quetschgrenze) setzt starkes Fließen ein, die Dehnung nimmt ohne Steigerung der Belastung zu. Die ab hier auftetenden Dehnungen bleiben auch nach Belastungsabnahme erhalten, damit spricht man vom plastischen Materialverhalten. Anschließend verfestigt sich das Material und erreicht bei Punkt B den Wert der Zugfestikeit. Das eigentliche Materialversagen tritt allerdings erst am Punkt Z mit Erreichen der Bruchdehnung ein. Der bis dorthin scheinbare Spannungsabfall ergibt sich aus der ab Punkt B beginnenden Einschnürung des Materials. Elastzitätsmodul E Der Elastizitätsmodul ist für alle allgemeinen Baustähle mit 21000 kN/cm2 gleich. Er entspricht der Steigung der Spannungs-Dehnungslinie im linear-elastischen Bereich zwischen den Punkten A und P. Dehnung ε Die Dehnung ist das Verhältnis der Längenänderung zur Ausgangslänge. Beim Erreichen der Fließgrenze weist ein Baustahl S235 eine Dehnung von 1,1 % auf, ein S355 eine Dehnung von 1,7 %. Die Dehnungen beim Erreichen des Bruchzustandes liegen dagegen beim S235 bei 26 % und beim S355 bei 22 % ! Kerbschlagzähigkeit/Kerbschlagarbeit Die Kerbschlagarbeit [J] in Abhängigkeit einer Prüftemperatur dient der Beurteilung der Zähigkeit und Sprödbruchempfindlichkeit eines Stahles. Wärmedehnzahl αT Die Wärmedehnzahl gibt an, wie stark sich ein Material unter Temperaturschwankungen dehnt. αT von Stahl ist 1,2 ≈ 10–5 [1/K]. Das bedeutet, ein 10 Meter langer Stahlträger dehnt sich bei Erwärmung um 33

Tragwerksentwurf Tragsysteme, Tragelemente

Tragsysteme

linear

flächig

einachsig gekrümmt

gerade

Stab

Balken

Drillstab

Bogen

Seil

Fachwerk

Rahmen

Trägerrost

Fachwerk

Rahmen

7

Scheibe

Platte

Schale

Netz

Membran

Vierendeelträger

10 Grad um 0,012 %, er verlängert sich also um 1,2 mm. Die Verträglichkeit auftetender Temperaturdehnungen mit dem Gesamtbauwerk sind immer zu prüfen und gegebenenfalls durch Dehnfugen sicherzustellen. Weitere Angaben zu Materialeigenschaften werden im Anhang gegeben (s. S. 104ff.).

Tragsysteme, Tragelemente Das Verständnis der Tragwirkung elementarer Tragsysteme bildet die Grundlage für deren sinnvollen Einsatz im Einzelnen und in der Kombination zum Gesamttragwerk eines Gebäudes. Im Folgenden werden die am häufigsten eingesetzten Tragelemente im Hinblick auf deren Lastabtrag und Grundlagen der Formbildung sowie deren stahlbaugerechte Konstruktion beschrieben. Die Zusammenstellung ist bewusst auf die gebräuchlichsten Tragwerke und die wesentlichen Betrachtungsweisen beschränkt und erhebt dabei keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Auf weiterführende Literatur im Anhang wird ausdrücklich verwiesen. Zum besseren Verständnis (und als Übersicht) lassen sich Tragelemente, wie in der oberen Abbildung ausschnittsweise dargestellt, hinsichtlich ihrer strukturellen Form und ihrer Haupttragwirkung gliedern. Mit dieser Art der Gliederung wird indirekt auch die Form der Lastpfade beschrieben. Verbunden mit dem Verständnis der Haupttragwirkung bilden sie die Grundlage für die Optimierung der Querschnitte und Anschlussdetails einzelner Tragelemente sowie ganzer Tragwerke. Im Stahlbau bedeutet Entwerfen immer auch Konstruieren. Daher kommt nicht nur der Kenntnis über die mechanischen 34

zweiachsig gekrümmt

eben

Eigenschaften des Baustoffes eine hohe Bedeutung zu, sondern im gleichen Maße auch den Formbarkeiten und Fügetechniken, die im Kapitel »Fügen und Verbinden« (Seite 45ff.) erläutert werden. Die Konstruktion mit vorgefertigten und standardisierten Profilquerschnitten und Blechen, auch differentielle Bauweise genannt, bietet optimale Voraussetzungen für wirtschaftliches Bauen. Neben der richtigen Durchbildung der Bauelemente selbst ist die Berücksichtigung und Detaillierung der Lastübertragungspunkte zwischen den Elementen von elementarer Bedeutung. An den Verbindungen und Auflagern von Tragelementen entstehen Lastkonzentrationen, die prinzipiell mit entsprechenden Spannungskonzentrationen im Verbindungsbereich verbunden sind. Diese Spannungskonzentrationen haben häufig maßgebenden Einfluss auf die Ausbildung des Gesamtquerschnitts. Die differentielle Bauweise ermöglicht im Stahlbau auch das einfache Fügen von Elementen aus unterschiedlichen Werkstoffen zu einem Bauteil. Das Wissen um den Kraftfluss im Tragelement ist dabei Grundlage für die sinnvolle Kombination des Werkstoffes Stahl mit anderen Baustoffen zu Verbundwerkstoffen. Effiziente Verbundtragwerke sind dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Werkstoff optimal hinsichtlich seiner Festigkeiten und der Beanspruchung im Tragelement eingesetzt wird und gleichzeitig durch die Werkstoffkombination zusätzliche Synergien für das Gesamttragwerk entstehen. So lassen sich durch die Kombination von Stahl und Beton zu Verbundstützen zum einen hohe Tragfähigkeiten (Stahl), eine höhere Feuerwiderstandsdauer (Beton) und gleichzeitig höhere Querschnittssteifigkeiten und damit höhere Knickstabilität aufgrund des großflächigen Betonquerschnitts erzeugen.

Während der Konzeption von Tragwerken gewährleisten überschlägige Berechnungen unter Kenntnis der wesentlichen Einwirkungen die erste Grundlage zur Dimensionierung. Nach Festlegung der Tragstruktur erfolgen die durch Normen geregelten exakten Berechnungen zum Nachweis ausreichender Tragfähigkeit (Standsicherheit) und Gebrauchstauglichkeit. Der Tragfähigkeitsnachweis belegt, dass ein Bauwerk sowohl in seinen Einzelteilen wie auch als Ganzes unter den in Frage kommenden statischen und dynamischen Einwirkungen mit vorgegebener Sicherheit Stand hält. Im Gebrauchstauglichkeitsnachweis wird aufgezeigt, dass das Bauwerk unter allen in Frage kommenden Einwirkungen hinreichend verträgliche Verformungen sowie gegebenenfalls ein tolerierbares Schwingungsverhalten zeigt. Die Kenntnis der strukturellen Zusammenhänge der Tragelemente beim Lastabtrag ist immer auch mit einer sicheren Eingrenzung und Festlegung der auf sie einwirkenden Lasten verbunden. Die wichtigsten Tragsysteme werden im Folgenden erläutert.

7 Übersicht Tragsysteme (geordnet nach Form und Lastabtrag) 8 Baumstütze als Stabstruktur, Flughafen Stuttgart, 1981–91, Gerkan, Marg und Partner 9 a Tragsystem »Stab« mit Knicklinie b Reduktion der Knickgefahr durch Verspannung c Reduktion der Knickgefahr durch Querschnittsanpassung 10 Biegelinien (Knickfiguren) und Knicklängen der Eulerfälle in Abhängigkeit von der Lagerung. Je größer die Knicklänge eines Stabes ist, umso größer ist bei gleichem Profilquerschnitt seine Knickgefährdung.

L

sk = 0,7 L

sk = 0,5 L

sk = 2 L

Knicklinie

sk = L

Tragwerksentwurf Stab

Knicklänge sk = Abstand der Wendepunkte der Knickbiegelinien

8

9

Stab Der Stab ist das einfachste Tragelement in einem Tragwerk, beispielsweise als Teil eines Fachwerkträgers oder als Stütze unter einem Balken. Der Stab wird als Bemessungsgrundlage über die folgenden geometrischen Parameter definiert: Seine Länge (bei Druckstäben seine Knicklänge) und die Querschnittsfläche und sein Flächenträgheitsmoment. Er verläuft geradlinig und dient der Aufnahme von Zug- oder Druckkräften in Richtung der Stabachse, das heißt normal zu seiner Querschnittsfläche (Normalkräfte). Der Zugstab besitzt per Definition im Gegensatz zum Seil Biegesteifigkeit, die ihn in die Lage versetzt, untergeordnete Biegemomente aus Eigengewicht, äußeren Lasten oder aus Imperfektionen und Schiefstellungen des Stabes selbst aufzunehmen. Löst man den Kraftfluss in einer Struktur soweit in Stäbe auf, dass die inneren Schnittkräfte nur noch über Normalkräfte dargestellt werden können, spricht man von einem Stabwerk. Im Gegensatz zur Zugbelastung tritt bei der Druckbelastung von Stäben immer ein Stabilitätsproblem auf, weil die Stabachse unter Druckbelastung zum Ausweichen aus der Geraden neigt. Die entstehenden Zusatzmomente sind bei der Bemessung zu berücksichtigen1 (Theorie II. Ordnung). Dabei ist nachzuweisen, dass die schrittweise aus den Zusatzmomenten entstehenden Verformungen stetig abnehmend verlaufen. Je nach Querschnittsform treten als Stabilitätsproblem die folgenden Versagensmechanismen auf: • Global: Biegeknicken – Ausknicken der Stabachse Biegedrillknicken – Ausknicken mit

a

b

c

10

gleichzeitiger Verdrehung der Stabachse • Lokal: Beulen – örtliches Knicken eines Bleches, zu beachten bei Querschnitten, die aus dünnen Blechen zusammengesetzt sind, nicht bei Walzprofilen. Die Form des Ausknickens hängt vor allem von der Lagerung der Stabenden ab, die eingespannt oder beweglich sein kann. Nach Euler unterscheidet man vier Knickfälle, die einen weiten Bereich der baupraktischen Stabilitätsfälle abdecken. In komplizierteren Fällen der Lagerung des Stabes löst man das Stabilitätsproblem in der Regel mit einer nichtlinearen Computerberechnung unter Zugrundelegung der geometrischen Imperfektion der Konstruktion.

Die optimale Querschnittsform für einen Druckstab mit gleichem Abstand der seitlichen Halterung der Stabenden gegen das Knicken in allen Richtungen ist daher das doppelsymmetrische kreisförmige Hohlprofil. Sobald sich die Abstände der Halterungen gegen Ausknicken für die jeweiligen Knickebenen unterscheiden oder planmäßig Querlasten, wie sie bei Fassadenstützen durch die Windlast auftreten, abgetragen werden sollen, ist die einfachsymmetrische Querschnittsform, etwa ein Rechteckhohlprofil, optimal.

Konstruktiv kann dem Stabilitätsversagen durch zusätzliche seitliche Halterungen des Querschnitts oder durch Erhöhung der Querschnittsfläche und des Trägheitsradius entgegengewirkt werden. Eine Erhöhung des Trägheitsradius wird durch die Verlagerung der Querschnittsfläche möglichst weit vom Schwerpunkt entfernt erreicht. Betrachtet man die Biegebeanspruchung, die sich aus dem Zusammenwirken der axialen Druckkraft und der geometrischen Imperfektion ergibt, so erkennt man, dass eine weitere Optimierung durch die Anpassung der Querschnittsform an dem Momentenverlauf oder durch Seilverspannungen der Druckstäbe möglich ist. Mehrteilige Stäbe, die aus Einzelquerschnitten mit Bindeblechen zusammengesetzt oder als Fachwerksystem ausgebildet sind, folgen diesem Prinzip der Optimierung. Bei geringen Stabkräften muss dabei aber beachtet werden, dass der wirtschaftliche Aufwand in der Fertigung oftmals die durch Formoptimierung erreichte Material- und Gewichtsersparnis in der Montage bei weitem überwiegt.

Grundlage für die Optimierung von Zugstäben und insbesondere von Druckstäben ist eine frühzeitige und sorgfältige Detailplanung der Auflager und Halterungen des Stabes. Nur dann können die Vorzüge des Stahlbaus hinsichtlich der Formbarkeit von Stabquerschnitten genutzt werden.

Für die Dimensionierung von Zugstäben ist demgegenüber die Querschnittsfläche unabhängig von ihrer Verteilung oder die Begrenzung der Dehnungen unter maximaler Belastung maßgebend.

1

Angaben zu den zu berücksichtigenden theoretischen Vorkrümmungen und Schiefstellungen der Stabachsen, z. B. durch imperfekte Fertigung (geometrische Imperfektion) sowie durch Abweichungen von den ideellen Materialeigenschaften über den Querschnitt (strukturelle Imperfektion), macht die DIN 18800.

35

Tragwerksentwurf Balken

11

Balken Der Balken ist ein linienförmiges Tragelement, das maßgeblich durch Lasten quer zu seiner Stabachse oder durch Momente (Biegung) beansprucht wird. Größe und Verlauf der Biegebeanspruchung eines Balkens lassen sich am anschaulichsten mit dem Verlauf der Momentenlinie darstellen. Momentenbeanspruchungen lassen sich auch immer als Beanspruchung durch ein entgegengesetzt wirkendes Kräftepaar darstellen. Im Gegensatz zur Normalkraftbeanspruchung eines Stabes führt die Biegebeanspruchung eines Balkens zu einer über den Querschnitt ungleichmäßig verlaufenden Beanspruchung. Die Werkstoffausnutzung im Querschnitt ist entsprechend unterschiedlich, es ergeben sich sowohl hoch wie auch niedrig zug- oder druckbeanspruchte Bereiche. Die Biegebeanspruchung eines Querschnittes ist aufgrund der schlechten Materialausnutzung im Vergleich zur Normalkraftbeanspruchung die unwirtschaftlichere Belastungsart. Aufgelöste materialoptimierte Tragstrukturen folgen daher dem Prinzip der Stabwerke, die äußere Lasten gänzlich ohne Biegung und nur in Form von Zug- und Druckkräften abtragen. Der Baustoff Stahl ist zum einen ein sehr leistungsfähiger Werkstoff und zum anderen aber im Vergleich zu vielen anderen Baustoffen teuer. Ziel beim Entwurf von Stahlkonstruktionen, insbesondere bei der Optimierung biegebeanspruchter Bauteile und Querschnittsformen ist es daher, die Spannungsausnutzung bezogen auf die Querschnittsfläche zu maximieren. Auf dieser Grundlage wird auch die im Stahlbau standardmäßig für Balken eingesetzte Querschnittsform der Doppel-TQuerschnitte plausibel. 36

11 Tragsystem »Balken« mit Momenten- und Querkraftverlauf 12 Balken zur Aufnahme der Dachlasten documenta Halle, Kassel 1992, Jourdan & Müller PAS

12

Bei der Querschnitts- und Formoptimierung eines Bauteils und der anschließenden Bemessung müssen in der Regel unterschiedliche Laststellungen und Lastkombinationen berücksichtigt werden. Damit sind dem Optimierungsprozess Grenzen gesetzt, da sich in Abhängigkeit der Laststellung jeweils unterschiedliche Biegelinien und damit auch unterschiedliche optimale Formen (und Formverläufe) ergeben. Gleichzeitig muss der wirtschaftliche Aufwand einer Formoptimierung mit veränderlichen Querschnitten entlang der Balkenachse beachtet werden, der sich in der Regel erst ab entsprechenden Stahlmengen lohnt. Betrachtet man zunächst einen rein durch Biegung beanspruchten Balkenquerschnitt, so treten die maximalen Zug- und Druckspannungen an den Rändern mit dem größten Hebelarm bezogen auf die Stabachse auf (Abb. 13). Entsprechend ist hier der Werkstoff zu konzentrieren. Zur Stabachse hin nehmen die Biegespannungen bis auf Null hin ab. Die optimale Querschnittsform wäre daher der Doppel-T-Querschnitt mit einem zur Stabachse hin in seiner Dicke abnehmenden Steg, der im Wesentlichen dann nur dem Verbund des Kräftepaares aus Zug- und Druck dient. In einem Balken treten neben der reinen Biegebeanspruchung auch Querkraftbelastungen auf, in jedem Fall an den Auflagern in konzentrierter Form. Querkräfte sind innere Kräfte, die quer zur Stabachse wirken. Sie werden nahezu vollständig vom Steg aufgenommen und abgeleitet. Die Größe der Querkräfte bestimmt daher maßgeblich die Stegdicke und die Erfordernis zusätzlicher Steifen in Bereichen konzentrierter Lasteinleitung. Entlang der Balkenachse ist das Biegemoment üblicherweise nicht konstant. Bei Verwendung von Doppel-T-Profilen kann

man hierauf mit veränderlichen Flanschdicken durch aufgeschweißte Zulagebleche reagieren. Da die Anordnung von Zulageblechen häufig zu konstruktiven Schwierigkeiten aufgrund der variierenden Profiloberkante führt, bietet sich in diesem Fall der Einsatz eines Schweißträgers aus zusammengesetzten Blechen mit veränderlicher Flanschstärke aber gleich bleibender Oberkante an. Anstatt auf den ungleichmäßigen Belastungsverlauf in einem biegebeanspruchten Tragelement mit der Anpassung des Bauteilquerschnittes zu reagieren, kann man natürlich auch die Bauteilhöhe insgesamt dem Belastungsverlauf anpassen. Dies führt beispielsweise zu gevouteten Trägern. Form und Verlauf der Anvoutungen sollten dem Momentenverlauf folgen. Dennoch wird man in einigen Bereichen bei einer parallelflanschigen Ausbildung des Biegeträgers bleiben, um zu eng auslaufende Blechverschneidungen zu verhindern und den Herstellungsaufwand in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen zu halten. Aus der Nutzung des Steges für den Abtrag von Querkräften ergibt es sich, dass Stegöffnungen, z. B. für Installationen, nur in Bereichen mit entsprechend geringen Querkräften möglich sind, also nicht in Auflagerbereichen oder an Stellen mit starker Lasteinleitung. Sind Öffnungen in diesen Bereichen unvermeidlich oder überschreiten sie bestimmte Größen, so sind zusätzliche Steifen und Verstärkungen an den Rändern der Durchbrüche einzuplanen. Ausgerundete Verläufe der Öffnungsränder sind in jedem Fall scharfkantigen vorzuziehen, um Spannungsspitzen und die damit verbundene Rissgefahr zu vermeiden. Ziel der Bemessung und des statischen Nachweises von Balkenquerschnitten ist es, die zulässigen Spannungen des ver-

Tragwerksentwurf Balken

13 Vergleich eines Doppel-T-Querschnitts mit einem Rechteck-Vollquerschnitt mit gleichen Außenmaßen hinsichtlich Gewicht, Tragfähigkeit, Verformung und Spannungsverlauf unter Momentenbelastung (Zug: +, Druck: –) 14 Entwicklung von Tragwerken aus dem inneren Kraftfluss (Verlauf der Hauptspannungen), hier am Beispiel eines Trägers unter Gleichlast.

wendeten Stahls unter den ungünstigsten Laststellungen und unter Berücksichtigung entsprechender Sicherheiten an keiner Stelle des Querschnitts zu überschreiten. Da große Bereiche des Balkenquerschnitts mit Druckspannungen belastet sind (siehe Abb. 13), ergibt sich ein Stabilitätsproblem ähnlich wie beim Druckstab. Es kann bereits weit vor dem Erreichen der für das Material zulässigen Spannungen auftreten. Die Gefahr des Biegedrillknickens, bei dem der unter Druck stehende Flansch des Balkens seitlich ausweicht und dabei die Balkenachse verdreht, besteht insbesondere bei hohen und schlanken Trägern. Dies kann entweder durch die Verwendung weniger stabilitätsgefährdeter Profilformen mit größerer Quer- und Torsionssteifigkeit oder über die seitliche Stabilisierung durch kraftschlüssig anschließende Bauteile wie Nebenträger, Deckenscheiben oder Verbandsfelder verhindert werden. Die Biegung im Balken sorgt immer auch für eine Verkrümmung der Stabachse und damit für entsprechende Verformungen. Die im Stahlhochbau übliche Verformungsbegrenzung liegt bei einem 300stel der Spannweite. Die für eine Konstruktion anzusetzenden Grenzwerte sind jedoch auch hinsichtlich ihrer Verträglichkeit mit der Nutzung und mit den angrenzenden Bauteilen, beispielsweise Fassaden oder Trennwände, abzuprüfen. Die Bauhöhe eines Trägers beeinflusst die Verformung wesentlich. Daher ist die Verformungsbegrenzung für die Bemessung maßgebend. Ziel sollte es sein, die Bauhöhe und die Profilform eines Balkens so zu wählen, dass bei einer möglichst vollständigen Ausnutzung der Tragfähigkeit des Stahls gleichzeitig die Grenzen der zulässigen Verformung eingehalten werden. Balken, die dynamisch belastet werden, sind in ihrer Steifigkeit so auszulegen,

IPE 300 100 %

836 %

Tragfähigkeit

100 %

404 %

100 %

207 %

13 Verformung

dass die Eigenfrequenzen der Konstruktion nicht im Frequenzbereich der anregenden Belastung liegen, um Resonanz und Aufschaukeln zu vermeiden. Dieses Problem tritt im Stahlhochbau häufig bei schlanken weitgespannten Deckenkonstruktionen oder Brücken auf, die durch Personen belastet werden. Die üblichen Schrittfrequenzen liegen bei 1,5 bis 3 Hz. Die entsprechend genutzten Konstruktionen sollten daher Eigenfrequenzen nicht unter 3 Hz besitzen, wenn man aus wirtschaftlichen Gründen ohne zusätzliche Maßnahmen zur Dämpfung auskommen will. Hohe Eigenfrequenzen erreicht man durch Erhöhung der Steifigkeit der Konstruktion, beispielsweise durch größere Konstruktionshöhen und Verringern der Spannweite. Wie bereits beschrieben führt die Auflösung der Momentenbeanspruchung eines Balkens in reine Normalkraftbeanspruchungen (also Zug und Druck) zu einer materialoptimierten Stabwerkskonstruktion. Grundlage hierfür ist die Analyse der inneren Beanspruchungen im Balken in Abhängigkeit von den angreifenden Lasten. Wie vielfältig die möglichen Formen dabei allein bei der Umsetzung eines einfeldrigen Biegebalkens sind, zeigt ansatzweise Abbildung 14. Je nach Größe und Position der angreifenden äußeren Kräfte ergeben sich weitere, nahezu unzählige Stabwerksvarianten. Bei der Wahl aufgelöster Konstruktionen muss beachtet werden, dass die Materialoptimierung und die damit verbundene Gewichtsreduzierung einer Erhöhung des wirtschaftlichen Aufwandes bei der Fertigung gegenüber stehen. Daher wird man, sofern dies unter den vorhandenen Beanspruchungen möglich und in gestalterischer Sicht zu vertreten ist, aus Kostengründen auf standardisierte Walzprofile mit einem höheren Eigen-

150/300

Gewicht

gewicht zurückgreifen. Eine kostengünstige Alternative stellen hier allenfalls Waben- oder Lochträger dar. Die Profilwahl bei der Materialisierung eines aufgelösten Systems hängt im Wesentlichen von der Verbindungstechnik an den Knotenpunkten ab. Für geschraubte Fachwerkkonstruktionen mit Knotenblechen bieten sich Doppel-U-Profile als Gurtstäbe an. Geschweißte Träger stellt man entweder aus Doppel-T-Profilen oder aus Rechteck- oder Rundrohrhohlprofilen her. Bei der Verwendung von Rundrohrhohlprofilen ist zu berücksichtigen, dass sich an den Knotenpunkten schwierige Schnittkurven ergeben können, die oft von kleineren Herstellungsbetrieben nicht gefertigt werden können.

14

37

Tragwerksentwurf Rahmen

15 a

b

16

Der höchste Grad der Materialoptimierung wird erreicht, wenn die Stäbe der Fachwerkstruktur, die in allen Laststellungen zugbeansprucht sind, seilartig ausgeführt werden. Die in derart minimierten Querschnitten auftretenden Dehnungen und die entsprechenden Verformungen der Gesamtkonstruktion sind rechnerisch zu überprüfen. Rahmen Der Rahmen ist ein Tragsystem, das sich aus der biegesteifen Verbindung von Balken als Riegel und Stab als Stütze ergibt. Durch den biegesteifen Anschluss des Riegels an die Stütze lassen sich gegenüber dem gelenkigen Anschluss durch die Nutzung des Stützmomentes die erforderlichen Balkenquerschnitte und die damit verbundenen Konstruktionshöhen reduzieren, die der Stützen erhöhen sich allerdings entsprechend. Aufgrund der biegesteifen Verbindungen ist neben dem Abtrag von Vertikallasten die Aufnahme von Horizontallasten möglich, weshalb Rahmenkonstruktionen auch für die Gesamtaussteifung eines Bauwerks herangezogen werden können. Rahmenkonstruktionen lassen sich statisch in vielen Varianten ausführen, mit eingespannten Stützen, als Ein- , Zweioder Dreigelenkrahmen. Mit zunehmender Anzahl der Gelenke werden die Verformungen eines Rahmens durch äußere Lasten größer, die aus Zwängungen wie Setzungen oder Temperaturbeanspruchungen rührenden Zwangsbeanspruchungen jedoch kleiner. Als Montagestöße sollte man die Gelenke nutzen, da hier keine Momentenbeanspruchungen auftreten und die zu übertragenden Kräfte entsprechend gering sind. Falls dies nicht möglich ist, wird man den Montagestoß zumindest in Bereiche mit niedriger Momentenbeanspruchung legen, um diesen möglichst einfach zu gestalten. 38

15 Tragsystem »Rahmen« mit Momentenverlauf a verschieblicher Rahmen mit Horizontallast b unverschieblicher Rahmen, gekennzeichnet durch die obere horizontale Lagerung. 16 Rahmenbauwerk über die Hauptspannweite zur Aufnahme der filigranen Aufständerung des Gehund Radweges Marinabrücke, Oberhausen 1999, netzwerkarchitekten 17 Umlenkung der Momente im Rahmeneck mit sinnvoller Steifenanordnung

Es wird unterschieden zwischen verschieblichen, selbst aussteifenden Rahmensystemen und unverschieblichen Rahmen, die beispielsweise durch Verbandsfelder oder Deckenscheiben horizontal gehalten sind. Diese Unterscheidung ist nicht nur maßgebend für die Art und Größe der unter Horizontallasten auftretenden Verformungen, sondern auch für die Knicklängen der Rahmenstützen. Die Stützen von unverschieblichen Rahmen sind in den Riegel eingespannt und besitzen daher Knicklängen, die in Abhängigkeit von der Riegelsteifigkeit kleiner als ihre Systemlänge sind. Demgegenüber vergrößert sich die Knicklänge bei Stützen verschieblicher Rahmen auf ein Mehrfaches ihrer Systemlänge. Rahmenkonstruktionen sind aufgrund ihres Lastabtrags über Biegung statisch ineffektive Konstruktionen. Wirtschaftlich sind deshalb auch nur beschränkte Spannweiten oder Höhen vertretbar. Bei großen Spannweiten und großen zur Verfügung stehenden Konstruktionshöhen empfiehlt es sich, die Konstruktion als Stabwerk aufzulösen. Bei horizontal ausgedehnten Tragwerken und langen Stützen kann es sinnvoll sein, Rahmen nicht mehr zur Aussteifung heranzuziehen, da die horizontalen Verformungen sehr groß würden. In Dach- und Deckenebenen auftretende Horizontalkräfte können alternativ über liegende Verbände in Bereiche geführt werden, in denen die Nutzung die Anordnung von vertikalen Aussteifungselementen (Scheiben oder Verbände) zulässt. Der bekannteste Fall für diese Form der Aussteifung ist die Auskreuzung von zwei gelenkig gelagerten und mit einem Balken verbundenen Stützen. Die biegesteife Verbindung zwischen Riegel und Stütze bestimmt maßgeblich das Erscheinungsbild einer Rahmenkonstruk-

tion. An diesem Knoten müssen sowohl Normal- und Querkräfte als auch Biegemomente umgelenkt werden. Dabei ist zu beachten, dass bei Doppel-T-Querschnitten und Rechteckhohlprofilen der größte Teil der Momentenbeanspruchung über Druck- und Zugkräfte in den Flanschen abgetragen wird. Diese können am Übergang zwischen Riegel und Stütze nur durch Einführen einer weiteren Kraft, einer Umlenkkraft, in ihrer Richtung verändert werden. Die Umlenkkräfte schließen sich im Rahmeneck üblicherweise kurz, führen dort aber zu einer großen Belastung des Steges und müssen entsprechend durch Steifen oder flächige Stegverstärkungen aufgenommen werden. Die Größe der Flanschkräfte, die am Rahmeneck aus Momentenbeanspruchung auftreten, kann durch eine Anvoutung mit dem dadurch vergrößerten Hebelarm verringert werden. Häufig werden im Rahmeneck aus Transportgründen trotz der hohen Belastung Montagestöße angeordnet. Im Bereich dieser Schraubanschlüsse werden die Flanschkräfte in die Schraubenachsen gelenkt und die Hebelarme entsprechend verändert. Besteht der gestalterische Wunsch, dass die Kopfplatten nicht über den Riegel überstehen, so ist die Anordnung von Vouten hier besonders zu empfehlen.

17

Tragwerksentwurf Bogen

Knicklinie

18

19

Bogen Der Bogen ist ein im Regelfall parabelförmig gekrümmter Druckstab, der sowohl in Richtung seiner Längsachse wie auch quer dazu belastet wird. Die Belastung quer zur Stabachse wird nicht über Biegung wie beim Balken sondern über Normalkräfte abgetragen, die durch Kraftumlenkungen infolge der Krümmung des Bogens entstehen. Durch den Abtrag der äußeren Lasten über Normalkräfte im Tragelement ist der Bogen sehr effizient hinsichtlich der Materialausnutzung. Dieses Phänomen ist bereits im Abschnitt »Balken« erläutert. Unter einer gleichförmigen Linienlast ergibt sich als Bogenform in Analogie zum Momentenverlauf die Parabelform. Wirken auf einen Bogen als maßgebende Belastung Einzellasten ein, so ergibt sich als Bogenform ein sogenannter Stabbogen, eine polygonal zwischen den Lastangriffspunkten mit geraden Stäben verlaufende Form. Die für einen Lastfall optimale Bogenform kann empirisch mit Hängemodellen ermittelt werden, indem man die Lasten zunächst auf ein Zugseil aufbringt. Die Form, die sich unter der Belastung einstellt, ist identisch mit der Bogenform, die sich an der horizontalen Systemachse durch Spiegelung ergibt. Die so ermittelte Form entspricht allerdings nur einer Laststellung. Dies bedeutet, dass alle von dieser formgebenden Laststellung abweichenden Lasten Biegung im Bogen erzeugen. Der Einsatz eines Bogens als Tragelement ist also vor allem dann sinnvoll, wenn es eine dominante Laststellung gibt. Bei der Bezeichnung Bogen muss klar zwischen der architektonischen Bedeutung dieses Begriffs und der tragwerkstypologischen unterschieden werden. Im architektonischen Sinn ist ein Bogen die

gewölbte Überspannung einer Öffnung unabhängig vom Verlauf der einwirkenden Kräfte. Oftmals ist damit nur ein gekrümmter Balken gemeint. Die Druckbelastung im Bogen wächst zu den Auflagern hin, eine entsprechende Staffelung der Profilgrößen oder der Blechstärken bei gleich bleibenden Außenmaßen der Profile ist daher sinnvoll. Die an den Auflagern auftretenden Horizontalkräfte, der so genannte Bogenschub, müssen vom Baugrund oder von den anschließenden Bauteilen ohne große Verformungen aufgenommen werden. »Weiche« Bogenauflager führen zu Verformungen im Bogen und infolgedessen zu Biegung. Gewährleisten die Auflager keine ausreichende Lastaufnahme, so ist der Kurzschluss zwischen den Auflagern mit einem Zugband eine alternative Möglichkeit zur Aufnahme des Bogenschubs. Auch hierbei ist auf eine ausreichende Dehnsteifigkeit des Zugbandes zur Begrenzung der Bogenverformung zu achten. Die Größe der im Bogen auftretenden Normalkräfte und der Horizontalkräfte am Auflager hängt von der Spannweite und den äußeren Lasten sowie von der Höhe des Bogenstichs ab. Je höher der Bogenstich ist, umso geringer wird der Horizontalschub. In der Regel betragen die horizontalen Auflagerkräfte ein Vielfaches der vertikalen Auflagerkräfte und sind entsprechend entwurfsbestimmend. Bögen kann man biegesteif, das heißt mit Einspannung in den Fundamenten, oder als Ein-, Zwei- oder Dreigelenkbogen ausführen. Durch Anzahl und Lage der eingeführten Gelenke können das Verformungsverhalten und der Momentenverlauf aus wechselnden Belastungen gesteuert werden. Sind vertikal ungleichmäßige Baugrundsetzungen zu erwarten, so sollte man zur

18 Zwei in der Fassadenebene liegende Bögen mit großem Stich nehmen die Geschosslasten auf und ermöglichen ein stützenfreies Erdgeschoss. Broadgate Exchange House, London 1989, SOM Architekten 19 Tragsystem »Bogen« mit durchschlagender Knicklinie 20 Umlenkung der äußeren Kräfte in Normalkräfte durch die Bogenkrümmung, qualitative Darstellung

Reduktion der Zwangsmomente einen Zweigelenkbogen einsetzen. Treten gleichzeitig horizontale Verformungen auf, zum Beispiel aus dem Bogenschub, so ist ein Dreigelenkbogen vorzuziehen. Wie beim Druckstab ist für die Bemessung eines Bogens die Stabilität ein wesentliches Kriterium. Beim Stabilitätsnachweis ist nicht nur das Ausknicken aus der Bogenebene zu untersuchen, sondern insbesondere auch das Knicken in der Bogenebene. Hier erfolgt das Stabilitätsversagen als ein sogenanntes Durchschlagen der Bogenform (Abb. 19). Bögen aus Stahl entwirft man sinnvollerweise aus Hohlprofilen, die die höchste Knicksicherheit aufweisen. Bei kleineren Elementgrößen kann die Bogenkrümmung direkt aus einem Rohrstück über Kalt- oder Warmverformung gefertigt werden, große Bögen werden polygonartig aus geraden Profilabschnitten zusammengesetzt. Die Knotenpunkte lassen sich dabei in Form von Gussknoten, mit Knotenblechen oder als verschweißte Rohrknoten ausbilden. Der Einsatz von Gussknoten gewährleistet zwar eine optimale Anpassung der Knotengeometrie an den Kraftfluss, ist bei kleinen Stückzahlen aber mit hohen Kosten verbunden.

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Tragwerksentwurf Seil

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Seil Das Seil ist ein rein zugbeanspruchtes Tragelement. Gegenüber dem Zugstab besitzt ein Seil – bei im Hochbau üblichen Abmessungen und Querschnitten – eine zu vernachlässigende Biegesteifigkeit. Während der Zugstab äußere Lasten, die für die im Stab wirkenden Zugkräfte verantwortlich sind, nur an seinen Stabenden aufnimmt, kann das Seil quer zu seinem Verlauf wirkende Lasten aufnehmen und diese durch einen Knick im Seilverlauf in Zugkräfte umwandeln. Ein Seil könnte damit als Polygonzug beschrieben werden, der aus Zugstäben aufgebaut ist. Seile im Sinne eines Tragelementes können als Vollmaterial in Form von Bauoder Spannstahl oder als geschlossene Seile oder Spiralseile ausgeführt werden. Die unterschiedlichen Elastizitätsmodule und Festigkeiten sind jeweils zu beachten. Aufgrund der reinen Zugbeanspruchung ist das Seil hinsichtlich des Materialverbrauchs das effizienteste Tragelement. Jedes an zwei Punkten befestigte Seil hängt unter einer bestimmten Last in einer ganz bestimmten Form durch. Das Seil entzieht sich dabei wegen seiner Biegeweichheit jeder Momentenaufnahme. Ändert sich die Last, so verändert sich auch die Form des Seildurchhangs. Als Seillinie bezeichnet man die Form eines Seiltragwerks, bei der die Lasten momentenfrei, ausschließlich über Zugkräfte abgetragen werden. Hat ein anderes hängendes oder in gespiegelter Form stehendes Tragwerk die Form einer Seillinie, entstehen in ihm analog keine Momentenbeanspruchungen, wie bereits im Abschnitt zur Ermittlung der optimalen Bogenform beschrieben. Die Form einer Seillinie ist allein von der Belastungsverteilung abhängig. Einzellasten führen zu Knicken, gleichmäßig verteilte Lasten, wie zum Beispiel aus Eigengewicht, zu parabelförmigen Verläufen 40

und vermischte Belastungen zu entsprechenden Seillinienformen. Das Seil zeigt also bei Lastwechseln entsprechend große Verformungen, die mit der von Baukonstruktionen geforderten Gebrauchstauglichkeit nicht vereinbar sind. Zur Lösung dieses Problems stehen im wesentlichen zwei grundsätzliche Ansätze zur Verfügung: • Einleitung der äußeren Lasten durch einen Versteifungsträger, der die von der Seillinie abweichenden Laststellungen über Biegung abträgt. • Vorgabe und Fixierung der Seillinie durch Vorspannen des Seils. Die Vorspannung kann mit Spannseilen oder durch Ballast aufgebracht werden. Im Fall der Spannseile führt eine Steigerung der äußeren Lasten oder in begrenztem Umfang der Wechsel von Laststellungen nicht zu einer veränderten Seillinie, sondern nur zu einer Abnahme der Kräfte in den Spannseilen bis hin zum Erschlaffen. Im Fall des Ballastes ist dessen Größe so zu wählen, dass er maßgeblich für die Seillinie wird und zusätzliche Lasten damit nur zu einer geringen Formänderung führen. Dem gleichen Prinzip folgen auch doppelt gekrümmte Seilnetze für die filigrane Überdeckung großer Spannweiten: Tragseile in den Haupttragrichtungen und gegenläufige Spannseile. Beim Entwurf und Nachweis von Seilkonstruktionen ist neben der Tragfähigkeit in der Regel die Begrenzung der Dehnungen und Verformungen maßgebend. Aufgrund der filigranen Querschnitte der Seile selbst kommt der Detaillierung der Knotenpunkte eine hohe Bedeutung zu. Die im Stahlbau übliche Schweißverbindung scheidet als Verbindungsmittel von Seilen aus. Einzige Ausnahme sind Baustähle mit angeschweißten Blechlaschen. Gängige Möglichkeiten zur Seilverbin-

dung sind: • Vergussverbindungen • Verbindungen mit Gabelseilhülsen und Verbindungsblechen oder Augenstäben • Klemmen und Pressen • Umlenksattel Die Verbindungstechniken bzw. Kombinationen daraus können optimal an die Anforderungen einer Seilkonstruktion angepasst werden, bleiben hinsichtlich ihrer Dimensionen aber dennoch Gestalt bestimmend. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Konstruktion muss beim Entwurf und der Detaillierung beachtet werden, dass Seilverbindungen im Gegensatz zu den Seilen selbst der maßgebliche Kostenfaktor sind. Seillängen sind daher zu maximieren, die Anzahl der Knotenpunkte zu minimieren und Verbindungsprinzipien konstruktiv zu vereinfachen.

23 a

b

V

V

V1

V2

21 Tragsystem »Seil«, Die Form der Seillinie ergibt sich aus der Verteilung der Belastung. 22 Durch gegengespannten Natursteinplattenbelag versteiftes Seil Púnt da Surasuns, 1999, Conzett (s. Seite 90f.) 23 Seilversteifung durch a Versteifungsträger b Vorspannung (V)

Tragwerksentwurf Trägerrost

24

Trägerrost Der Trägerrost besteht aus sich in unterschiedlichen Richtungen kreuzenden – möglichst ebenengleich gestoßenen – biege- und torsionssteif miteinander verbundenen Balken. Die Tragwirkung eines Trägerrostes kann mit der einer Platte gleichgesetzt werden, die durch Balkenscharen aufgelöst ist. Wie bei der Platte ergeben sich auch beim Trägerrost in Abhängigkeit von der Geometrie der Kreuzungspunkte vielfältige Möglichkeiten für die Auflagerung und eine entsprechend große Freiheit für die Stützenstellung. Bei großen horizontalen Ausdehnungen des Rostes ist bei der Ausbildung der Auflager durch entsprechende Maßnahmen zur horizontalen Verschieblichkeit auf eine zwängungsfreie Konstruktion zu achten. Üblicherweise werden zwei sich rechtwinklig kreuzende Trägerscharen als Rost verwendet. Schiefwinklig kreuzende Trägerscharen sind fertigungstechnisch deutlich aufwendiger und kommen daher nur in Einzelfällen zur Anwendung. Das Gleiche gilt für Trägerroste aus drei oder mehr sich kreuzenden Scharen. Eine Besonderheit stellt die Form des Trägerrostes mit gekrümmten Trägerlagen entsprechend den Verläufen der Hauptspannungen dar (Abb. 26). Diese Rostform nutzt die Trägerquerschnitte optimal, allerdings muss ein erhöhter Aufwand im Bereich der Anschlüsse in Kauf genommen werden. Trägerroste tragen Lasten senkrecht zu Ihrer Systemebene über die Biegetragwirkung in den Trägerscharen ab. Die Lastaufteilung auf die einzelnen Trägerlagen ist abhängig vom Steifigkeitsverhältnis der Balkenquerschnitte zueinander und von den Spannweitenverhältnissen der sich kreuzenden Träger.

25

Man kann davon ausgehen, dass orthogonale Trägerroste mit gleichen Balkenquerschnitten in beide Richtungen bis zu einem Spannweitenverhältnis von 1:1,5 eine ausgeprägte zweiachsige Lastabtragung besitzen. Größere Spannweitenunterschiede führen zu einer einachsigen Lastabtragung in Richtung der kurzen Spannweite. Die Trägerschar mit der größeren Spannweite wird damit immer mehr zu einem untergeordneten Nebentragsystem. Wie bereits beim Tragsystem »Balken« beschrieben können auch Trägerroste durch eine Auflösung des Kraftflusses hinsichtlich ihres Materialverbrauchs optimiert werden. Dies kann beispielsweise in Form von Unterspannungen der Trägerscharen erfolgen. Entsprechende Konstruktionshöhen und ein größerer Aufwand durch die Ausbildung zusätzlicher Knotenpunkte sind dabei in Kauf zu nehmen. Die Wahl eines Trägerrostes als Tragsystem im Stahlbau kann aus folgenden Gründen erfolgen: • Adäquates Tragsystem für ein ungerichtetes räumliches Konzept mit sichtbarer Konstruktion • Möglichkeit zur freieren Anordnung der Stützen durch ein untergeordnetes enges Trägerraster bei hoher Querschnittsausnutzung • Minimierung der Konstruktonshöhe als Alternative zu einem System bestehend aus Haupt- und Nebenträgern Für die Wahl der erforderlichen Trägerquerschnitte ist bei der Bemessung eines Trägerrostes neben der für Biegetragwerke üblichen Verformungsbegrenzung und Tragfähigkeit auch die Entwicklung der Anschlussknoten maßgebend. Die Trägerstöße müssen neben Normalund Querkräften auch Biege- und Torsionsmomente abtragen. Dadurch erhöht

sich der Aufwand für die Konstruktion der Knotenpunkte. Dies gilt im Besonderen für Bereiche, in denen die Anschlussschnittgrößen über Schraubanschlüsse ausgeführt werden müssen (Montagestöße). Bei der Konstruktion der Trägerrostanschlüsse mit Schweißnähten können die Anschlussschnittgrößen harmonischer übertragen werden. Die Art und Lage der Schweißnähte muss dabei hinsichtlich ihrer Ausführbarkeit (Baustellenstöße, Zugänglichkeit innerhalb der Trägerscharen) überprüft werden.

26

24 Über Mittelstützen weit auskragender Trägerrost Nationalgalerie Berlin, 1968, Mies van der Rohe 25 Tragsystem »Trägerrost« Verlauf der Biegemomente (dünne Linie) und Verformung (gestrichelt) 26 Trägerrostform in direkter Analogie zum Verlauf der Hauptbelastungen in einer punktgestützten Platte, Kurklinik und Terrassentherme, Bad Colberg 1997, Kaufmann, Theilig & Partner

41

Tragwerksentwurf Raster, geometrische Ordnung

28 a

27

b

c

Raster, geometrische Ordnung Die Frage nach dem optimalen Raster der Träger und Stützen muss für jede Bauaufgabe individuell beantwortet werden. Aus der systematischen Anordnung von Stützen in einem Grundriss resultieren möglichst regelmäßige Rasterungen der Decken- oder Dachtragelemente. Dies dient in erster Linie der Wirtschaftlichkeit und leichteren Planbarkeit durch die sich in ihren Abmessungen wiederholenden Grundelemente. Gleichzeitig wird auf diese Weise eine gleichmäßige und zwischen den verschiedenen Feldern des Rasters ausgeglichene Verformung der Konstruktion unter Last bei einer gleichmäßigen Konstruktionshöhe erreicht. Ein durchgängiges und klares Raster stärkt darüberhinaus wesentlich die Ästhetik eines Skelettbaus. Die Stützenstellungen orientieren sich an folgenden wesentlichen Randbedingungen: • Grundriss in Abhängigkeit der Nutzung • Gestaltung der Fassade • Lage der Punkte zur Lastweiterleitung oder Fundamentierung • Begrenzung der Konstruktionshöhen Mögliche Stützenstellungen werden zunächst getrennt nach Innen- und Randstützen untersucht. Innenstützen sind in der Regel nicht gestaltprägend für ein Gebäude und lassen sich relativ leicht in den Grundriss integrieren. Die Stellung der Randstützen dagegen hat einen direkten Einfluss auf die Gestalt der Fassade und das Ausbauraster. Es bieten sich drei grundlegende Stützenstellungen an: • Weitgestellte, von der Fassade eingerückte Stützenanordnung mit einer entsprechenden Freiheit bei der Entwicklung der Fassade, aber resultierenden Zwängen durch die Stützenstellung im Innenraum. 42

• Weitgestellte, in die Fassadenebene integrierte Stützenstellung. Dabei erhält die Fassade eine meist vertikale Gliederung, da die Stützen des Tragwerks deutlich größere Abmessungen besitzen als die Pfosten der Fassade. • Enggestellte Stützenanordnung in der Fassade. Die Stützen tragen geringere Lasten und können damit den Abmessungen von Fassadenpfosten angenähert und in gleichen Querschnitten ausgebildet werden. Die Fassadenelemente können auch direkt an den Stützen befestigt werden, eine gesonderte Fassadenunterkonstruktion kann dann entfallen. Auf den vorgenannten Randbedingungen für die Rasterung der vertikalen Konstruktion kann das Raster der horizontal liegenden Konstruktion entwickelt werden. Es basiert auf geometrischen Grundformen, die sich in gerichtete, ungerichtete und zentrierte Tragstrukturen einteilen lassen. Gerichtete orthogonale Tragstrukturen bauen auf einem Rechteckraster auf und sind immer durch eine Haupt- und Nebentragrichtung gekennzeichnet. Die Kraftableitung ist hierarchisch geordnet. Die Ordnung erfolgt in Haupt- und Nebenträgern (Primär- und Sekundärträgern). Bei der Gestaltung und Dimensionierung der Träger muss zunächst festgelegt werden, ob die Trägerlagen gestapelt oder oberkantenbündig angeordnet werden sollen. Die Stapelung hat den Vorteil, dass Durchlaufwirkungen zur besseren Ausnutzung konstanter Profilquerschnitte ohne großen konstruktiven Aufwand realisiert werden können. Allerdings müssen dafür größere Höhen der Gesamtkonstruktion in Kauf genommen werden. Bei der bündigen Ausführung ist die Durchlaufwirkung der an den Hauptträgern gestoßenen Nebenträger nur mit kon-

27 Klare Strukturierung des Innenraums und der Fassade durch aufeinander abgestimmte Konstruktions- und Ausbauraster Sporthalle Magglingen, 1995–99, Max Schlupp 28 a Gerichtete Struktur b Zentrierte Strukturen c Ungerichtete Strukturen

struktivem Mehraufwand zu realisieren und sollte daher, auch aus gestalterischen Gründen, nicht angestrebt werden. Zur optimalen Ausnutzung der verfügbaren Konstruktionshöhe empfiehlt es sich dabei meist, die hochbelasteten Hauptträger über eine kürzere Spannweite zu führen als die geringer belasteten Nebenträger. Ein Tragwerk wird umso wirtschaftlicher, je kürzer die Wege sind, auf denen die Lasten abgeleitet werden, und je kleiner die Anzahl der Elemente ist, die sich am Lastabtrag beteiligen. Daraus folgt, dass ein Primärtragwerk mit Trägern in einer Richtung und quer dazu liegender Eindeckung am wirtschaftlichsten ist. Durch die Einführung von Sekundär- und gegebenenfalls Tertiärtragebenen lassen sich allerdings die entsprechend größeren Spannweiten erzeugen. Bei ungerichteten Tragstrukturen werden Lasten nahezu gleichmäßig in mindestens zwei Richtungen abgetragen. Hierzu bieten sich auf quadratischen oder dreieckigen Grundrastern aufbauende Trägerroste oder Raumfachwerke an. Den möglichst gleichmäßigen Lastabtrag in alle Richtungen kann aber nur ein entsprechend gleichmäßiges, quadratisches oder auf gleichschenkligen Dreiecken aufbauendes Stützenraster gewährleisten. Zentrierte Strukturen stellen eine Sonderform der Rasterung dar. In der Regel werden zentrierte Raster über Tragelemente gebildet, die auf einen Kreismittelpunkt als Zentrum oder auf die Zentren einer Ellipse ausgerichtet sind. Neben den Überlegungen zu Spannweite, Leistungsfähigkeit, Gestalt und Ordnung eines Rasters muss ebenso die Frage der Installationsführung und die Art der Eindeckung in der Festlegung des Rasters eine sinnvolle Antwort finden.

Tragwerksentwurf Transport, Montage

29 Montage einer Stahlkonstruktion am Tiefenbachkogel (BIG 3), Österreich 30 Anhängelasten in Abhängigkeit der Auslegung eines 35 t Autokrans 31 Zulässige Abmessungen und Gesamtgewichte 29 für beladene Straßentransportfahrzeuge

Transport und Montage Ebenso wie der Lastabtrag im Tragwerk bestimmen auch Einflüsse aus Montage und Transport die Gestalt einer Stahlkonstruktion und ihre Detailausbildung. Schon während der industriellen Vorfertigung der Stahlbauteile findet eine Vielzahl von Transportvorgängen statt, deren Begrenzungen für Gewicht und Abmessungen jeweils stark von der Ausstattung der ausführenden Firma abhängen. Die frühzeitige Berücksichtigung der auf der Baustelle und in der Produktion vorhandenen Randbedingungen gewährleisten eine sinnvolle Elementierung der Gesamtkonstruktion und eine angemessene Gestalt in der Detailausbildung. Bei der Werkstattplanung, die in der Regel im technischen Büro des Stahlbaubetriebs erfolgt, werden die Vorgaben der Architektur und der Tragwerksplanung auf die spezifischen Randbedingungen der Produktion und des Bauablaufs hin angepasst. Dies kann zu erheblichen Abweichungen im Erscheinungsbild der Konstruktion und in der Lastabtragung führen. Werkstattzeichnungen sind daher stets von den Planern zu prüfen und freizugeben, gestalterisch wichtige Punkte wie beispielsweise die Art der Profile und deren Fügung bereits im Leistungsverzeichnis präzise zu definieren. Für die Festlegung der wirtschaftlichsten Transporte sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass eine Wechselwirkung zwischen der Bauteilgröße beim Transport nach Abschluss der Werkstattfertigung und den Hebezeugen auf der Baustelle besteht. Für Transport- und Montageabläufe sind daher immer Varianten zu untersuchen. Die Grenzen für die Ausführbarkeit und die Wirtschaftlichkeit bezogen auf die Größe von Einzelelementen der Konstruktion werden in der Regel durch die Be- 31

30

schränkungen der StVZO hinsichtlich Abmessungen und Gesamtgewicht eines Straßentransportfahrzeuges erreicht. Aufgrund des hohen Vorfertigungsgrades bis hin zum bereits aufgebrachten Korrosionsschutz sind nachträgliche Änderungen an bereits auf der Baustelle angelieferten Bauteilen nur sehr begrenzt möglich und mit erheblichem Mehraufwand und Verlust an Qualität verbunden. Im Stahlbau ist daher auf eine detaillierte und sorgfältige Planung bis hin zur Festlegung der Anschlagpunkte und Hebezeuge zu achten. Auf die Baustelle transportierte Bauteile sollten idealerweise direkt unter dem Hebezeug angeliefert und ohne Zwischenlagerung an den Einbauort gehoben werden. Bei Schraubverbindungen auf der Baustelle ist darauf zu achten, dass die Schraubenbilder eines Knotenpunktes jeweils mit einer möglichst geringen Anzahl gleicher Schrauben (Schraubendurchmesser, Schraubengüte) ausgeführt werden, um den Montageaufwand zu minimieren und Verwechslungen bei der Montage vorzubeugen. Baustellenschweißstöße sind möglichst zu vermeiden. Sind sie unvermeidbar sollte bereits bei der Planung und Festlegung der einzusetzenden Stahlgüten ein Schweiß-

fachingenieur hinzuzugezogen werden. Der Berücksichtigung und Eingrenzung von Bautoleranzen nach DIN 18201, DIN 18202 und DIN 18203 kommt im Zusammenhang mit der Planung von Montageabläufen eine hohe Bedeutung zu. Es ist darauf zu achten, dass die zulässigen Toleranzen konstruktiv ohne Zwängungen aufgenommen werden können. Die im Stahlbau mögliche Präzision in der Fertigung von Bauteilen kollidiert auf der Baustelle häufig mit der geringeren Genauigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Holz. An der Schnittstelle zwischen Stahlbau und anderen Gewerken müssen daher stets größere Maßungenauigkeiten eingeplant und ausgeglichen werden. Dies gilt insbesondere im Bereich der Fundamentierung von Stahlbauteilen. Neben der Berücksichtigung der Montageabläufe wird bei der Entwicklung von Stahlkonstruktionen häufig auch eine Planung der Demontage gefordert. Lösbare Klemm- und Schraubverbindungen in den Montagestößen und eine gute Zugänglichkeit der Anschlüsse ermöglichen einen mehrfachen Auf- und Abbau. Ein möglicher Verschleiß in den Verbindungsteilen bei wiederholtem Auf- und Abbau ist bei der Planung zu berücksichtigen.

Zulässige Abmessungen und Gesamtgewichte für beladene Straßentransportfahrzeuge nach §§ 32 und 34 StVZO Straßentransporte ohne besondere Genehmigung

Schwer- und Spezialtransporte

Fahrzeuge mit 2 Achsen

Fahrzeuge mit über 2 Achsen

Sattelkraftfahrzeuge

Lastzüge

mit Jahresdauer- mit Einzelfahrtgenehmigung genehmigung

Länge [m]

12,00

12,00

15,501

18,00

25,00

> 25,00

Breite [m]

2,50

2,50

2,50

2,50

3,00

> 3,00

Höhe [m]

4,00

4,00

4,00

4,00

4,00

> 4,00

Gesamtgewicht [t] 16,00

22,00

40,00

40,00

40,002

> 40,00

1 2

nach Euro-Norm 16,50 m 42,00 t für unteilbare Lasten

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Fügen und Verbinden

Unter Fügen wird das Zusammensetzen von Tragwerksteilen zu einer Gesamtkonstruktion verstanden. Die Teile eines Tragwerkes wirken unter ihrer gegenseitigen Beeinflussung als ein Ganzes. Der Begriff Fügung bezieht sich auf verschiedene Ebenen des Konstruierens von Tragwerken: • Fügung von Einzelelementen zu einem Tragwerksteil, wie Fachwerkträger, zusammengesetzte Träger, mehrteilige Stützenquerschnitte • Fügung von Tragwerksteilen zu Tragwerken, wie Fundament + Stütze + Träger + Platte • Fügung von Bauwerksteilen, wie Stahlskelett + Stahlbetonkern, Tragwerk + Fassade

Die Fügung hat bei der Gesamtkonzeption des Tragwerkes und in der Ausbildung des Details entscheidenden Einfluss auf die Gestalt des Bauwerks. Gut proportionierte Verbindungen, die den Kraftfluss sichtbar machen, aufeinander abgestimmte Profile von Stützen, Trägern und weiteren Subsystemen und ihre klare geometrische Zuordnung können dem Bauwerk eine hohe ästhetische Qualität verleihen. Die Konzeption eines leistungsfähigen Tragwerks und die sorgfältige Ausbildung seiner Details erfordern nicht nur technische Raffinesse, sondern geben den Architekten vielfältigen Gestaltungsspielraum. Für die Fügung von Tragwerksteilen aus dem Material Stahl sind nachfolgend die wichtigsten Prinzipien dargestellt.

Die wichtigsten Kriterien für das Fügen von Tragwerksteilen sind: • Das Material: Kennwerte und Eigenschaften • Der Kraftfluss: Die inneren und äußeren Kräfte sollen auf direktem Weg und mit geringstem Aufwand übertragen werden • Die Geometrie: Geometrie und optimaler Kraftfluss bedingen sich gegenseitig. Kreuzungen und Durchdringungen bedürfen besonderer Beachtung (angemessene Querschnittsformen und sinnvolle Ausbildung der Tragswerksteile). • Die Herstellung, Verarbeitung und Montage: Herstellungsmethoden und Grad der Vorfertigung. • Die Verbindungsmittel: Die Wahl hängt ab vom jeweiligen Material, von der Beanspruchung und dem Kraftfluss (dem statischen System), von der Herstellung und Montage. • Die Form: Durch das gewählte statische System, das verwendete Material und die Fügung der Tragwerksteile wird die Erscheinungsform des Tragwerkes bestimmt.

45

Fügen und Verbinden Schrauben, Nieten

1

2

3

Verbindungsmittel

a

4

b

5

6

a

7

b

Schrauben Schrauben zählen zu den wichtigsten lösbaren Verbindungsmitteln im Stahlbau. Die Vorteile von Schraubverbindungen sind: • einfache Handhabung auf der Baustelle oder in der Werkstatt, Nieten • hohe Verfügbarkeit von Schrauben verUnter Nieten versteht man das nicht lösschiedenster Qualitäten und Festigkeiten, bare Verbinden von Teilen mit Hilfe eines • einfache Lösbarkeit des Verbindungsgestauchten Fügeteils (Niete). mittels als wichtige Voraussetzung bei Aufgrund der hohen Lärmbelästigung und der Montage und Demontage von Bauder zeitintensiven harten Arbeit wird die teilen. klassische (Voll-)Niete im Stahlbau fast Der Einsatz von Verschraubungen bietet nur noch bei der Reparatur von genieteim Stahlbau vielfältige Möglichkeiten. Es ten Konstruktionen eingesetzt. Neuentwikönnen Bleche und Walzprofile mit unterckelte montagefreundlichere Nieten wie schiedlichsten Schrauben und gegebebeispielsweise Pop- oder Blindnieten komnenfalls Muttern kraftschlüssig verbunden men im Bauwesen vorzugsweise bei Feinwerden. Im Hochbau sind beim Verbinden von Elementen der tragenden Kona b c struktion Sechskantschrauben als rohe Schrauben oder Passschrauben sowie ZugSenkkopfschrauben mit Innensechskant kraft zugelassen. Je nach Schraubenwerkstoff Gegen(Festigkeitsklasse) unterscheidet man kraft dabei normalfeste und hochfeste Schrauben. Schrauben können axial zugbeanSollbruchsprucht oder auf Abscheren beansprucht stelle 8 werden oder gleichzeitig beiden Beanspruchungen ausgesetzt sein. Die Kurzform einer Schraubenbenennung 1 links: Sechskantschraube; rechts: Edelstahlsetzt sich wie folgt zusammen: Passschraube mit Innensechskant • Bezeichnung des Schraubentyps 2 Vierendeelträger zusammengesetzt aus Blechen, mit präzisem Schraubenbild (z. B. Passschraube) 3 links: selbstschneidende Schraube • Gewindeart (M = metrisches Gewinde) rechts: selbstbohrende Schrauben • Gewindedurchmesser (in mm) 4 Sechskantschraube mit metrischem Gewinde a Einschnittige Schraubverbindung • Schraubenwerkstoff (z.B. hochfest: 10.9) b Zweischnittige Schraubverbindung Die Festlegung des Schraubenbildes als 5 Blechschrauben 6 Bohrschrauben prägendes Gestaltungsmerkmal wird in a Kreuzschlitzsenkschraube enger Abstimmung des Architekten mit b mit Außensechskant, Flansch und Schlitz dem Bauingenieur festgelegt. Aus forma7 Typische Nietformen a Halbrundniet (DIN 660) len oder konstruktiven Gründen kann es b Halbrundniet mit großem Kopf (DIN 663) erforderlich sein, Schrauben in eine Gec Senkniet (DIN 661) d Linsenniet (DIN 632) windebohrung einzuschrauben, so dass e Flachrundniet (DIN 674) die Mutter entfallen kann. f Riemenniet (DIN 675) Beim Verschrauben von dünnen Blechen 8 Arbeitsgänge beim Setzen eines Blindniets t1

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und Fassadenteilen werden Schrauben verwendet, die ihr Bohrloch selbst schneiden oder ihr Gewinde in das Blech schneiden. Man spricht von selbstbohrenden oder gewindeschneidenden Schraubentypen. Sie benötigen keine Muttern.

Fügen und Verbinden Schweißen

9

9 gute Schweißnaht, Ansicht und Schnitt 10 schlechte Schweißnacht, Ansicht und Schnitt 11 Stoßarten, Formen und Abmessungen von Schweißnähten nach DIN 18800-1 1 Ausführung nach DIN 18800-7, Abschnitt 3.4.3

10

blechkonstruktionen zum Einsatz. Blindnieten, die nur von einer Seite, ohne Gegenhalten, verarbeitet werden, eignen sich dabei besonders für Hohlraumkonstruktionen.

Querschnittsformen von Schweißnähten Nr. 1

Symbol

Nahtart1

Bild

Stumpfnaht t2

Nicht durchgeschweißte Nähte

t1 2

D(oppel)HV-Naht (K-Naht)

t2 t1

3

HV-Naht

Klapplage gegengeschweißt

t2 backing run

t1 4

HV-Naht

Wurzel durchgeschweißt

t2 t1

5

HY-Naht mit Kehlnaht

evtl. Klapplage

a t2 ≤ 60°

Kehlnähte

Durch- oder gegengeschweißte Nähte

t1 6

a ≤ 60°

7

D(oppel)HV-Naht mit Doppelkehlnaht

t1

a

a t2 ≤ 60°

8

D(oppel)HY-Naht

9

Doppel Å-Naht ohne Nahtvorbereitung (Vollmechanische Naht)

10

11

11

HY-Naht

Kehlnaht

Doppelkehlnaht

a

a

b a

t1 theoretischer Wurzelpunkt

t1

theoretische Wurzelpunkte

t1

a t2

a t2

c

Schweißen Neben dem Schrauben ist das Schweißen eine weitere Standardverbindung im Stahlbau. Beim Schweißen werden mehrere gleiche oder sehr ähnliche Stähle zu einem homogenen Bauteil zusammengefügt, indem sie an ihrer Nahtstelle nach einer Verflüssigung oder plastischen Verformung miteinander verschmelzen. Dies kann mit oder ohne Zuführung eines weiteren Werkstoffes erfolgen. Im Stahlbau sind folgende Schmelzschweißverfahren von Bedeutung: • Lichtbogenschweißen • Schutzgasschweißen • Abbrennstumpfschweißen • Autogenschweißen Die Geometrie und Funktion der Fügeteile der Schweißkonstruktion bestimmen die Stoßart und Form der Schweißnaht. Bei der Fugenausbildung ist dabei zu beachten, dass unter Berücksichtigung der gewählten Schweißart ein vollständiges Durchschweißen der Wurzel und Aufschmelzen der Fugenflanken gesichert ist. Bei der Festlegung der Nahtausbildung sollte mit der ausführenden Firma außerdem ein Referenzmuster vereinbart werden, um das angestrebte Erscheinungsbild sicherzustellen. Schweißnähte im Hochbau dürfen nur von entsprechend ausgebildetem Fachpersonal ausgeführt werden. Eine Überprüfung der Nähte erfolgt gegebenenfalls auf Verlangen des Prüfingenieurs durch Schweißfachleute, die die betreffenden Materialbereiche unter Anwendung von Röntgen und Ultraschall auf Zähigkeit, Festigkeit, Formänderungsvermögen und Fehler im Werkstoff untersuchen. Speziell bei Baustellennähten ist auch auf den nachträglichen Korrosionsschutz zu achten. 47

Fügen und Verbinden Stützen

12

13

14

Stützen Einteilige Stützen Die Hauptanwendungsgebiete für Stahl im Bauwesen sind lineare Tragwerkselemente wie Stützen und Träger. Stützen leiten die Lasten der Geschossdecken und des Daches in den Baugrund ab. Sie kommen als Pendelstützen oder als eingespannte Stützen vor. Die hohen Festigkeiten des Werkstoffs Stahl führen dabei zu schlanken Querschnitten, auf deren Stabilitätsverhalten besonders geachtet werden muss (siehe hierzu auch S. 35). Das häufig auftretende »Ausknicken« wird durch Profilierung und Aussteifung vermieden. Da das Ausknicken der Stabachse in allen Richtungen möglich ist, sind rotationssymmetrische Querschnitte wie Rundrohre besonders geeignet. Wird eine Stütze in einer Ebene am Ausknicken gehindert, so wird sie als einfach symmetrischer Querschnitt, beispielsweise als Rechteckrohr oder schlankes I-Profil ausgebildet. Den von oben nach unten wachsenden Lasten im Geschossbau kann der Stützenquerschnitt ohne Änderung der äußeren Abmessungen durch Vergrößerung der Wandstärken und Wahl der Stahlgüten angepasst werden. Hohlprofile und profilierte Stahlstützen ermöglichen eine einfache Leitungsführung für Installationen. Es ist dabei jedoch auf die Schwächung des Querschnitts durch eventuelle Öffnungen zu achten. Häufig verwendete Querschnitte für Druckstützen sind: • Hohlprofile • Breitflanschträger der HE-Reihe • geschweißte Hohlprofile • zusammengesetzte Stützen Zusammengesetzte, aufgelöste Stützen Stützen können auch individuell und der jeweiligen Beanspruchung entsprechend aus einzelnen Profilen oder Blechen zusammengesetzt werden. Bei der Fügung von gleichen Profilquerschnitten zu einer 48

a

b

c

d

15

Stütze werden die Querschnitte mit Koppelblechen in einem festzulegendem Abstand miteinander verbunden. Bei Stützen großer Höhe kann es sinnvoll sein, ihren Querschnitt der Beanspruchung anzupassen, um unnötigen Materialaufwand zu vermeiden. Dies erfolgt bei-

spielsweise durch Auflösung des Querschnitts in eine mehrgurtige Fachwerkoder Rahmenstütze. Bei Pendelstützen können die Gurte am Kopf- und Fußpunkt zu einem ablesbaren »Gelenk« zusammengeführt werden, während das Herunterführen aller Gurte bis zum Fundament

Fügen und Verbinden Stützen

16

12 Typischer geschweißter Anschluss von Stütze und lastverteilender Fußplatte 13 Verbindung Stütze Dachträger, Nationalgalerie Berlin 1968, Mies van der Rohe 14 Stahlverbundstütze mit Kammerbeton 15 a Hohlprofile b offene Walzprofile c aus Stahlprofilen zusammengesetzte Stützen d Verbundstützen aus Stahl und Beton 16 Pylonstützen als Gittermasten mit rundem Querschnitt, Fabrikgebäude Köln 1992, Nicholas Grimshaw 17 Seilverspannte Druckstütze, Renault Distribution Center, Swindon GB 1982, Norman Foster 18 Zusammengesetzte Dreigurtfachwerkstütze aus Rundrohren geschweißt und diagonal verstärkt 19 Zusammengesetzte Viergurtstütze aus Hohlprofilen biegesteif verschweißt

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mit geringem Aufwand für eine Einspannung genutzt werden kann. Mehrteilige Stützen können auch als seilverspannte Druckstützen ausgebildet werden. Die Auflösung von Stützen dient nicht nur der Materialersparnis, sondern sie kann zur Integration von Ausbauteilen genutzt werden und nicht zuletzt auch die filigrane Wirkung und Eleganz eines Stahlskeletts steigern.

18

19

Verbundstützen Die Tragfähigkeit und der Brandwiderstand einer reinen Stahlstütze können durch Verfüllen mit Beton und zusätzlicher Bewehrung erheblich gesteigert werden. Bei Einhaltung bestimmter Betonüberdeckungen des Stahlprofils und der Bewehrung sowie durch Zulage zusätzlicher Längsbewehrung lassen sich Verbundstützen in sehr hohe Feuerwiderstandsklassen einordnen. Kammergefüllte Querschnitte werden besonders häufig eingesetzt, da zum einen die Herstellung sehr einfach ist, zum anderen Stahlflächen sichtbar bleiben, an die, auch nachträglich, Anschlusskonstruktionen angeschweisst werden können. Bei betongefüllten Rohrquerschnitten liegt der mögliche Gewinn an Tragfähigkeit durch die Betonfüllung in der gleichen Größenordnung wie bei offenen Profilen mit Kammerbetonfüllung. Werden betongefüllte Hohlprofile mit Stahlprofilen bewehrt, ergeben sich zahlreiche Abstufungsmöglichkeiten unter Beibehaltung konstanter Außenabmessungen, um die Tragfähigkeit den unterschiedlichen Belastungen innerhalb eines Geschossbaues anzupassen.

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Fügen und Verbinden Träger

20

21

22

Träger Vollwandträger Beim Entwurf eines biegebeanspruchten Bauteils (siehe S. 36ff.) gilt es die Form und den Querschnitt so zu gestalten, dass eine möglichst hohe Werkstoffausnutzung erreicht wird. Im Stahlbau werden für biegebeanspruchte Bauteile vorzugsweise Å-Profile oder Hohlkastenträger verwendet. Öffnungen in den Stegen, zum Beispiel für Installationsleitungen, sollten vorzugsweise gerundet und nur in den Bereichen geringer Querkraftbeanspruchung vorgesehen werden, also möglichst nicht in unmittelbarer Nähe der Auflager. Da Lochstegträger und Wabenträger über die gesamte Trägerlänge eine gleichförmige Schwächung der Stege aufweisen, sind sie bei hohen Querkraftbeanspruchungen entsprechend kritisch zu betrachten und eventuell lokal durch Steifen zu verstärken. Anstatt bei einem biegebeanspruchten Bauteil mit der Anpassung des Querschnitts bei gleichbleibender Höhe zu antworten, ist es in den meisten Fällen wesentlich effizienter, die Bauhöhe selbst dem Kräfteverlauf anzupassen. Zusammengesetzte, aufgelöste Träger Erhöht man die Bauhöhe eines Trägers und seiner Aussparungen so, dass nur noch stabförmige Bereiche stehenbleiben, schafft man den Übergang zu aufgelösten Querschnitten, den Fachwerkträgern und Vierendeelträgern. Bei solch hohen und schlanken Biegeträgern muss die Gefahr des Biegedrillknickens berücksichtigt werden (siehe hierzu S. 37). Vierendeelträger, nach dem belgischen Ingenieur Vierendeel benannt, bestehen üblicherweise aus zwei parallelen Gurten mit senkrechten Druckstäben. Da ihre Knotenpunkte wegen fehlender Diagonalen biegesteif ausgebildet werden müssen, sind sie deutlich schwerer als ver50

a a

b

b c 23

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gleichbare Fachwerkträger, andererseits aber sehr installationsfreundlich und wegen ihrer ruhigen Lineatur von hoher Gestaltqualität. Bei der Ausbildung von Fachwerkträgern sollten die Diagonalen zwischen 30° und 60° liegen, da ansonsten große Knotenbleche oder lange Schweißnähte ausgebildet werden müssen, um die geometrischen Schwierigkeiten zu lösen.

20 Herstellung von Cellformträgern 21 Kuppelkonstruktion aus Dreigurtbindern; Rundmischbett Märker, Harburg 2000, Ackermann und Partner 22 Sammlung Beyeler, Riehen 1997, Renzo Piano 23 a–b Herstellung eines Wabenträgers aus einem Doppel-T-Träger ohne (a) und mit (b) eingesetzten Zwischenblechen c Patentiertes Verfahren zur Herstellung eines Cellformträgers aus einem Doppel-T-Träger 24 a Fügung von Haupt- und Nebenträger zweilagig durchlaufend, Platz für Installationsführung b Fügung von Haupt- und Nebenträger einlagig und gelenkig, Vorteil bietet die geringe Bauhöhe

Fügen und Verbinden Träger

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a

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Beispiele für Träger aus zusammengesetzten Stahlprofilen: • R-Träger: Gurte aus T-Profilen, halbierten IPE-Profilen oder Rundrohren, Diagonalen aus Rundstählen als Einzelstäbe oder fortlaufende Schlange. • Fachwerkträger aus Winkelstählen mit Knotenblechen: Gurte sind Doppelwinkel, Füllstäbe als einfache oder doppelte Winkelstähle. Verbindung geschraubt oder geschweißt. • Fachwerkträger mit Gurten aus T-Profilen und Diagonalen aus Winkeln, Doppelwinkeln oder U-Profilen. • Fachwerkträger mit unterschiedlichen Füllstäben: vertikale Druckstäbe werden aus knicksicheren Winkelprofilen gebildet, Zugdiagonalen (zum Trägerauflager steigend) aus Flachstahl. • Fachwerkträger aus Rohrprofilen: bei gleichem Außendurchmesser können die Wandstärken an die unterschiedlichen Belastungen der Stäbe angepasst werden. Knotenpunkte durch Verschweißen der Rohrverschneidungen.

25 Einfeldträger als Dreigurtfachwerk, Flughafen Hamburg, 1993, GMP 26 Vierendeelträger mit abgehängtem Pfettenrost, Eissporthalle, München 1991, Ackermann und Partner 27 Gebogene unterspannte IPE-Trägerpaare, Fabrikhalle, Saint-Quentin-en-Yvelines 1991, Renzo Piano 28 a Fachwerkknoten geschraubt: mit einfachem Knotenblech b Fachwerke aus Rechteckhohlprofilen: Anschluss von Pfosten und Diagonalen an den Obergurt c Träger aus zusammengesetzten Stahlprofilen 29 a einfach unterspannter Träger b zweifach unterspannter Träger c mehrfach unterspannter Träger in Fischbauchform d Polenceau-Träger

Zusammengesetzte Trägersysteme Im Stahlbau sind der Phantasie des Konstrukteurs bei der Entwicklung von Tragsystemen kaum Grenzen gesetzt. Durch die Kombination von unterschiedlichen Tragsystemen kann der Entwurf über die zuvor genannten Å-Träger, Fachwerkund Vierendeelträger mit über- und unterspannten Systemen größere Spannweiten erreichen, ohne die Leichtigkeit und Filigranität des Tragwerks zu verlieren. Mit einfach oder mehrfach unterspannten Trägern, überspannten Systemen bis hin zu Hänge- und Schrägseilkonstruktionen lassen sich Spannweiten verwirklichen, die mit keinem anderen Werkstoff zu realisieren sind.

a

b b

c c

d

28

Um einen optimalen Kraftfluss zu erreichen, müssen sich die Systemlinien aller Profile in einem Punkt treffen (Abb. 28).

51

Fügen und Verbinden Stützenfuß

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31

32

Stützenfuß Bei der Einleitung von Druckkräften in ein Fundament ist darauf zu achten, dass der Beton in der Regel die übertragenen Spannungen nicht direkt aufnehmen kann, da die punktuelle Belastung zu hoch wäre. Die Kraft der Stahlstütze wird deshalb großflächig über eine Fußplatte in den Beton eingeleitet. Die Fußplatte ist ausreichend dick zu dimensionieren, um Verformungen wie beispielsweise das Abheben der Ecken zu vermeiden. Anstatt einer dicken Fußplatte kann auch ein dünneres Blech gewählt werden, das über Steifen zwischen Stütze und Fußplatte für eine Lastverteilung verstärkt ist. Zwischen der Fußplatte und dem Betonfundament ist eine ausreichend große Fuge einzuplanen, um die Bautoleranzen aufnehmen zu können. Für die Montage wird die Fußplatte mit Unterlagsblechen unterfüttert, justiert und danach mit Quellmörtel vergossen. Für den späteren Anschluss eines eventuell vorgesehenen Fertigfußbodens ist am Stützenfuß auf glatte Anschlussflächen zu achten. Offene Profile sollten in diesem Bereich mit eingeschweißten Blechen geschlossen oder in geschlossene Profile übergeführt werden (siehe beispielsweise S. 97). Bei geringen Lasten wird die Fußplatte mit Dübeln und Reaktionsankern im Fundament befestigt, bei größeren Lasten und eingespannten Stützen durch Anker und einbetonierte Stahlprofile. Gewinde- und Ankerstäbe werden mit Hilfe von sorgfältig an der Fundamentschalung befestigten Schablonen einbetoniert. Diese Maßnahme soll eine korrekte und maßgetreue Lage sicherstellen, die später nur mit großem Aufwand zu korrigieren ist. Bei Sanierungen und nachträglich einzubauenden Stützen können die Fußpunkte angedübelt oder über eingeklebte Anker befestigt werden. 52

a

b

c

d

33

30 Einachsig gelenkiger Stützenfuß 31 Stahleckstütze auf Ziegel fundamentiert, IIT Navy Building, Chicago 1947, Mies van der Rohe 32 Stützenfuß mit Lastverteilerplatte und Abstand für Vergussmörtel

33 a Zweiachsig gelenkiger Stützenfuß, Auflager mit Kugelgelenk b Einachsig gelenkiger Stützenfuß, durch Steifen verstärkter Laschenanschluss c Eingespannte Stütze mit Ankerstäben d Gelenkige Profilstütze mit Knaggenauflager

Fügen und Verbinden Verbindung Stütze – Träger

34

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Verbindung Stütze – Träger

a

b

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d

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34 Ein Gussknotenelement vermittelt zwischen den unterschiedlichen Stützenquerschnitten und den Trägern eines Geschossbaues. Bürogebäude, Bedfont Lakes 1992, Michael Hopkins 35 Aufgelöste Stahlstütze mit Fachwerkträgeranschluss, Stahlbausystem MAXI, 1962–94, Fritz Haller 36 Anschluss Stütze – Fachwerkträger Isometrie ohne Maßstab, System MAXI

37 a Anschluss Stütze – Träger mit Verschraubung als Lagesicherung und Steife zur Querkraftübertragung b Biegesteifer Anschluss Stütze – Träger – Stütze als Schweißverbindung c Biegesteifer Anschluss Stütze – Träger – Stütze als Schraubverbindung d Stahlträger auf Mauerwerk mit lokaler Krafteinleitung

Die Verbindung von Stützen und Trägern ist zunächst einmal ein technisches Problem mit Fragestellungen zur Kraftübertragung, Herstellung und Montage, stellt jedoch bei sichtbaren Konstruktionen auch hohe gestalterische Anforderungen an die Planer. Zu nennen sind die geometrische Abstimmung der Profilquerschnitte für Stützen und Träger, die sinnfällige Darstellung des Kraftflusses und die disziplinierte Entwicklung von möglichst wenigen unterschiedlichen Anschlussdetails für ein Gebäude. Grundsätzlich zu unterscheiden sind gelenkige und biegesteife Verbindungen. Die Ausbildung von steifen Rahmenecken ist sowohl mit Schraubverbindungen wie auch mit Schweißverbindungen möglich. Besonders bei den geschraubten Verbindungen ist zu beachten, dass es aufgrund der hohen Biegekräfte zu komplizierten und raumgreifenden Anschlusspunkten kommt. Montagestöße werden deshalb in die Gelenke gelegt oder an Punkte mit niedriger Momentenbelastung. Räumliche Stützen-Träger-Systeme, die gelenkig verbunden werden, müssen über Diagonalen und Verbände ausgesteift werden. Man spricht von sogenannten (Fachwerk-)Scheiben. Diese Art der Konstruktion ist im Stahlbau die gebräuchlichste und der Rahmenbauweise aufgrund der fehlenden Biegebeanspruchung weit überlegen. Der Materialaufwand ist wesentlich geringer und die Fügetechnik einfacher. Die Verbindungspunkte werden üblicherweise geschraubt und bilden gleichzeitig die Montagestöße. Die Anschlussmöglichkeit für Schraubverbindungen zwischen Stützen und Trägern kann beispielsweise über Kopfplatten, Winkelbleche oder Laschen erfolgen. Eine weitere Anschlussvariante ist, die Vertikallast über eine Auflagerknagge abzugeben. 53

Fügen und Verbinden Verbände

Verbände Gebäude müssen zur Stabilisierung (Imperfektionen) und zur Aufnahme horizontaler Lasten (Wind) ausgesteift werden. Im Stahlskelettbau kann dies sehr effektiv durch Verbände, fachwerkartig aufgelöste Scheiben, erfolgen. Dazu sind im Grundriss mindestens drei vertikale, stehende Verbände erforderlich, deren Systemachsen sich nicht in einem Punkt schneiden dürfen. Der Lastein- und austrag in diese Verbände erfolgt in der Regel durch horizontale, liegende Verbände in der Dachoder Deckenebene. Anstelle der Ver39 bände können auch Scheiben oder Rahmen eingesetzt werden. Windverbände mit Diagonalen stören die freizügige Nutzung eines Gebäudes, deshalb werden sie in die Fassadenebene gelegt oder in unveränderbare Wände von Erschließungs- und Installationskernen. Diagonalen werden an den Trägern und Stützen mittels Knotenblechen angeschlossen oder direkt verschweißt. Bei der konstruktiven Durchbildung ist darauf zu achten, dass die Annahme der Gelenkigkeit a in den Knotenanschlüssen nicht immer umgesetzt wird. Bei Verschraubungen oder Verschweißungen werden dabei über die Knotenbleche Biegebeanspruchungen in den einzelnen Stäben erzeugt. Diese Nebenspannungen sind jedoch bei hinreichender Schlankheit der Stäbe zu vernachlässigen. Man unterscheidet zwischen Diagonalen, die Zug- und Druckkräfte übertragen, und solchen, die nur Zugkräfte aufnehmen, und daher nicht knickgefährdet sind. Prinzipiell eignen sich alle Bauteile mit konstantem Querschnitt und gerader Stabachse als Zugdiagonale, jedoch bringen Seile oder runde Vollstäbe die Aufgabe dieses Traggliedes besonders gut zum Ausdruck. Sowohl Seile als auch Zugstangen werden über bauaufsichtlich zugelassene, ästhetisch anspruchsvolle Beschlagsysteme mit den angrenzenden b Bauteilen verbunden, wobei Zugstangen auch mit angeschweißten Laschen einfach und kostengünstig angeschlossen werden können. Seile besitzen eine deutlich höhere Festigkeit als Vollstäbe und können höhere Lasten aufnehmen. Sie sind jedoch wesentlich teurer und müssen beim Einbau vorgespannt werden, um einen Durchhang des Seils zu vermeiden. Bei Zugstangen, die an den Enden mit einem Links-/Rechtsgewinde versehen sind, kann die Längenanpassung mit aufgeschraubten Endbeschlägen einfach vorgenommen werden. 41 c 54

40

42

39 Senkrechter Verband in Fassadenebene, Valeo Wischerwerke, Bietigheim 2002, Ackermann und Partner 40 CIM-Institut, Braunschweig 1992, Schulitz + Partner 41 Beispiele für Aussteifungsdetails a Anschluss Diagonale an Stütze bzw. Träger b Anschluss sich kreuzender Diagonalen an Stütze c Kreuzungspunkt von Aussteifungsdiagonalen 42 Zugstangen mit aufgeschraubten Endbeschlägen in unterschiedlichen Ausführungsformen 43 Beispiele für Fügungen von offenen Stahlprofilen

Fügen und Verbinden Offene Profile

43

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Fügen und Verbinden Beispiel Vierendeelträger

1

Geschraubter Vierendeelträger aus Stahlblechen Architekt und Ingenieur entwickelten zusammen ein Dachtragwerk für ein Schulungszentrum, das unterschiedliche Nutzungen jeweils adäquat überspannt: eine ruhige, die konzentrierte Arbeit nicht störende Konstruktion aus Walzprofilen, universell den Bedürfnissen der haustechnischen Installationen anpassbar, und ein vollständig verglastes Tragwerk aus Vierendeelträgern im Bereich des Zusammenseins nach dem Unterricht. Das primäre, auf einem 5 Meter-Raster aufgebaute Tragsystem besteht aus Pendelstützen und Hauptträgern aus Walzprofilen. Das sekundäre Tragsystem aus Nebenträgern ist in einem installationsfreundlichen 2,5 Meter-Raster ausgerichtet und dient zur Lastabtragung der Dacheindeckung aus Trapezblech, zur Befestigung der haustechnischen Versorgungsstränge sowie zur Kippsicherung der Hauptträger. Die Stützen aus HEB 180 Walzprofilen stehen auf Streifenfundamenten, seitlichen Wänden oder Stahlbetonpfeilern und tra-

1 2

56

Bauzustand BMW Trainingsakademie, Unterschleißheim bei München, 2004 Architekt: Ackermann und Partner, Tragwerksplaner: Christoph Ackermann

2

gen die IPE 500 Hauptträger. Die Stützen werden elastisch eingespannt, um während der Bauzeit die Aussteifung der Konstruktion ohne Dachscheibe zu gewährleisten. Im Endzustand wird die Dachscheibe in Verbindung mit den Wandscheiben ausgesteift. Im verglasten Mittelschiff des Gebäudes spannen Vierendeelträger über die Breite von 10 m. Sie sind aus zwei 15 mm dicken und 720 – 870 mm hohen Blechen gefertigt, die zu ihrer Aussteifung mit Abstandshülsen miteinander verschraubt und durch Nebenträger stabilisiert sind. Die Fügung der Bauteile erfolgt über Schraubstöße. Die Dachscheibe wird durch liegende Verbände aus Rundstahl gebildet. Die Aussteifung der Konstruktion übernehmen fünf Stahlbetonkerne, an die die Konstruktion angehängt ist. Die Querschnitte werden überwiegend aus der Stahlgüte S 235 JR G2 (RSt 37-2) gefertigt. Im Erdgeschoss werden die Stützen mit Kammerbeton ausgegossen, um einerseits eine höhere Tragfähigkeit und andererseits einen höheren Feuerwiderstand zu erreichen.

Fügen und Verbinden Beispiel Vierendeelträger

3 3 4 5 6

Isometrie des Tragwerksystems Anschluss des Vierendeelträgers an das Haupttragwerk Anschluss Träger – Stütze, Maßstab 1:20 Querschnitt Träger mit beweglichem Dehnfugenanschluss und Horizontalverband, Maßstab 1:20

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6

5

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Fügen und Verbinden Beispiel außenliegender Fachwerkträger

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Außenliegende Fachwerkträger mit abgehängtem Nebenträgersystem Die Industriehalle wird von einem außenliegenden Tragwerk mit davon abgehängtem Nebenträgersystem überspannt. Die Aussteifung des Baukörpers erfolgt über eingestellte Stahlbetonkerne, Treppen und Lüftungszentralen. Das Primärtragwerk besteht aus Stahlfachwerkträgern mit offenen Stahlprofilen. Die Konstruktion ist nach außen gelegt, um einerseits aus städtebaulichen Gründen eine niedrige Traufhöhe zur kleinmaßstäblichen Nachbarbebauung zu erreichen

7 Valeo Motorenwerk, Bietigheim-Bissingen 2003 Architekt: Ackermann und Partner, Tragwerksplaner: Christoph Ackermann 8 Dachaufsicht als fünfte Fassade mit außenliegenden Fachwerkträgern und selbsttragenden Nordsheds für die Belichtung. Die natürliche und blendfreie Belichtung stellt eine optimale Arbeitsplatzqualität sicher und erhöht die Wirtschaftlichkeit des Energieeinsatzes. 9 Längsschnitt, Maßstab 1:250 10 Querschnitt mit den Abhängungen der Nebenträger, Maßstab 1:250 11 Detail des Fachwerkträgers mit eingeschweißten Diagonalen aus Rundstahl, Maßstab 1:20 12 Querschnitt des Fachwerkträgers, Maßstab 1:20 8

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und andererseits das zu konditionierende Raumvolumen zu minimieren. Der Obergurt ist aufgrund seiner hohen Belastung als HEM 280 ausgebildet, der Untergurt als HEB 300. Die gewählten Profile sind – bedingt durch andere Wandstärken – in ihrer Tragfähigkeit sehr unterschiedlich, in ihren Außenabmessungen jedoch annähernd gleich, wodurch ein ruhiges Erscheinungsbild des Trägers erreicht wird. Die Druckstäbe des Fachwerkträgers sind je nach Lastfall als HEB oder HEA 160 ausgebildet und mit den Ober- und Untergurten biegesteif verschweißt. Diese werden jeweils an den Anschlussstellen

Fügen und Verbinden Beispiel außenliegender Fachwerkträger

10

9

mit Steifen verstärkt. Der Anschluss der Zugdiagonalen aus runden Vollstäben erfolgt mittels eingeschweißter Knotenbleche, durch die erst die erforderliche Schweißnahtlänge hergestellt werden kann. Der wachsenden Beanspruchung der Zugdiagonalen wird mit Querschnittsvergrößerung begegnet. Bei der Fügung der Knotenpunkte ist darauf zu achten, dass sich die Systemlinien der Profile und Diagonalen in einem Punkt schneiden, um eine saubere Krafteinleitung sicherzustellen. Der dargestellte Fachwerkträger aus Walzprofilen mit eingeschweißten Zugdiagonalen kann sehr

11

wirtschaftlich hergestellt werden. Das Nebenträgersystem liegt innerhalb der Gebäudehülle und ist über diagonale Zugstäbe von den Fachwerkobergurten und über vertikale Laschen von den Untergurten abgehängt. Als Verbindungsmittel werden wegen der Montagefreundlichkeit gabelförmige Augenstäbe eingesetzt, die problemlos in die Anschweißlaschen eingehängt und nachjustiert werden können. Die Anschlusspunkte der Hänger werden mit Laschen über die Abdichtebene verlegt, so dass das Eindichten der Durchdringungspunkte möglichst einfach und

sauber gelöst werden kann. Generell ist bei der Durchdringung der Dachebene mit besonderer Sorgfalt bezüglich der Abdichtung zu arbeiten. Bei außenliegenden Tragwerken ist ein besonderes Augenmerk auf den Korrosionsschutz zu legen. Eine Feuerverzinkung mit Grundierung und Deckbeschichtung stellt hierbei den besten Schutz dar. Aufgrund der großen Dimensionen ist eine Verzinkung oft nicht zu realisieren und deshalb auf den Beschichtungsaufbau besonders zu achten (siehe hierzu S. 79ff.).

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59

Fügen und Verbinden Beispiel Fachwerkträger als Haupt- und Nebenträger

13

Fachwerkträger als Haupt- und Nebenträger in einer Ebene Die Ausgangsidee für den Tragwerksentwurf war ein ungerichtetes Trägersystem, das beliebig in alle Richtungen erweitert werden kann und für die Produktion eine ausreichende Stützenfreiheit bietet. Zur Optimierung wurden schon in der Konzeptphase die Pläne der Haus- und Produktionstechnik in die Überlegungen einbezogen. In vielen Überarbeitungsschritten wurde dann auf einem quadratischen Raster von 24,5 m ein in Hallenlängsrichtung durchlaufendes Trägersystem mit eingehängten, einfeldrigen Nebenträgern entwickelt. Haupt- und Nebenträger bestehen aus Fachwerk und sind zwecks optimaler Installationsführung in einer Ebene angeordnet. Die Profile der Fachwerkträger entsprechen dabei konsequent den jeweiligen

13 Valeo Wischerwerke, Bietigheim-Bissigheim 2002, Architekt: Ackermann und Partner Tragwerksplaner: Christoph Ackermann 14 Die einzelnen Profile des Fachwerkträgers sind ihren jeweiligen Beanspruchungen angepasst. Maßstab 1:20 14

60

Belastungen: Reine Zugelemente sind aus Flachstahl gefertigt, Zugstäbe mit geringen Druckbelastungen aus schmalen U-Profilen und knickgefährdete Druckstäbe als doppelsymmetrische Walzprofile. So wird nicht nur Material gespart, sondern die Wirkungsweise des Fachwerkes sichtbar gemacht. Die Dachebene ist durch mit Spannschlössern vorgespannte Verbände aus Rundstäben zu einer Scheibe ausgebildet, die die Windlasten zu den Betonkernen bzw. Vertikalverbänden hinleitet und außerdem die knickgefährdeten Obergurte der Fachwerkträger stabilisiert. Die Vertikalverbände für die Aussteifung sind in Hallenlängsrichtung in der Mitte der 171,5 m langen Halle in den Fassadenebenen angeordnet und erlauben dem Tragwerk eine spannungsfreie Temperaturdehnung. Die maximal auftretende Verschiebung halbiert sich somit.

Fügen und Verbinden Beispiel Fachwerkträger als Haupt- und Nebenträger

15

16

15 Ansicht Hauptträger 16 Die 24,5 m langen Hauptträgerabschnitte werden jeweils am Auflager gestoßen. Um die hohen Momente der Durchlaufträger an dieser Stelle aufzunehmen sind die Obergurte zum Untergurt heruntergeführt und oben montagefreundlich durch reine Zugelemente aus Flachstahl gekoppelt. Die eingehängten Nebenträger müssen aus der Stützenachse herausgerückt werden, wodurch hier eine besonders große Öffnung für Installationen entsteht. 17 Isometrie eines Tragwerksmodules mit aufgesetzter Dachlaterne 18 Auflager Stütze – Träger mit Montagestoß der durchlaufenden Hauptträger, Maßstab 1:20

17

aa c

a

a

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b

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cc

18

bb

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Fügen und Verbinden Trägerrost mit Gussknoten

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Geschweißter Trägerrost mit Gussknotenverbindungen Die Grundfäche der Halle hat eine Größe von 27 400 m2 bei einer Länge von 226,26 m und einer Breite von 121,26 m. Die Gesamthöhe der Halle beträgt 18,60 m. Die Primärstruktur des Tragwerkes besteht aus einem fachwerkartig aufgelösten Stahlträgerrost mit einer Systemhöhe von 4,50 m. Der Trägerrost liegt auf den sechs Installationskernen aus Beton auf, die auch die Aussteifung übernehmen. Das Quadratraster von 7,50 m auf 7,50 m resultiert aus der konstruktiven und wirtschaftlichen Optimierung des eingesetzten Rundrohrmaterials. Die Sekundärstruktur besteht aus vorgefertigten 2,50 auf 7,50 m großen Holzkassetten, die über Abstandshalter schachbrettartig auf den Rost aufgelegt sind. Für das flächige Tragwerk wurde eine Kombination aus Linien- und Punktlagerung gewählt. Es liegt an acht Punkten auf den Innenecken der untergestellten Servicekerne aus Ortbeton und gibt dort seine Hauptlast (bis zu 1100 Tonnen) ab. Zusätzlich tragen die Fassadenstützen. Aus dieser Kombination ergibt sich eine Einspannwirkung im Bereich der Eckbeziehungsweise Mittelkerne zur Abtragung der Windlasten (Abb. 21). Der Trägerrost besteht aus warmgefertigten Rundrohren (St 355 JO, alt: St 52-U), die mittels angeschweißter Gussknoten biegesteif miteinander verbunden sind. Die Obergurte werden im Feldbereich vorwiegend auf Druck beansprucht, im Bereich der Einspannung über den Servicekernen vorwiegend auf Zug, die Untergurte in den Feldbereichen auf Zug und im Lagerbereich auf Druck; Durchmesser

20

62

und Wandstärken der Rohre wurden der Belastungssituation angepasst. Die Diagonalen werden im Bereich der Einspannung sowohl auf Zug als auch auf Druck belastet. Im direkten Lagerbereich sind sie kreuzweise eingesetzt, um die Lastabtragung auf Zug und Druck zu verteilen. Dabei stützt die unter Zugkraft stehende Diagonale die Druckdiagonale beziehungsweise setzt deren Knicklänge herab. Die Tragwerksteile sind in den Systemknoten über Gusselemente GS 18 NiMo Cv 3Y6 biegesteif zusammengefügt. Der Vorteil der Gussherstellung – Teilformen werden zu Gesamtformen zusammengesetzt – wurde genutzt, um für die Knotenpunkte ein Baukastensystem zu entwickeln. Mit Grundkörpern und verschiedenartigen Anbauteilen können beliebige Anschlusssituationen für Diagonalen und Pfosten hergestellt werden. Das biegesteife Tragwerk wurde um bis zu 500 mm überhöht. Unter Vollast (Eigengewicht und Schneelast), die eine vertikale Verformung bis zu 300 mm ergibt, verbleibt eine Restüberhöhung von etwa 200 mm, damit ein »optisches« Durchhängen der Konstruktion vermieden wird. Der Trägerrost wurde in 30 m langen Trägerabschnitten im Werk vorgefertigt und dann vor Ort montiert und zusammengeschweißt.

21

Fügen und Verbinden Trägerrost mit Gussknoten

22

23

19 Systemdarstellung des Dachtragwerks mit den acht Auflagerpunkten 20 Halle 13 – EXPO Halle, Hannover 1997, Architekt: Ackermann und Partner Tragwerksplaner: Schlaich, Bergermann und Partner 21 Systematik der Aussteifung 22 Isometrie des ausgeführten Gussknotens mit angeschweißten Rundrohren 23 Fachwerkrost mit aufgelegten Holzkassetten 24 Anschluss der Längsaussteifung an die Gussknoten im Bereich der Mittelkerne, ohne Maßstab 25 und 26 Auflagerpunkt mit Queraussteifung

24

25

26

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Halbzeuge aus Stahl

h-2c

Steg

h

r

tg

Flansch

c

b w1

ts d1 Flansch 1 2

Blockstraße Salzgitter AG, Warmwalzvorgang eines I-Profils Breiter I-Träger mit parallelen Flanschen, Reihe HE-B = IPB nach DIN 1025-2

Stahl ist ein warm und kalt formbarer Eisenwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,9 %. Er wird durch Walzen, Strangpressen oder Ziehen zu Halbzeugen weiterverarbeitet, deren Handelsform genormt ist. Warmformgebungsverfahren sind • Warmwalzen, • Schmieden, • Gießen und • Strangpressen. Die Warmumformung findet oberhalb der so genannten Rekristallisierungstemperatur statt, die Kaltverformung unterhalb. Zu den Kaltformgebungsarten zählen:

w1 1

Ziehen Tiefziehen Kaltverdrillen Kaltbiegen Kaltpressen Kaltwalzen

(Spanndrähte) (Bleche für Trapezprofile) (Betonstahl) (Spann-Bewehrungsstäbe) (Köpfe auf Spanndrähten) (Profile)

Der Oberbegriff Halbzeug steht für vorgefertigte Rohmaterialien, die halbfertig sind (semi-finished materials), wie Bleche, Profile oder Rohre. Diese Halbzeuge stellen in der Metallverarbeitung die übliche Lieferform dar. Sie sind nicht auf Bestellung gefertigt und wesentliches Element für rationelle und kostengünstige Konstruktionen. Als Massenware vorgefertigt, müssen sie nur noch spezifisch bearbeitet oder veredelt werden. Die Stahlerzeugnisse sind in der EN 10079 beschrieben nach Form, Abmessung, Aussehen und Oberflächenzustand. Grob unterschieden werden: • Langerzeugnisse Warmgewalzte Profile, Hohlprofile (nahtlose und geschweißte Rohre), Kaltprofile, Draht (Walzdraht, gezogener Draht) • Flacherzeugnisse Breitflachstahl, Bleche und Bänder (warm- oder kaltgewalzt), profilierte Bleche

w3

2

Langerzeugnisse Beim Standguss wird der flüssige Stahl aus den Konvertern in Formen (Kokillen) zu Brammen oder Blöcken gegossen. Neuer ist das Stranggießen, ein kontinuierliches Verfahren, bei dem Rohlinge in gewünschter Länge entstehen: • Vorblöcke

> 130 mm2

• Knüppel

< 130 mm2

• Brammen

t > 40 mm

• Warm- und Kaltbänder • • • • • •

w2

Daraus werden auf Warmwalzstraßen die Profilerzeugnisse hergestellt. Dabei durchlaufen die glühenden Vorblöcke oder Brammen mehrere Walzgerüste, bis das Fertigprofil ausgewalzt ist. Profilerzeugnisse werden in gerader Form über die gesamte Länge geliefert, Walzdraht in Ringen. Es gibt über 70 000 verschiedene Walzstahlerzeugnisse. Die üblichsten Standardwalzprofile sind in Tabellen mit ihren Querschnittswerten aufgeführt und ihre Geometrien in EURO-, DIN- und Werksnormen der Hüttenwerke festgelegt. Sonderprofile können zwar hergestellt werden, sind aber erst in großen Mengen wirtschaftlich. In Deutschland werden meist die genormten europäischen Profile verwendet. Es gibt aber auch Exportprofile für Übersee, sie sind nach internationalen Normen definiert. Tabellen über die Angabe der Mantelflächen in m2/m der verschiedenen Profile erleichtern die Ermittlung der Entrostungs- und Anstrichflächen für Beschichtungen. Angaben zur Profilabwicklung U in m2 dienen der Ermittlung des Profilfaktors U/A für Brandschutzberechnungen. Je kleiner das Verhältnis U/A ist, um so dünnere Verkleidungen reichen für die gleiche Brandwiderstandsklasse aus.

Der Stahlpreis errechnet sich über sein Gewicht. Die Gewichtsangaben sind ebenfalls tabellarisch den verschiedenen Profilen und Langerzeugnissen zugeordnet und Basis für die Abrechnung. Sie basieren auf der Dichte von 7,85 kg/dm3, die vom Formenausschuss für Eisen und Stahl verwendet wird (DIN 18335 und DIN 18360). Wirtschaftliches Konstruieren ist nur bei entsprechender Sachkenntnis möglich. Bei manchen Konstruktionen kann der hochwertige S355 (früher St 52) wirtschaftlicher sein, als der billigere S235 (früher St 37). Preisunterschiede gibt es auch zwischen den einzelnen Profilarten, nicht immer ist das leichteste Profil das billigste. Bei der Auswahl von Profilen muss neben Statik und Preis auch der Bearbeitungsaufwand in der Werkstatt und bei der Montage berücksichtigt werden. Å-Profil Am häufigsten verwendet werden Profile mit Å-Querschnitt (Doppel-T). Sie werden in einer Folge von Walzvorgängen durch paarweise senkrecht aufeinander stehende Walzen erzeugt. Charakteristisch ist die dabei entstehende Rundung in den Ecken zwischen Steg und Flansch. Die Profile werden in einer Richtung gewalzt, die Hauptfestigkeit liegt in Walzrichtung, quer dazu ist sie geringer. Die so hergestellten Profile haben zwar eine hohe Passgenauigkeit, sind aber durch den Produktionsprozess nicht gänzlich frei von Toleranzen. Die zulässigen Abweichungen sind in den Normen festgelegt und bei der Planung zu berücksichtigen. In die Kammer eines Å-Profils einzusetzende Elemente wie Blechsteifen sollten daher nicht als Lagerware produziert sondern im Einzelfall eingepasst werden. In der europäischen Doppel-T-Profilserie HE-B (normale Reihe) und IPE ist die Profilbezeichnung identisch mit der Trägerhöhe (weiter auf Seite 68). 65

Halbzeuge aus Stahl Übersicht Profile

3a

b

c

Übersicht der gängigen europäisch genormten Stahlprofile – Formen und Anwendungen, Abmessungen und Gewichte Bezeichnung

min./max. Abmessung (h x b) [mm]

Gewicht [kg/m]

DIN-Norm

Euronorm EN

• IPE mittelbreite I-Träger • IPET halbierter IPE • UPE U-Stahl • UAP U-Stahl

IPE 80 IPE 600 IPET 80 IPET 600 UPE 80 UPE 400 UAP 60 ≈ 45 UAP 300 ≈ 100

6,0 kg/m 122,0 kg/m 3,0 kg/m 61,2 kg/m 7,9 kg/m 72,2 kg/m 8,4 kg/m 46,0 kg/m

DIN 1025-5

EN 19–57/44–63

IPE

IPE Profile sind schlanke, leichtere Profile für geringe Lasten. Wegen der geringen Flanschbreite besteht Knickgefahr, daher vor allem als Biegeträger angewendet, als Druckstab, Stütze weniger gut geeignet. Im Geschossbau häufig verwendet. UPE- und UAP-Profile werden häufig paarweise kombiniert, der einzelne Träger lässt durch die Asymmetrie nur geringe Beanspruchungen zu, er neigt dazu, sich unter Last zu verdrehen. IPET-Träger sind durch den Metallbauer halbierte, nicht genormte IPE-Träger, werden bei Fachwerkträgern oder Slim-FloorDecken als Träger verwendet.

Profile mit parallelen Flanschen

UAP

IPET

(80 mm ≈ 46 mm) (600 mm ≈ 220 mm) (40 mm ≈ 46 mm) (300 mm ≈ 220 mm) (80 mm ≈ 50 mm) (400 mm ≈ 115 mm) (60 mm ≈ 45 mm) (300 mm ≈ 100 mm)

DIN EN 59051 (scharfkantige Profile) DIN 1026-2 (Peiner Träger GmbH) Französische Norm NFA 45–255 (Arbed)

Breitflanschträger • HEA leichte Reihe (IPBI) breite I-Träger, leichte Reihe • HEB normale Reihe (IPB) breite I-Träger, normale Reihe • HEM verstärkte Reihe (IPBv) breite I-Träger, verstärkte Reihe

HEA

HEB

HEM

HEA 100 (96 mm ≈ 100 mm) HEA 1000 (990 mm ≈ 300 mm) HEB 100 (100 mm ≈ 100 mm) HEA 1000 (1000 mm ≈ 300 mm) HEM 100 (120 mm ≈ 106 mm) HEM 1000 (1008 mm ≈ 302 mm)

16,7 kg/m 272,0 kg/m 20,4 kg/m 314,0 kg/m 41,8 kg/m 349,0 kg/m

DIN 1025-3

EN 53–62/34–62

DIN 1025-2

EN 53–62/34–62

DIN 1025-4

EN 53–62/34–62

für hohe Lasten (Stützen, Träger), Flansche parallel, Kanten rund. Durch die breiten Flansche hohe Knicksteifigkeit, daher auch für Querbeanspruchungen geeignet. Kompakter, quadratischer Querschnitt. Vorsicht: Die Profilbezeichnung entspricht nur bei der HE-B-Reihe der tatsächlichen Profilhöhe, z. B. HEB 200. In der HE-B-Reihe sind von 100 – 300 mm Höhe und Breite gleich, darüber bleibt die Breite konstant 300 mm. Für die Reihen HE-A und HE-M gilt dies annähernd.

Normalprofile (Flansche schräg) • INP schmale I-Träger • UNP U-Stahl

INP 80 INP 500 UNP 80 UNP 400

(80 mm ≈ 42 mm) (500 mm ≈ 185 mm) (80 mm ≈ 45 mm) (400 mm ≈ 110 mm)

5,9 kg/m 141,0 kg/m 8,6 kg/m 71,8 kg/m

DIN 1025, BL.1 DIN 1026

EN 24–62

Wegen der geneigten Innenflansche werden sie selten für geschraubte Konstruktionen verwendet, sie werden eher verschweißt. Einsatz für untergeordnete Bauteile, z. B. Pfetten. Normalprofile sind kostengünstiger als Profile mit parallelen Flanschen, werden jedoch nur noch selten verwendet. INP

UNP

Profile nach internationalen Normen nicht genormt breite I-Träger (extra leicht) Breitflanschträger Breitflanschstützenprofil Breitflanschpfähle amerikanische Breitflanschträger britische Universalträger britische Universalstützen parallelflanschiger U-Stahl japanische Profile

66

nicht europäisch genormt (Profile nach internationalen Normen) Werksnorm Profil ARBED, Lux. dito, ASTM A6/A6M – 90a dito ASTM A6/A6M – 6 –44 BS 4 178 – 914 BS 4 152 – 356 NF A 45 – 225 JIS 100 – 500 gem JIS G3192

Kurzzeichen HE-AA HL HD HP W UB UC UAP JIS

Halbzeuge aus Stahl Übersicht Profile

d

e

f

Übersicht der gängigen europäisch genormten Stahlprofile – Formen und Anwendungen, Abmessungen und Gewichte Bezeichnung

min./max. Abmessung (h x b) [mm]

Hohlprofile

(Wandstärken variabel)

RRW/RRK quadratisch

RRW 40 ≈ 40 (40 mm ≈ 40 mm) RRW 400 ≈ 400 (400 mm ≈ 400 mm) RRW 50 ≈ 30 (50 mm ≈ 30 mm) RRW 400 ≈ 200 (400 mm ≈ 200 mm) ROR 38 (38 mm) ROR 600 (600 mm)

RRW/RRK rechteckig ROR rund

Gewicht [kg/m] 1

DIN-Norm

4,4 kg/m 191,0 kg/m 4,4 kg/m 141,0 kg/m 2,0 kg/m 114,0 kg/m

Euronorm EN

warm gefertigt DIN EN 10210 kalt gefertigt DIN EN 10219

1

quadratisch rechteckig Stabstahl

Gewicht in Abhängigkeit von der Wandstärke Bei gleichbleibenden Außenmaßen können sie durch Abstufung der Wanddicken unterschiedlichen Lasten angepasst werden. Statisch haben kreisrunde Hohlprofile einen optimalen Stützenquerschnitt, eine kleine Oberflächenabwicklung (günstiger U/A-Wert, weniger Malerarbeiten). Ideal für zentrische Belastung bei Stützen und für Fachwerkträger. Werden oft bei unverkleideten Konstruktionen verwendet. Es wird unterschieden: RRK (kaltgeformt), leicht und kostengünstig, und RRW (warmgeformt), knickfest durch gestauchte Ecken.

rund

2

RND (Rundstahl)

RND 5.5 (∅ 5,5 mm) RND 400 (∅ 400 mm) VKT 6 (6 mm ≈ 6 mm) VKT 200 (200 mm ≈ 200 mm) 5 ≈ 10 (5 mm ≈ 10 mm) 60 ≈ 150 (60 mm ≈ 150 mm)

VKT (Vierkantstahl) FL (Flachstahl)

VKT

DIN 1013

EN 60

DIN 1014

EN 59

DIN 1017 T.1+ 2 DIN EN 10058

EN 58–78

2 Zum Stabstahl zählen auch Sechskant- sowie Spezialprofile Vollstäbe sind als Druckstäbe sehr unwirtschaftlich, allerdings erreichen sie mit darauf abgestimmtem Brandschutz eine hohe Feuerwiderstandsdauer. Vollstäbe finden hauptsächlich Verwendung als Zugstangen. Der schmale Flachstahl ist raumsparend, zur Kompensierung der Lochschwächung müssen die Enden durch Anschweißlaschen in der Breite oder Dicke verstärkt werden. Rundstahl kann durch Gewinde gefügt und durch Schraubhülsen verlängert werden.

max. 150 mm

RND

0,2 kg/m 986,4 kg/m 0,3 kg/m 314,0 kg/m 0,4 kg/m 70,7 kg/m

Flachstahl

Winkel- und Kleinprofile gebräuchliche Profile für allgemeine Schlosserarbeiten (Geländer, Vordächer, einfache Türen und Fenster etc.) 1 2 3 4 5 6

Winkelstahl – rundkantig, gleichschenklig Winkelstahl – rundkantig, ungleichschenklig T-Stahl – rundkantig, hochstegig U-Stahl Z-Stahl – Normalprofil Flachstahl

1

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8

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16

7 8 9 10 11 12

Winkelstahl – scharfkantig, gleichschenklig Winkelstahl – scharfkantig, ungleichschenklig T-Stahl – scharfkantig Coulissenstahl Z-Stahl – scharfkantig Geländerrohr

13 14 15 16 17 18

Winkelprofil – kaltgerollt, gleichschenklig Winkelprofil – kaltgerollt, ungleichschenklig U-Profil – kaltgerollt Z-Profil – kaltgerollt Hutprofil – kaltgerollt C-Profil – kaltgerollt

6 12 17

18

Winkel- und Kleinprofile (s. oben)

3

a–h Vielfalt der Stahlprofile auf dem Lagerplatz, Donges Stahlbau

g

h

67

Halbzeuge aus Stahl Langerzeugnisse

4

5

Die Varianten HE-A (leichte Ausführung) und HE-M (schwere Ausführung) unterscheiden sich nur durch die Materialstärken von Steg und Flansch, die Innenmaße sind identisch. Denn bei ihrer Herstellung wird in der Walzstraße nur ein Paar Stegwalzen ausgetauscht. Die eigenständige Form der Stahlwalzprofile ist optimal auf deren primäre Beanspruchung abgestimmt. Der klassische Å- oder Doppel-T-Träger, statisch ein Biegeträger, hat in der Druck- und Zugzone kräftige Ober- und Untergurte, die durch einen schmalen Steg zum Gesamtquerschnitt werden. Sie haben eine effiziente Querschnittsform, weil jeder Profilteil arbeitsteilig seine eindeutige Funktion hat. Die Flansche nehmen Normalspannungen durch Biegemomente auf, der Steg Schub infolge von Querkraft. Die stahlspezifische Materialtechnologie wie Walzen, Umformen und Schweißen ermöglicht eine optimale Querschnittsgestaltung, die auf das jeweilige Tragverhalten abstimmbar ist. Daraus resultiert ein wirtschaftlicher Materialeinsatz. U-Profil Die asymmetrische Lage des Schubmittelpunktes ist der Grund, warum einzelne U-Profile in der Praxis selten für Primärkonstruktionen eingesetzt werden. Bei Biegung um die starke Achse wird das Profil praktisch immer verdreht. Geschlossene, dünnwandige Hohl-Querschnitte sind für Torsion-Knick-Belastungen besser geeignet als offene (U- oder Å-Profile). U-Profile bekommen die gleichen Eigenschaften wie ein Å-Profil, wenn sie paarweise untereinander gekoppelt werden, um eine Verdrehung zu verhindern. Der so entstehende Spalt zwischen beiden Trägern muss aber korrosionschutztechnisch nach DIN EN ISO 12944-3 sorgfältig bearbeitet werden. 68

6

Hohlprofil Hohlprofile aus Walzstahl sind rechteckig, quadratisch oder rund. Herstellungsbedingt gibt es zwei Arten: • Das gewalzte, nahtlose Rohr, das über einen Dorn gezogen und ausgewalzt wird. • Das geschweißte Rohr mit sichtbarer Naht. Hier werden Bleche zu Rohrquerschnitten vorverformt und dann entweder längsnaht- oder spiralnahtgeschweißt. Rundrohre sind meist Ausgangsbasis für alle anderen Hohlprofilgeometrien, denn sie werden nur entsprechend kalt oder warm umgeformt. Sie sind vor innerer Korrosion (Lochfraß) zu schützen. Hohlprofile sind ab Werk ca. 1,5 – 2 mal teurer wie Walzprofile und die Anschlussdetails im Vergleich zum offenen Profil schwieriger. Flachstahl Nach DIN EN 10058 gehört Flachstahl zu den Stäben und nicht zu den Flacherzeugnissen aus Stahl. Seine Breiten liegen zwischen 10 mm und 150 mm, sein Aussehen ist also eher stabförmig. Das Gewicht wird in kg/m angegeben. Längen sind bis 13 m möglich. Gezogener Stahl Gezogener (gestreckter) Stahl wird durch Warm- oder Kaltziehen von Walzdraht hergestellt. Walzdraht ist ein Halbzeug, das in warmem Zustand regellos zu Ringen aufgestapelt wird, die Dicke ist meist > 5 mm mit glatter Oberfläche, der Querschnitt unterschiedlich. Durch das Ziehen wird nach und nach der Querschnitt verkleinert. Eingesetzt wird gezogener Stahl für sehr lange Stahlteile (Draht, Bewehrungsstahl). Warmgewalzte Stäbe werden als gerade Stäbe, nicht in Form von Ringen geliefert.

Flacherzeugnisse Zu den Flacherzeugnissen aus Stahl gehören: • Grob- und Mittelbleche • Feinbleche • Kaltprofile • Lochplatten • Profilbleche Ein flaches Halbzeug aus Metall wird als Blech bezeichnet. Das Ausgangsmaterial sind Brammen, sie durchlaufen verschiedene Walzgerüste und werden dabei auf die gewünschte Blechstärke ausgewalzt. Je geringer die Blechstärke, desto mehr Walzgänge werden benötigt. Bleche werden in zwei Richtungen gewalzt, sie können daher in beide Richtungen tragen. Deshalb sind sie als Knotenblech geeignet. Blech wird in Form von Tafeln mit einer Breite von bis zu 1000 –1600 mm geliefert. Als Band bezeichnet man dagegen Flacherzeugnisse, die direkt von der Fertigwalze in Breiten von bis zu 1250 mm zu einer Rolle, dem Coil, aufgewickelt werden. Das glatte Band der ausgerollten Blechcoils neigt unverarbeitet zur Beulung durch innere Spannung und unter Last. Erst eine Faltung macht Bleche steif in Faltrichtung.

4

5

6

Abflanschung eines IPE-Profils für einen Trägeranschluss mit vorgebohrtem Steg, bereits vorgrundiert Grobbleche unterschiedlicher Dicke Durch Laserstrahlschneiden sind beliebige Schnittführungen möglich Hohlprofile

Halbzeuge aus Stahl Flacherzeugnisse

7

8

Grobbleche Grob- und Mittelbleche sind ebene Erzeugnisse, gekennzeichnet durch Dicke (t), Breite (b) und Länge. Durch Kalt- oder Warmumformen und Schweißen lassen sich aus dem ebenen Material beliebig geformte Bauteile herstellen. Umformbarkeit und Schweißeignung sind hier Qualitätsmerkmal. Angewendet werden Grobbleche mit Dicken von 8 mm – 250 mm im Stahlhoch- und Brückenbau. Bei Spannweiten über 150 m kommen sogar überwiegend geschweißte Blechkonstruktionen zum Einsatz. Schweißprofile lassen sich aus einzelnen Blechen oder Normträgern gezielt für spezielle Anforderungen und Konstruktionen anfertigen. Flansche und Stege oder Kastenprofile werden aus einzelnen Blechen zusammengeschweißt. Geschweißte Profile sind aufgrund des zusätzlichen Arbeitsaufwandes teurer als Standardwalzprofile. Grobbleche in Dicken von 5 – 80 mm und Breiten von 150 –1250 mm werden auch als Breitflachstahl gehandelt. Ihre genauen Abmessungen in [mm] und Gewicht in [kg/m] sind den Profiltabellen der Hersteller zu entnehmen. Auch Bleche mit eingewalzten Mustern (Tränen-, Riffel-, Warzenblech, DIN 59220) und rutschhemmender Oberfläche zählen zu den Flacherzeugnissen.

9

Angaben zur Rutschhemmung gibt die DIN 51130 / ZHI / 571. Die Palette der Stahlsorten für Grobbleche reicht vom unlegierten Stahl bis zu hochlegierten austenitischen Stählen. So wird feuerresistenter Baustahl FR30, der eine besondere Legierung und ein spezielles Walzverfahren erhält, auch als Grobblech (Dicken von 5 mm – 50 mm) zur Herstellung geschweißter Profile verarbeitet. Feinbleche Feinbleche werden auf Kaltwalzstraßen gefertigt. Die Bleche werden im kontinuierlichen Bandguss hergestellt und kalt auf die gewünschte Dicke ausgewalzt. Vom Coil (Rolle) wird das Blech in mehreren Arbeitsgängen farbig beschichtet und/oder verzinkt, danach kalt verformt. Die gängigsten Bearbeitungsverfahren (vgl. DIN 8580) sind: • Umformen durch Tiefziehen (Drücken, Stauchen, Biegen, Runden, Abkanten, Profilieren, Bördeln) • Zuschneiden (Stanzen, Sägen, Laserstrahlschneiden) • Oberflächenbehandlung (Bürsten, Beizen, Polieren, Strahlen, Beschichten durch Lacke, Pulverbeschichten, Galvanisieren, Feuerverzinken, Emaillieren, Eloxieren, Bekleben).

Kaltprofile Sie werden durch Weiterverarbeitung der fertigen Bleche, aus Warm- oder Kaltband oder aus Breitflachstahl hergestellt. Kaltumformen, bei Raumtemperatur, bewirkt eine Gefügeveränderung des Stahls. Die Versetzungsdichte erhöht sich, die Streckgrenze nimmt zu, dagegen sinkt die Zähigkeit. So werden auch hochfeste Drähte kaltgezogen. Der Stahl muss dabei über bestimmte Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerte verfügen. Durch Walzen kalt verformte Bleche weisen an den Biegestellen Festigkeitszuwächse auf, bei gleichzeitiger Neigung zum Verspröden. Häufiges Hin- und Herbiegen führt zu einer Zerstörung der Kristallstruktur. Kennzeichnend ist die nahezu gleichbleibende Wanddicke in allen Querschnitten eines Profils. Dünnwandige Profile werden gewalzt, dickere Wandstärken dagegen schrittweise auf- und abgekantet (bei kleineren Mengen) oder kaltgerollt (bei größeren Mengen). Es lassen sich drei Herstellungsverfahren unterscheiden, das Ziehen, das Abkanten und das Walzprofilieren (Serienfertigungen). Die Querschnittsformen sind nicht genormt. Für einige Profile gibt es herstellerspezifisch bauaufsichtliche Zulassungen. Nur dann können sie eingebaut werden, da sie nicht nach DIN 18800 wie Stahl

Flacherzeugnisse (Blech, Band) Art

10

Dicke [mm]

DIN-Norm

Eigenschaft

> 4,75 mm

DIN 1543

Mittelblech

3,00 – 4,75 mm

DIN 1542

Feinblech

0,35 – 3,00 mm

DIN 1541

Kaltprofile

Profile aus flachgewalztem Stahl mit nahezu gleicher Wanddicke. Formgebung durch Walzen (Dicke 0,4 – 8 mm) und Abkanten (Dicke bis 20 mm). DIN 59413, DASt-Ri 016 sowie Werksnormen. Große Vielfalt in Formen und Abmessungen.

Profilbleche

Well- und Trapezprofile; aus Feinblechen rollprofilierte Tafeln mit hoher Tragfähigkeit. Breite 500 –1050 mm, Profilhöhe 10 – 200 mm, Blechdicke 0,65 –1,5 mm, Tafellänge bis 22 000 mm. Siehe Stahlbau-Arbeitshilfe 44 und 44.2. DIN 18807, Teil 1– 3, Ausgabe Juni 1987.

Grobblech

Belagbleche, 3 – 20 mm unbehandelt = Schwarzblech mit Oberflächenveredelung = coilcoated (z. B. aluminiert, feuerverzinkt, feuerverzinkt + kunststoffbeschichtet)

7 Warmgewalzte Bleche unterschiedlicher Dicke, zur Unterscheidung und Kennzeichnung auf dem Lagerplatz beschriftet 8 Gekantete Musterbleche, verzinkt 9 Verzinkte Feinbleche in Tafeln stehen zur weiteren Verarbeitung auf Lager 10 Lieferformen von Walzerzeugnissen für den Stahlbau

69

Halbzeuge aus Stahl Lochbleche

11

12

bemessen werden. Kaltprofilierte Stähle bieten gegenüber warmgewalzten Profilen die Chance kostengünstig in den Produktionsprozess einzugreifen und spezielle Profile zu gestalten. Querschnittsform und Abmessungen können so optimal an den Verwendungszweck angepasst werden, daher wird oft auftragsbezogen gefertigt. Trotz der Vielfältigkeit der Kaltprofile gibt es eine Reihe von gebräuchlichen Standardprofilen, die auch kurzfristig verfügbar sind, wie I-, L-, U-, Z-, C-, Hut-, Σ-, und Ω-Profile, sowie geschlitzte Rohrund Rechteckquerschnitte. Zur Übersicht werden die Profile nach Querschnittsform kategorisiert: • offen – geschlossen • symmetrisch – asymmetrisch • geradwinklig – schiefwinklig Kaltprofile mit dünner Blechstärke sind problematisch zu fügen. Durch die Kaltformung sind sie schlecht schweißbar und durch die geringe Materialstärke auch nur bedingt geeingnet für Schraubverbindungen. Lochplatten (Lochbleche) In der DIN 4185-2 und in der DIN 24041 wird von einer »Lochplatte« mit gleich-

13

artigen, regelmäßigen Öffnungen (Löchern) gesprochen, die durch Stanzen, Perforieren oder Bohren hergestellt werden. Alle Stähle, so auch korrosions- und hitzebeständige oder verschleißfeste, können gelocht werden, in Blechstärken von 0,5 mm (Feinstblech) bis zu 30 mm (Grobblech). Die Lochung erfolgt auf Streifen- und Breitpressen oder mit StanzLaserautomaten, entweder in Großserien als Blechbahnen direkt vom Coil oder aus einzelnen Blechtafeln: • • • • •

Kleinformat Mittelformat Großformat Superformat Coil

1000 mm ≈ 2000 mm 1250 mm ≈ 2500 mm 1500 mm ≈ 3000 mm 1600 mm ≈ 4000 mm Breite bis 1250 mm Stärke max. 2 mm

Bei Anfragen oder Bestellungen ist anzugeben, ob die Bleche mit oder ohne Rand gewünscht sind. Bei ungelochtem Rand muss dessen Größe, der Stirnrand (parallel zum kurzen Außenmaß) und der Längsrand (parallel zum langen Außenmaß) angegeben werden. Wird vom Band gefertigt und anschließend auf Maß geschnitten, geht der Schnitt durch die Lochung, an den Längsseiten bleibt ein kleiner ungelochter Rand. Werden Bleche aus gro-

ßen fertigen Lagertafeln herausgeschnitten, dann sind die Lochbleche ringsum randlos. Die Lochanordnung beeinflusst neben der Dicke des Blechs die Eigenschaften. Eine hohe Steifigkeit und freien Querschnitt bedingt die um 60 Grad versetzte Rundlochung, es ist die verbreitetste Lochung (Normalausführung). Dagegen weist die gerade, gereihte Rundlochung geringere Steifigkeit auf. (Laden-, Möbelbau, Zierlochung). Wichtig, die Lochgröße sollte nicht kleiner als die Blechdicke sein. Wie jedes Feinblech kann auch Lochblech mit allen Fertigungsverfahren weiterverarbeitet werden. Durch diese vielfältige, einfache Handhabung und den daraus resultierenden hohen industriellen Vorfertigungsgrad entsteht ein kostengünstiges Bauprodukt. Die Lochungen verringern das Gewicht des Bauteils, ein wirtschaftlicher Vorteil im Leichtbau. Lochplatten sind außerdem optimal als Trägerelement für schalldämmende Absorptionsplatten einsetzbar. Tragende Funktion erfüllen Lochbleche gekantet als Trittroste und Laufstege, oder auf unbefestigtem Boden. Durch zusätzliche Prägungen und Riffelungen werden sie rutschfest für Treppenstufen oder Beläge in Werkhallen.

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t c

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14 a

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b

Kurzzeichen zur Bemaßung von Lochungsarten am Beispiel von: a Rundlochung in versetzten Reihen b Rundlochung in geraden Reihen c Langlochung in versetzten Reihen

c1

15 c

t2

Wichtige Angaben bei der Bestellung sind: • Lochformen f Rundlochung (R) gerade oder versetzt, Quadratlochung (Q), Langlochung (L, Le) längs- und querlaufend, Rauten- und Zierlochungen • Lochabmessungen Lochweite w (das kleinste Maß für die Lochung), Lochlänge l (bei Rechteckgeometrie) • Lochabstand Lochteilung t (Achsabstand der Löcher), Stegbreite c (kleinster ungelochter Zwischenraum)

Profilhöhe h

Halbzeuge aus Stahl Profilbleche

Obergurt

Obergurtsicke Stegsicke oder Stegversatz Steg

Ebener Längsrand

Untergurt Rippenbreite b R

Abgekanteter Längsrand

Baubreite b Elementbreite

16

17

Profilbleche Profilbleche werden aus Feinblechen von 0,65 –1,5 mm Dicke hergestellt. Durch gezieltes Falten und Knicken erhalten die beulanfälligen dünnen Bleche Stege und Rippen, die ihre Stabilität in Laufrichtung deutlich erhöhen. Das große Tragvermögen dieser äußerst leichten kaltverformten Stahlbleche macht sie zum unverzichtbaren Bauelement des Leichtbaus. Die Profilbleche können so ohne Sekundärträgerlage direkt auf die Hauptträger gelegt werden. Für Dach, Decken- und Wandkonstruktionen stehen im Stahlbau verschiedene Halbfertigzeuge aus Feinblechen, Systeme aus Well-, Trapez- und Kassettenprofilen sowie Sandwichelemente zur Verfügung. Es sind leichte, großformatige Tafeln, meist aus verzinkten und beschichteten Stahlblechen mit glatter oder profilierter Oberfläche. Sie sind einfach und schnell zu montieren, ihre Oberflächen benötigen keine weitere Behandlung. Die Profilauswahl richtet sich nach den statischen Erfordernissen, die sich aus den Abständen der Unterkonstruktion ergeben, und nach dem gewünschten Erscheinungsbild. Temperaturbedingte Längenänderungen und Windsogkräfte beeinflussen Befestigungstechnik und Dimensionierung. Durch gleitfähige Anschlüsse und Fugenabstände können Zwängungen und Überbeanspruchungen des Materials vermieden werden. Erhöhte Windsogspitzen treten an Rändern und Ecken windbelasteter Flächen auf (DIN 1055-4), hier ist auf entsprechende Befestigung zu achten. Im Leichtbau werden häufig mehrschalige wärmegedämmte Wandkonstruktionen aus Profilblech eingesetzt. Ihre konstruktionsbedingten Wärmebrücken können durch thermische Trennstreifen zwischen der Innenschale und den Distanzprofilen abgemildert werden.

18

Wellblech 1830 wurde das erste gewellte Blech als Dachdeckung verbaut. Wellblech trägt in eine Richtung, in die andere ist es rollbar. Für einfache Konstruktionen wurden Wellprofile überwiegend als Witterungsschutz verwendet. Beim Einsatz als bewitterte Oberschale von zweischaligen hinterlüfteten Dach- und Wandkonstruktionen liegt innen meist ein Trapezprofil als Tragschale. Beim Wellblech sind nur geringe Bauhöhen möglich, die Tragfähigkeit ist daher begrenzt. Lieferlängen bis zu 14 m ermöglichen querstoßfreie Dachflächen aus Wellprofilen. Dabei sind die Regeldachneigungen je nach Ausführung zu beachten. Trapezblech Stahltrapezprofile werden seit 1950 im Hochbau verwendet. Sie werden in einem Rollformer kontinuierlich längsprofiliert aus bandverzinktem Stahlblech, geliefert in Dicken von 0,65 –1,5 mm. Es entsteht die meist trapezförmige Profilierung im Querschnitt. So sind sie bauartbedingt nur einachsig belastbar. Die DIN 18807, Trapezprofile im Hochbau, regelt Bemessung und Ausführung. Dünnwandige Bauteile neigen zu großen Verformungen, besonders quer zur Tragrichtung. Die Tragfähigkeit hängt von dem Erhalt der Querschnittsgeometrie ab, Abflachung reduziert das Tragverhalten, die statische Höhe wird geringer. So wurde die Profilgeometrie immer weiter optimiert, die Biegesteifigkeit durch Ausbildung von Sicken und Versätzen in den Gurt- und Stegpartien verbessert. In dieser Entwicklung spricht man von Trapezprofilen der ersten, zweiten und dritten Generation. Profile der ersten Generation, ca. 50 mm hoch, waren nur nichttragende Verkleidung. Profile der zweiten Generation mit Höhen von 40 –160 mm sind durch Sicken in der Lage, Lasten zu tragen, Rippenabstand ca. 250 mm. Mit Lie-

ferlängen bis zu 12 m (möglich sind abhängig vom Transport sogar bis zu 22 m) eignen sie sich optimal als Zwei- oder Dreifeldträger (Feldlänge 7,5 – 9,0 m möglich). In der dritten Generation sind sie zusätzlich in Querrichtung auf dem Obergurt gerippt, Profilhöhe bis 210 mm. Jeder Hersteller entwickelt eigene Profilgeometrien, für die ein Rollformer hergestellt wird. Daher sind die angebotenen Trapezbleche so vielfältig und die Profilierungen nicht genormt. Herstellerspezifisch gibt es deshalb fertige Bemessungswerte auf Basis der bauaufsichtlichen Zulassung (typengeprüfte Statik). Hier findet man maximale Stützweiten, bezogen auf Profilhöhe, Rippenbreite und Blechdicke. Stahltrapezprofile werden eingesetzt für Geschossdecken, ohne oder mit Aufbeton. Trapezblech kann daher verlorene Schalung sein oder mittragendes Bauteil einer Stahl-Verbunddecke (s. S. 16). Bei Dächern und Wandkonstruktionen können

11 Kaltprofile 12 Coils (Rollenband) aus oberflächenveredeltem Feinblech (verzinkt), bereit für die Weiterverarbeitung 13 Lochbleche mit verschiedenen Lochformen 14 a Kaltprofil aus flachgewalztem Stahlblech, dickwandig, durch Walzen oder Abkanten kalt geformt b C-Profil aus Feinblech, dünnwandig, fast keine Rundung in den Ecken, wird im Stahlleichtbau verwendet 15 Kurzzeichen zur Bemaßung von Lochungsarten 16 Profilblech dritter Generation Deckenprofil mit großer Biegesteifigkeit durch Rippung am Obergurt und hoher Profilgeometrie. Stützweiten (betoniert) bis 5,50 m möglich, günstig bei stützenreduziertem Parkhaus- und Geschossbau 17 Bezeichnungen an Trapezblechen nach DIN 18807-1 18 Kombination von gebogen und eben montierten Trapezblechen an der Außenfassade. Einschalige gelochte Profile sind auch einsetzbar als lichttransparente Fassadenelemente, zur Verschattung oder als Brüstung.

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Halbzeuge aus Stahl Kassetten, Sandwichpaneele

a h f c

e

d b

19

20

sie als Tragschale und/oder als äußere Wetterhaut eingesetzt werden sowie für Dächer, Wände und Außenwandverkleidungen. Es gibt Dachkonstruktionen mit zwei gekreuzten Lagen Trapezblech, die untere trägt, dazwischen liegt die Dämmung mit Hinterlüftung und die obere Lage mit geringer Profilhöhe dient nur dem Witterungsschutz. Gegen Korrosion sind sie feuerverzinkt mit oder ohne zusätzliche Beschichtung (DIN 18807-1). Verbunden werden sie mit der Unterkonstruktion, untereinander oder im Anschluss zu angrenzenden Bauteilen durch bauaufsichtlich zugelassenene Verbindungselemente (selbstschneidende Schrauben, Schießbolzen, Popnieten, siehe IFBSInfo). Schweißen, Stanzen und Verschränken der Ränder sollte nur nach Vorschrift des Herstellers erfolgen. Bei besonderen akustischen Anforderungen können Profile mit gelochten Stegen zur verbesserten Schallabsorption eingesetzt werden.

statischen System können Spannweiten bis 10 m erreicht werden. Sie verfügen über schmale Obergurte zur Befestigung der Außenschale und einen breiten Untergurt mit schwacher Profilierung. Stege und Untergurt bilden ein Gefach zur Aufnahme der Wärmedämmung. Die Kassettenstöße werden mit Dichtbändern winddicht ausgeführt. Thermische Trennungen mindern Wärmebrücken zwischen den Obergurten der Stahlkassettenprofile und der Außenschale (Abb. 21). Eine optimierte Tragkraft entfalten Kassetten durch den Verbund mit einer Außenschale aus Stahltrapezprofilen, selten auch Wellprofilen. Unterkonstruktion und Außenhaut müssen dann sorgfältig und in hoher Dichte mit zugelassenen Verbindungsmitteln schubfest verbunden werden. Das Außenblech schützt generell nur vor Witterung, die bauphysikalischen Anforderungen werden von den darunterliegenden Schichten erfüllt. Funktional wird zwischen hinterlüfteten und unbelüfteten Konstruktionen unterschieden. Bei hinterlüfteten Außenwänden ist die Außenhaut von der Unterkonstruktion durch eine Luftschicht getrennt. So kann Staunässe durch Kondensat vermieden werden. Sandwichpaneele Sandwichelemente sind Verbundelemente und bestehen aus zwei dünnen profi-

Profilhöhe h

Kassetten Sie werden durch Kaltverformung aus Blechen von 0,75 –1,50 mm Dicke hergestellt. Aufgrund ihrer zahlreichen Sicken im Profil entsteht beachtliche Steifigkeit. Die Elemente sind ca. 600 mm breit und zwischen 90 –160 mm hoch. Aus Transportgründen sind sie nur in Ausnahmefällen länger als 12 m. In Abhängigkeit vom

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Obergurt

Stegsicke oder Stegversatz

Steg Untergurt Baubreite b

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Elementbreite

Untergurtsicke

g

lierten Deckblechen, die durch einen Kern aus Mineralwolle oder Hartschaum schubfest miteinander verbunden sind. Sie haben eine hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig guten Dämmeigenschaften, geringes Gewicht und geringe Aufbauhöhe, sind einfach, schnell und kostengünstig zu montieren und herzustellen. Sie bilden als vorgefertigtes Element sowohl die fertige Außenhülle als auch die Innenwand. Die Biegesteifigkeit wird allein von den Deckblechen bestimmt, die Schubsteifigkeit über den Kern. Oberflächenprofilierung und Farben der Beschichtung sind so vielfältig wie die gesamte Stahlblechherstellung. Bauseits werden die Paneele über vorgeformte Steckfalze montiert und auf der Unterkonstruktion befestigt. Bei der direkten Befestigung wird von außen eine gewindefurchende Schraube sichtbar durch das Paneel geschraubt. Bei der indirekten dagegen wird im Falz geschraubt, wodurch der Schraubenkopf durch die Feder des Paneels überdeckt wird. Alle Befestigungen müssen für spätere Wartungsarbeiten reversibel sein. Da diese Konstruktion nicht belüftet ist, ist sie auch anfälliger für eventuell eindringendes Wasser oder Kondensat. Die Fugen und Bauteilanschlüsse müssen bei Planung und Ausführung daher sorgfältig beachtet werden. Die Fugentypen

19 Fassadenbekleidung aus gekanteten Edelstahlpaneelen 20 Sandwichpaneele mit Feinblech aus Stahl 21 Aufbau einer wärmedämmenden Kassettenwand a Außenschale Trapezprofil b Innenschale Kassettenprofil c Trennstreifen d Dämmung e Dichtband am Kassettenstoß f Verbindungselement g Stahlprofil (Ankerschiene) h Stütze (hier Stahlbetonstütze) 22 Bezeichnungen an Kassettenprofilen nach DIN 18807-1

Halbzeuge aus Stahl Gitterroste

Materialkombinationen und Funktion im Verbund Materialtyp

Funktionen Verbund Brandschutz

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24

25

werden nach prEN 14509:2004 unterschieden. Wichtig ist außerdem das Raster zwischen Wandöffnungen und Bauteilbreiten abzustimmen, um Verschnitt zu vermeiden. Es gibt keine Norm für die Bemessung von Sandwichelementen, alles ist durch bauaufsichtliche Zulassungen geregelt, so auch die Verbindungsmittel. Hersteller geben Stützweitentabellen zur vereinfachten Bemessung heraus. Sandwichelemente sind nicht brennbar, wenn die Wärmedämmung der Baustoffklasse A 2 nach DIN 4102 entspricht.

Roste, Gitter, Gewebe

Inzwischen werden unter dem Begriff »Komposite« vermehrt Bauprodukte mit intelligenten Materialkombinationen entwickelt, die gleichzeitig mehrere Anforderungen aus Statik, Wärme-, Schallund Brandschutz erfüllen können. Dies sind beispielsweise flächige Bauelemente aus Stahlblechen mit einem kraftschlüssig verklebten Kern aus mineralischen oder holzbasierten Plattenwerkstoffen. Optimal ist es, wenn bauphysikalische Anforderungen erfüllt und gleichzeitig die Tragfunktion der Blechbauteile durch die artfremden, schützenden Plattenwerkstoffe verbessert werden. Dies ist über bauaufsichtliche Zulassungen geregelt oder über Zustimmung im Einzelfall zu klären.

Werden die Füllstäbe zusätzlich unter hohem Pressdruck in formgestanzte Schlitze der Tragstäbe eingepresst, entstehen stabile, verwindungsfeste Gitterroste, sogenannte Pressroste (PR), die hauptsächlich als begehbare Abdeckungen und Fußroste eingesetzt werden. Zur Verbesserung der rutschhemmenden Wirkung der Rostoberfläche können Trag- und Füllstäbe profiliert werden. Neben allen weitmaschigen Gitterrosten sind besonders die engmaschigen Ausführungen (Maschenweite 11/30, 30/11) als Fußroste geeignet. Das bei den Maschenweiten erstgenannte Maß gibt den Tragstababstand an. Bei Fußrosten liegt die Längsmasche meist parallel zur langen Rostseite. Gegen Einbruch, Verrut-

Gitterroste Das Konstruktionsprinzip von Gitterrosten beruht auf sich abwechselnden Trag- und Füllstäben. Abgetragen wird nur in Tragstabrichtung zwischen den Auflagern (Stützweite = von Mitte zu Mitte), die Tragstäbe tragen die Belastung. Füllstäbe werden mit den Tragstäben verpresst oder verschweißt. Sie verteilen die Last und geben Stabilität. Die Randeinfassung umschließt die Stabkonstruktion. Gitterroste gibt es in Stahl, Edelstahl und Aluminium.

Schallschutz

Klimaschutz

Beton

•

•

•

Gipskarton

•

•

•

Sperrholz

•

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Holzfaserplatte

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Spanplatte

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Mineralwolle

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Mineralfaser

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•

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Schaumstoff

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º

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Perlite

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º

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schen oder Klappern der Roste gibt es verschiedene Befestigungselemente (z. B. Hakenschrauben, Doppelklemmen). Passende Scharniere erlauben das Aufklappen der Roste. Schweißpressroste (SP) entstehen, indem verdrillter Vierkantstahl als Füllstab auf ungeschlitzte Flachstähle im Schweißpressverfahren eingepresst wird. Jeder Knotenpunkt wird verschweißt, so dass besonders homogene und verwindungssteife Roste entstehen. Sie sind nicht nur tragfähiger als einfache Pressroste, sondern erlauben auch das Ausschneiden von Öffnungen. Haben Trag- und Füllstäbe die gleiche Höhe, werden sie als Vollroste (VR) bezeichnet. Sie haben eine geringere Tragwirkung und dienen als Geländerfüllung, Deckenabhängung oder Sonnenschutz. Wenn Durchsicht nicht erwünscht ist, kommen Jalousienroste mit angewinkelten Füllstäben zum Einsatz, etwa bei Brücken, Laufstegen, Entlüftungsgittern, Balkonabdeckungen, Sonnenschutzgittern und Fassadenverkleidungen. Hier werden in den Tragstab Füllstäbe im Winkel von 45 oder 30 Grad eingelegt und verschweißt. Beim Jalousie-Vollrost (VR) hingegen werden Trag- und Füllstäbe nur zusammengepresst, die Winkel der Füllstäbe sind somit frei wählbar. Schweißpunkte stören dann das optische Erscheinungsbild nicht mehr.

2

1

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1

23 verschiedene Gitterrosttypen, verzinkt 24 Jalousie-Vollrost 25 Materialkombinationen und ihre Funktionen im Verbund 26 Schema Schweißpressrost 1 Randstab 2 Füllstab (Vierkantstahl) verdrillt 3 Tragstab

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Halbzeuge aus Stahl Streckgitter, Gewebe, Geflechte

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Streckgitter/Streckmetalle Die rautenförmigen Öffnungen dieser Halbzeuge entstehen durch versetzte Schnitte in Tafeln oder Bändern aus Blech und anschließendem Verformen durch Strecken. Maschenlängen von 1,0 mm – 300 mm sind heute möglich. Im Gegensatz zu Lochblech geht bei der Produktion kein Material durch Ausstanzen verloren. Durch das Strecken entstehen gitterartige Öffnungen, die weder geflochten noch geschweißt sind. Streckgitter kann deshalb ohne Verlust des festen Zusammenhangs auf jedes Maß zugeschnitten werden. Durch das Herstellungsverfahren entsteht eine Verdrehung in der Schnittgeometrie, eine dreidimensionale, strukturierte Optik. Es kann aber auch bis zu einer Breite von 1400 mm und einer Stärke von 3,0 mm flach ausgewalzt werden. Streckmetall ist ein Produkt, das flach wie ein Lochblech ist, aber deutlich kostengünstiger. Durch die hohe Stabilität ermöglicht es einen offenen Querschnitt, transparente Flächen von 4 % – 90 % sind möglich. Es ist zudem form- und kantbar und hat ein geringes Eigengewicht. So enstehen flächenstabile Fassadenelemente, die geringe Anforderungen an die

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Unterkonstruktion stellen. Als preisgünstige, eigenstabile Alternative zu Drahtgeweben sind sie geeignet für große, luftdurchlässige Fassadenelemente. Üblich ist auch der Einsatz von Streckgittern als günstige Geländerfüllung oder für kleinere, gering belastete Roste. In Winkelrahmen verschraubt oder gekantet werden sie auch als Klapp- oder Faltwände, als mobiler Lichtfilter oder Sichtschutz verwendet. Für eine einfache, preiswerte Rahmung von Streckgittern und Lochplatten haben die Hersteller meist spezielle Stahlprofile im Sortiment. Bei Bestellung von Streckmetallen sind entsprechend DIN 791 die Maschenlänge, Maschenbreite, Stegbreite und Stegdicke zu benennen. Die Maschenlänge und -breite geben den Abstand von Knotenmitte zu Knotenmitte, nicht das innere Öffnungsmaß an. Die Stegdicke entspricht der Dicke des verwendeten Materials. Streckgitter wird aus Stahlblech mit einer Mindestbruchdehnung von 25 % gefertigt, auch aus Edelstahl (z. B. Werkstoff Nr. 4301, 4571) und Nicht-Eisen-Metallen (NE) wie Kupfer, Messing oder Aluminium.

Drahtgewebe und -geflechte Drahtherstellung Die Technik der Drahtherstellung, das spanlose Verjüngen durch Ziehen, ist seit der Zeit der Kelten bekannt. Stahlunternehmen haben mehr als 250 verschiedene Walzdrahtsorten im Programm. Liegt der Kohlenstoffanteil unter 0,25 %, ist es Eisendraht, zwischen 0,25 % –1 % spricht man von Stahldraht. Stahldraht ist haardünn, extrem reißfest und biegbar. Walzdraht entsteht durch Warmwalzen von Knüppeln, die im Stahlwerk gegossen wurden. Mit einer Dicke von 5 – 55 mm wird er hinter dem Walzgerüst spiralförmig zusammengelegt (siehe Abb. 29). Danach wird er wärmebehandelt (zur Härtung), oberflächenbehandelt oder geschält, je nach Verwendung. Im nächsten Verarbeitungsschritt erfolgt das Ziehen in Draht- und Stabziehereien. Bei kleineren Durchmessern wird der Draht in Ziehmaschinen durch konische Löcher gezogen. Gezogener Draht hat Dicken von 53 mm– 0,1 mm. Dies machen weiterverarbeitende Betriebe wie Ziehereien, Seilereien, Webereien und Flechtereien, die Litzen, Seile und Metallgewebe erzeugen. Sogar Schrauben, Muttern und Nieten werden aus dickerem Kaltstauchdraht gefertigt.

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27 Streckgitter, großer Anteil freier Flächen 28 Streckmetall, Aluminium 29 Heiß glühender, spiralförmig zusammengelegter Draht nach dem Walzen. Nach dem Abkühlen geht es zur Weiterverarbeitung oder zum Versand. 30 Zwei unterschiedliche Beispiele für Streckmetall (oben: flachgewalzt, unten: normal strukturierte Optik) a Masche b Maschenlänge c Maschenbreite d Stegbreite e Stegdicke f Knotenlänge g Knotenbreite

Halbzeuge aus Stahl Gewebe, Geflechte

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Metallische Gewebe und Geflechte In einem Webprozess werden runde oder flache Drähte, Seile oder Litzen (sehr kleine Seile) auf mechanischen Webautomaten zu Geweben in Bahnen mit Standardbreiten hergestellt. Wie beim textilen Gewebe treffen dabei zwei verkreuzte Fadensysteme rechtwinklig aufeinander. Die längs zur Gewebebahn liegende Kette wird mit dem querliegenden Schuss in verschiedenen Bindungsarten (Muster) verwoben. Schussfäden sind durchgehend, so bildet sich eine seitliche Webkante. Da Kettfäden beim Weben höhere mechanische Belastungen haben, sind sie oft dicker als Schussfäden. Im Unterschied zu Geflechten und Gewirken wird das Gewebe so unter Zugbelastung weniger schmal, da die ganze Kraft von den Kettfäden übernommen wird. Je nach Wahl der Kettund Schussdrähte sowie der Webarten und Oberflächen ergeben sich unterschiedlichste Maschenbilder (siehe hierzu auch Detail Praxis »Transluzente Materialien« S. 93 ff.). Gewebe haben eine Ober- und eine Unterseite. Ist das Aussehen beider Seiten gleich, spricht man von »gleichbindigem« Gewebe, z. B. Leinwand-(glatte) Bindung. Die DIN ISO 4783-1 und -3 und

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DIN ISO 9044 regeln die Kennzeichnung von Drahtgeweben, Drahtgittern und Sieben. Sie bieten einen Leitfaden zur Auswahl von Kombinationen aus Maschenweite und Drahtdurchmesser. Drahtgewebe werden charakterisiert durch die Webart (Bindung, sie zeigt die Art der Verkreuzung von Kett- und Schussdrähten) und durch die Gewebefeinheit (Mesh, die Anzahl der Maschen pro Zoll). Weitere beschreibende Begriffe sind Maschenzahl (n) in Maschen/cm2, offene Siebfläche (A, F), Maschenweite (w), Drahtdurchmesser (d) und Gewebedicke (D). Drahtgewebe kommen bei Fassadenkonstruktionen, Parkhausverkleidungen, bei Schall- und Sonnenschutzelementen und Absturzsicherungen zum Einsatz. Bei Außenanwendung müssen die Gewebe eine ausreichende Stabilität bieten und Umwelteinflüssen standhalten. Je nach Lichteinfall und Standort wirkt das Material transparent oder blickdicht.

werden. Stäbe oder Rundstangen, die in den Gewebesaum eingewebt oder eingeschoben werden, können gut an der Unterkonstruktion befestigt werden. Besonders bei Außenanwendung sind aus statischen Gründen (temperaturbedingte Längenänderungen, Wind) Zugfedern, aufgeschoben auf die Gewindestangen, oder Augen-/Hakenschrauben mit entsprechenden Haltern notwendig, um bei Belastungen ausreichende Elastizität und Toleranzen zu gewähren. Dichteres Gewebe kann am oberen Rand über eine Flachspannkante eingefasst und an die Unterkonstruktion geschraubt oder gehängt werden. Bei verschieblichen Sonnenschutzelementen werden die Gewebe in Rahmen eingefasst.

31 Kettdrähte, die für den Webprozess zur Herstellung von Drahtgewebe vorbereitet werden. 32 Herstellung von Stahllitzen durch Verdrillen von Drähten 33 Langmaschengewebe mit Doppeldrähten (Twin) aus Edelstahl 34 Leinwandbindung mit Litzen (Kette) und Stangen (Schuss) aus Edelstahl 35 Runddrahtglieder als Drahtgeflecht, Stahl blank oder verzinkt. Auch mit Flachdrähten lieferbar. 36 Runddrahtgliedergurt in Bundbreiten bis 3000 mm, Stahl blank oder verzinkt. Auch mit Flachdrähten lieferbar.

Für metallische Gewebe existiert eine Vielzahl von Befestigungs- und Spannsystemen, die von den Gewebeherstellern mit angeboten werden. Je nach Größe der Elemente müssen bei vertikaler Hängung neben den oberen und unteren auch Zwischenbefestigungen vorgesehen

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Halbzeuge aus Stahl Seile

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Seile Die DIN 18800 definiert zwei Arten hochfester Zugglieder, Seile und Zugglieder aus Spannstäben. Seile werden aus warmgewalztem Draht hergestellt, der dann beim Kaltziehen zum Stahldraht weiterverarbeitet wird. Grundwerkstoff sind dabei beruhigt vergossene unlegierte Kohlenstoffstähle mit einem Kohlenstoffäquivalent von 0,7 %. Walzdraht besitzt ein Gefüge mit einer Festigkeit von ca. 1000 N/mm2. Der Draht wird im Anschluss einem kombinierten Kaltverfestigungs- und Warmbehandlungsprozess unterzogen, dem sogenannten Patentieren. Dies erhöht die Festigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit des Enderzeugnisses. Seile bestehen aus vielen kaltgezogenen Einzeldrähten. Dadurch minimiert sich die Fehlerhäufigkeit pro Querschnitt gegenüber monofilen Einzelquerschnitten (z. B. Vollstäben) auf ein Minimum. Die Fertigung von Seilen erfolgt in mehreren Schritten durch eine Verseilmaschine. Basis bildet immer der Kerndraht, um den im Sinne einer Rechtsschraube sechs weitere Drähte gelegt werden. Im zweiten Schritt dreht sich die Verseilungstrommel, diesmal mit 12 Rundstahlhaspeln belegt, im Sinne einer Linksschraube, im nächsten Schritt wieder umgekehrt usw. Die Anzahl der Arbeitsgänge entspricht der Anzahl der Drahteinlagen im Seil und bestimmt den Seildurchmesser. Seilarten Im Bauwesen werden im Wesentlichen drei Seilarten eingesetzt: Offene Spiralseile Sie bestehen nur aus Runddrähten und eignen sich als Abspannseile für Antennen und Schornsteine, als Trag- und Randseile für leichte Flächentragwerke, als Untergurtseile für Holz- und Stahlbin76

der, als Trag- und Spannseile in Seilnetzen sowie für Brüstungen und Geländer. Vollverschlossene Spiralseile Bei diesem Seiltyp besteht der Kern aus mehreren Lagen Runddrähten. Nur die Außenlagen werden von Z-Drähten gebildet. Diese ineinandergreifenden Drahtprofile bilden eine rundum glatte, geschlossene Oberfläche, das Eindringen von Fremdstoffen in das Seilinnere wird verhindert. Es besteht daher ein guter Korrosionsschutz im Seilinnern. Vollverschlossene Spiralseile bieten außerdem hohen Widerstand bei Flächenpressung und ein hohes Elastizitätsmodul. Sie werden daher insbesondere im Außenbereich und bei höheren Belastungen eingesetzt. Rundlitzenseile Sie spielen im Bauwesen aufgrund ihres geringen E- Moduls, der empfindlichen Seiloberfläche und der geringeren Korrosionsbeständigkeit nur eine untergeordnete Rolle. Rundlitzenseile bestehen aus einer oder mehreren Lagen von Litzen, die schraubenförmig verdreht (verseilt) werden. Bei Litzen handelt es sich um sehr kleine Seile aus Einzeldrähten, deren jeweiliger Seelendurchmesser maximal 800 μm beträgt. Verwendet werden sie im Bereich der »laufenden Seile« (Hubund Montageseile, Aufzugseile) und Anschlagseile (Gehänge, Seilschlingen), also überall dort wo ein flexibles Seil benötigt wird. Sie eignen sich auch als Geländerseile bei Treppen-, Balkon-, Brücken- und Weggeländern. Korrosionsschutz von Seilen Der kaltverformte (gezogene) Stahldraht reagiert sehr empfindlich auf Störungen der Oberfläche (Risse und Schweißspritzer). Einschnürungen, die das Gefüge nur verschieben aber nicht unterbrechen, beeinträchtigen dagegen die Festigkeit kaum. Daher hat die Oberflächengüte

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b

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entscheidende Bedeutung für die Lebensdauer von Stahldrähten. Der Korrosionsschutz von Seilen muss durch fachgerechten Einbau und durch schützende Maßnahmen am Seil selbst sichergestellt werden. Korrosionsschutz durch konstruktive Maßnahmen am Bauwerk Herablaufendes Regenwasser muss an Klemmen und Endverankerungen gut ablaufen können, Stauwasser durch entsprechende Bohrungen oder Nuten vermieden werden. Anschlusskonstruktionen sollten so gestaltet werden, dass eine gute Belüftung des Seiles möglich ist und Feuchtigkeit schnell wieder abtrocknen kann. Korrosionsschutz des einzelnen Drahtes Alle Einzeldrähte werden feuerverzinkt. Den derzeit besten Schutz für Drähte aus unlegiertem Stahl erhält man durch eine spezielle Schutzschicht aus Zink (95 %) und Aluminium (5 %). Ähnlich einer Verzinkung wird sie im Heißbad auf den einzelnen Draht aufgebracht. Offene Spiralseile bestehen nur aus Runddrähten, die so beschichtet wurden, oder aus nichtrostenden Drähten. Sie erhalten keine Innenverfüllung. Seile müssen ständig gewartet und bei festgestellten Drahtbrüchen und Korrosionsschäden auch ausgewechselt werden. Korrosionschutz im Innern von vollverschlossenen Spiralseilen Die Hohlräume zwischen den Drähten werden mit geeigneten Schmiermitteln gefüllt. Diese Verfüllung verringert die innere Reibung des Seils und baut den inneren Korrosionsschutz auf. Das beim Verseilen der Drähte eingebrachte Schmiermittel kann bei Belastung an der Oberfläche des Seils austreten. Daher ist die Verträglichkeit der Innenverfüllung mit einem eventuell später außen aufzubringenden Korrosionschutz abzustimmen.

Halbzeuge aus Stahl Zugstabsysteme

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Korrosionsschutz der Seiloberfläche Bei hoher Korrosivitätsbelastung, dem Wunsch nach langer Schutzdauer und farblicher Gestaltung kann eine zusätzliche Beschichtung auf die Seile und Endbeschläge aufgebracht werden (Duplexsystem). Korrosionsbelastungen, Zinkabtragungsraten und Einteilung der Umgebungsbedingungen sind der DIN EN ISO 12944-2 zu entnehmen. Beschläge, Fittings Seilendverbindungen Für hochfeste Zugglieder (Seile) sind nach DIN 18800 folgende Endverankerungen, Kauschen und Klemmen zugelassen (siehe Abb. 42): • Verankerung mit metallischem Seilverguss nach DIN EN 13411-4 für – offene Spiralseile – vollverschlossene Spiralseile – Rundlitzenseile • Pressklemmen aus Aluminium-Knetlegierungen nach DIN EN 13411-3 für – offene Spiralseile – Rundlitzenseile • Pressklemmen aus Stahl für – offene Spiralseile – Rundlitzenseile Beim Seilverguss wird das Seilende aufgefächert wie ein Besen und von Fetten und Fremdstoffen gereinigt. Dann wird die Hülse gegenüber dem Seil fixiert und abgedichtet, alles auf ca. 400 Grad vorgewärmt und anschließend mit flüssigem Zamak vergossen. Sollen offene Spiralseile oder Rundlitzenseile mit Klemmen oder Kauschen verankert werden, müssen die Seile ausreichend biegsam sein. Umlenklager und Schellen Besonders beansprucht werden Seile im Bereich von Umlenkungen. Der Krümmungsradius darf nicht zu klein werden, damit die Querpressung des Zuggliedes nicht zu groß wird. Gemäß DIN muss der

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Radius der Auflagerfläche von Umlenklagern mindestens gleich dem 20-fachen Seildurchmesser sein. Zugglieder sollten im Bereich der Umlenkung formtreu gestützt werden. Scharfe Kanten sind zu vermeiden.

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Zugstabsysteme Ein Zugstabsystem setzt sich aus dem b Zugstab, dem Gabelkopf und dessen Komponenten (Bolzen, Muffen etc.) zusammen. Für den Zugstab wird ein Stahl verwendet, dessen Streckgrenze um 30 % höher liegt als beim schon zugfesteren 42 c Stahl S355. Gleiche Lasten können so mit geringerem Stabquerschnitt aufgenommen werden, der Zugstab bleibt schlank. Als Anschlusspunkte dienen Knoten- und Anschlussbleche aus Stahl S355. Gabelkopf, Bolzen und Muffe sind für höhere Lasten als der Zugstab selbst ausgelegt, um ein Versagen in diesen Komponenten auszuschließen. Eine genaue Längeneinstellung ist durch ein Rechts- und Linksgewinde der Gabelköpfe möglich und wird über Drehen des Stabes erreicht. So ist ein Spannschloss nicht erforderlich. Der Gabelkopf wird zwängungsfrei durch einen eingeschlagenen Bolzen fixiert. Bei Konstruktion und Herstellung der Anschlussbleche ist auf die Konstruktionsangaben der Hersteller zu achten (Mindestabstände und Lage der Bohrungen). Zur korrekten Lastabtragung müssen im Bereich der Anschlüsse die Systemachsen aller sich stoßenden Bauteile in einem Punkt aufeinander treffen. Gegen Korrosion sind alle Elemente eines Zugstabsystems feuerverzinkt nach DIN EN ISO 1461 oder spritzverzinkt nach DIN EN 22063 einzubauen. Die vorhandenen Gewinde werden nach dem Verzinken gebürstet. Zugstabsysteme müssen bauaufsichtlich zugelassen sein, sie sind nicht genormt.

37 a, b Erfahrene Seiler sind verantwortlich für die toleranzgenaue Verbindung der Anschlusselemente mit den vorgereckten und abgelängten Seilen. 38 Seilarten a offenes Spiralseil b vollverschlossenes Seil c Rundlitzenseil für untergeordnete Sonderfunktionen d Bündel aus parallelen Spanndrähten Anwendung nur für gerade Abspannungen oder einbetonierte Spannglieder, da der 6-eckige Querschnitt für Umlenkungen nicht geeignet ist. 39 Stütze mit Abspannung, Rundseilumlenkung und Zugstabanschluss 40 Offene Spiralseile mit Schraubklemmen aus Edelstahlguss zur Verbindung von Geländerseil und Hängeseil. 41 Zugelassener Druckstabanschluss 42 Seilendverbindungen a Verankerung mit Verguss b Pressklemmen aus Aluminium-Knetlegierungen c Pressklemmen aus Stahl

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Korrosionsschutz, Brandschutz, Bauphysik

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Korrosionsschutz Natürliches Eisenerz enthält Eisen als stabiles Oxid. Bei der Einschmelzung werden Eisen und Stahl auf ein höheres Energieniveau gehoben, sie werden thermodynamisch instabil und haben das Bestreben, in den energieärmeren Zustand zurückzukehren. Korrosion ist die Rückführung von Eisenatomen in Eisenoxid unter Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser. Es bildet sich Rost, ein lockeres Gefüge geringer Festigkeit. Durch die Oxidation kommt es zu einer Massenzunahme, das Material wird schwerer, die Ausdehnung des Volumens führt zu Spannungen, die Rostschicht platzt ab. Die Befeuchtungsdauer ist zusammen mit der relativen Luftfeuchtigkeit und den atmosphärischen Bedingungen Indikator für die Geschwindigkeit atmosphärischer Korrosion. Die DIN EN ISO 12944-2 liefert hierzu eine Einteilung der Umweltbedingungen in Korrosivitätskategorien (s. Anhang). Wichtig sind auch die tatsächlichen Feuchtigkeitsverhältnisse an der Konstruktion, verursacht durch Niederschlag, Wasserablauf oder Kondensation. Kontaktkorrosion entsteht, wenn sich zwei Metalle mit unterschiedlichem elektrochemischem Potential berühren, dann korrodiert das unedlere Metall. Um das zu verhindern, sind die Kontaktflächen durch Trennlagen, bei Schrauben durch Kunststoffunterlegscheiben und -hülsen zu isolieren. Korrosion verursacht neben Tragfähigkeitsverlusten an den betroffenen Bauteilen (durch Materialabtrag) auch Schäden an angrenzenden Bauteilen (Zwängungen und Abplatzungen durch Volumenzunahme der korrodierten Stahloberflächen) und optische Beeinträchtigungen. Zum Schutz gegen atmosphärische Korrosion sind aktive und passive Maßnahmen

erforderlich. Aktiver Schutz wird durch korrosionsschutzgerechtes Konstruieren erreicht, passive Maßnahmen schützen die Stahloberfläche, dazu zählen: • wetterfester Stahl • nichtrostender Stahl • Beschichtungen • Feuerverzinken (Überzug) • Duplex-Systeme Korrosionsschutzgerechtes Konstruieren Die korrosionsschutzgerechte Gestaltung der Konstruktion eines Gebäudes gehört zum aktiven Korrosionsschutz und kann dessen Anfälligkeit positiv beeinflussen (DIN EN ISO 12944-3). Eine Stahlkonstruktion soll sicher, wirtschaftlich, fertigungs-, schweiß-, beschichtungs-, montage- und korrosionsschutzgerecht geplant werden. Allen Forderungen gleichzeitig kann meist nicht entsprochen werden, da sie sich widersprechen können. Die Planer müssen abwägen und Prioritäten setzen. Oberflächen von Stahlkonstruktionen sollten möglichst klein und wenig gegliedert sein. Bauteile sind zugänglich und erreichbar auszubilden, so dass alle Flächen von Hand mit Werkzeugen vorbereitet, beschichtet und geprüft werden können. Ist das nach Montage nicht mehr möglich, gelten hier erhöhte Schutzanforderungen. In der Norm sind dafür Maße und Grenzwerte angegeben. Schweißnähte bedeuten glatte Flächen und sind Niet- oder Schraubverbindungen vorzuziehen, obwohl die Schweißverbindung durch die Gefügeveränderung im Stahl oft anfälliger für Korrosion wird. Hier gilt es abzuwägen. Unterbrochene Nähte und Punktschweißungen sind zu vermeiden, Spalte und Schlitze müssen verschlossen werden. Hohlprofile und Bauteile können offen oder geschlossen geplant werden. Geschlossene Hohlprofile müssen so dicht sein, dass weder Luft noch Feuch-

Verrostete Oberfläche von Stahlblech. Auftreibender Rost kann angrenzende Bauteile wie Glasscheiben, Betonteile oder Verbindungsmittel schädigen, Betonteile können absprengen.

tigkeit eindringen können (umlaufende Schweißnähte, Dichtschotten). Offene Hohlprofile sollten immer wasserabgewandt eingebaut werden und durch ausreichende Belüftungs- und Entwässerungsöffnungen und – je nach geplanter Lebensdauer – durch Innenbeschichtung vor Korrosion geschützt werden. Geneigte Oberflächen vermeiden Schmutz- und Wasseransammlungen und vermindern die Korrosionsgeschwindigkeit. Wetterfester Baustahl Wetterfeste Stähle zählen laut DIN EN 10020 zu den Edelstählen, sie enthalten aber nur geringere Legierungsbestandteile (unter 1%) und sind daher preiswerter. Die Wetterfestigkeit entsteht durch diese Legierungsanteile, vor allem Chrom und Kupfer (Stähle der Klasse W). Zusätzliche Anteile an Phosphor (0,06 – 0,15 % P), steigern diese Wirkung noch (Stähle der Klasse WP). Weltweit gibt es viele Sorten, einige sind in der DIN EN 10155 klassifiziert (Nachfolgenormen im Entwurf: EN 10025-5 und EN 10025-1). Der Werkstoff mit dem Namen COR-TEN-Stahl ist 1932 in Amerika mit den Legierungszusätzen Kupfer, Phosphor, Silicium, Nickel und Chrom zum Patent angemeldet worden, er zeichnet sich durch Rostwiderstand (CORrosion resistance) und hohe Zugfestigkeit (TENsile strength) aus. Wetterfester Stahl bildet unter natürlicher Bewitterung (Feucht-Trocken-Wechsel) eine fest haftende, schützende Rostdeckschicht. Der Rostvorgang wird verlangsamt, kommt aber nicht zum Stillstand. Bei Dauerfeuchtigkeit wird die Deckschichtbildung allerdings gestört, und er rostet wie normaler Stahl. Durch muldenförmigen Korrosionsabtrag (Narben) ist die Oberfläche rau. Ist eine optisch gleichmäßige Oberfläche gewünscht, sollte die Walzhaut, die im Warmwalzvorgang entsteht, durch Strahlen entfernt werden. 79

Korrosionsschutz Nichtrostender Stahl

Gruppen nichtrostender Stähle

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Es müssen in Abhängigkeit von der geplanten Nutzungsdauer Abrostungszuschläge für verschiedene Korrosionsbelastungen (C1 bis C5-M) eingeplant werden. Die ISO 9224-11 gibt für alle Korrosivitätskategorien Abrostungskurven an. Für eine Nutzungszeit von 100 Jahren ist die Abrostung bei wetterfestem Stahl je bewitterter Seite: • C2 gering (Land) 0,11 mm • C3 mäßig (Stadt) 0,53 mm • C4 stark (Industrie) 1,05 mm Der Dickenverlust durch Abrostung bei wetterfestem Stahl ist in der Kategorie C4 halb so groß wie bei unlegiertem Baustahl. Für Kategorie C5 (aggressive Industrie, Meer) ist der ungeschützte wetterfeste Baustahl ungeeignet. Bei Tragkonstruktionen und dünnen Blechen müssen diese Abrostungen durch Dickenzuschläge ausgeglichen werden (DASt-Richtlinie 007-4). Dies bedeutet mehr Gewicht, die Statik muss dafür ausgelegt werden. Wetterfester Baustahl kostet ca. 10 –15 % mehr als normaler Baustahl. Dagegen entfallen die Kosten für Korrosionsschutz (Erstbeschichtung, Gerüst, Ausbesserung und Erneuerung der Beschichtung) und auch die damit verbundenen Umweltbelastungen für Luft und Wasser (Lösemittel, Strahlgut). Die bereits erläuterten Regeln für korrosionsschutzgerechtes Konstruieren sind beim wetterfesten Baustahl besonders sorgfältig zu befolgen, da die Korrosion hier beschleunigt verläuft, wenn sie einmal begonnen hat. Dies gilt insbesondere bei Kontaktkorrosion (Trennlagen einbauen zu edleren Metallen wie Edelstahl, Kupfer, Blei, Zinn, und unedleren Metallen wie Aluminium und Zink/Verzinkungen, Auswaschungen verhindern; möglichst wenig Schraubverbindungen). Die DAStRichtlinie 007-4 enthält wichtige Regeln für die werkstoffgerechte Konstruktion mit wetterfestem Stahl. 80

Nichtrostender Stahl Edelstähle (nach DIN EN 10020) sind legierte und unlegierte Stähle, deren Schwefelund Phosphorgehalt 0,035 % nicht übersteigt. Ein Edelstahl muss nicht zwangsläufig ein nichtrostender Stahl sein, dazu bedarf es des Zusatzes »rostfrei«. Sorten Nichtrostende Stähle, ihre Einteilung, Eigenschaften, Lieferformen und Anwendungen sind in der DIN EN 10088-1 bis -5 genormt. 1912 wurde erstmals die Herstellung eines nicht rostenden Stahls mit austenitischem Gefüge (V2A-Stahl) durch Legieren mit Chrom und Nickel (in der Versuchsschmelze 2) hergestellt und patentiert. Seither verwendeten Hersteller und Verarbeiter verschiedene Bezeichnungen wie V2A / V4A, NIROSTA, REMANIT, Chromagan. Heute kennzeichnet der Sammelbegriff »Edelstahl rostfrei« eine Gruppe von über 100 nichtrostenden, säurebeständigen Stählen. Sie enthalten mindestens 10,5 % Chrom (Cr), wodurch die bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber unlegierten Stählen entsteht. An der Oberfläche bildet sich die entscheidende chromoxidreiche Passivschicht, die allerdings den ungehinderten Austausch mit Sauerstoff benötigt, um dauerhaft zu funktionieren. Legierungsbestandteile wie Nickel und Molybdän erhöhen die Korrosionsbeständigkeit noch weiter. Durch Hinzulegieren weiterer Elemente (Niob, Ti, N, S) lassen sich Eigenschaften noch weiter beeinflussen. Somit kann jeder Stahlhersteller Edelstahl je nach Anwendungszweck individuell herstellen, was die Klassifizierung sehr komplex macht. Es ist daher wichtig vorher zu definieren, welche Eigenschaften der eingebaute Stahl haben soll (Magnetismus, Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit). Nichtrostende Stähle werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrem Gefügezustand in vier Gruppen

Gefüge

Kurzzeichen

Hauptlegierungsbestandteile

ferritisch

F

Cr

martensitisch

M

Cr, C oder Ni

austenitisch

A

Cr, Ni, Mo

austenitischferritisch

FA

Cr, Ni, Mo (höhere Cr- und niedrigere Ni-Gehalte als bei austenitischen Stählen)

eingeteilt (Tab. 4). Ferritische Stähle sind schweißgeeignet, austenitische noch besser, während martensitische mit hohem Kohlenstoffgehalt nur bedingt geeignet sind. 17 nichtrostende Stähle sind nach bauaufsichtlicher Zulassung Z-30.3-6 für Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteile für tragende Konstruktionen verwendbar. Am gebräuchlichsten auch für nichttragende Bauteile sind: • Nr. 1.4301, 1.4307, 1.4541 Grundtyp der Chrom-Nickel-Stähle (früher V2A), • Nr. 1.4401, 1.4404, 1.4571 zusätzlich mit Molybdän legiert (früher V4A) Die einzelnen Stahlsorten sind durch Kurznamen (z. B. X5CrNi18-10) und Werkstoffnummern (z. B. 1.4301) bezeichnet, häufig nur durch die Werkstoffnummer. Lieferformen Die warmgeformten Drähte, Profile, Rund-, Flach-, Quadrat- und Profilstäbe werden gewalzt oder stranggepresst, ihre Abmessungen entsprechen häufig den genormten Walzprofilen aus niedrig legiertem Stahl. Genaue Querschnitte sollten beim Hersteller erfragt werden. Kaltgeformte Profile, Träger und Rohre hoher Steifigkeit werden aus rostfreiem Edelstahlblech durch Roll- oder Abkanten bzw. Kaltziehen hergestellt. Oft wird auftragsbezogen gefertigt. Edelstähle lassen sich genauso umformen wie unlegierte Stähle, der Kraftaufwand ist jedoch wegen ihrer höheren Scherfestigkeit größer. Die Hersteller liefern Bänder in einer Breite bis zu 2000 mm und in beliebiger Länge, sowie Blech in handelsüblichen Tafeln (1000 ≈ 2000, 1250 ≈ 2500, 1500 ≈ 3000 mm). Es gibt nach DIN EN 10088 drei Ausführungen werkseitiger Oberflächen für Bänder und Bleche (schleif- und bürstbar, sehr glänzend, geschliffen). Diese Oberflächen werden bei Lagerung und Transport durch Folien geschützt. Zusätzlich kann die Oberflä-

Korrosionsschutz Beschichtungssysteme

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Rollprofilieren eines Edelstahl-Fensterprofils Gehrungsschliff an einem Edelstahlgeländer zur Entfernung von Anlauffarben Gruppen nichtrostender Stähle nach Gefügezustand eingeteilt Aufbringen eines Beschichtungsstoffes durch Heißbeschichtung im Airless-Verfahren Beschichtungssystem auf Stahl a korrodierte Stahloberfläche b Sandstrahlen der korrodierten Fläche, Reinheitsgrad Sa 21/2 c Rostschutzgrundierung, zweifach d Rostschutzlack als Zwischen- und Deckbeschichtung Kurzbezeichnungen für Anstrichstoff-Bindemittel

che noch durch Schleifen, Strahlen, Beizen, Passivieren, Polieren und Färben nachbehandelt werden. Sie ist weniger schmutzanfällig und hat einen umso höheren Korrosionswiderstand, je glatter sie ist. Für eine rauere Oberfläche wird eventuell ein höherlegierter Stahl verwendet. Regelmäßiges Reinigen verringert die Korrosionsgefahr, auch das Vermeiden von Spalten. Bearbeitung Werkstoffabhängig kann mit üblichen Schmelz- und Pressschweißverfahren geschweißt werden. Das WIG-Verfahren (Wolfram-Inertgasschweißen) und das Plasmalichtbogenschweißen mit Plasmagas (Argon) wird bei dünnen Blechen angewendet. Nach dem Schweißen und Löten müssen Spritzer, Schweißraupen und Anlauffarben entfernt werden, um Korrosion zu verhindern. Anlauffarben und Zunder werden durch Beizen entfernt, danach muss gut neutralisiert und nachgespült werden. Schweißnähte werden nachgearbeitet, um ein einheitliches Schliffbild zu bekommen. Für den Bauablauf ist es wichtig, dass Bauteile aus Edelstahl spät eingebaut oder zumindest gut geschützt werden. Kalk- und Zementspritzer sind möglichst vor dem Aushärten mit Holzspan zu entfernen (Fremdrostgefahr). Eisenabrieb von unlegiertem Stahl führt zu Rostflecken am nichtrostenden Stahl, daher ist die gleichzeitige Benutzung von Schleifwerkzeugen für beide Werkstoffe auf der Baustelle zu vermeiden. Beschichtungssysteme Der Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme ist in der DIN EN ISO 12944 geregelt. Beschichtungen zählen zu den Verfahren des passiven Korrosionsschutzes. Gründe für die Anwendung können farbliche Gestaltungswünsche oder der Umstand sein, dass die Bauteile für eine Feuerverzinkung zu

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groß sind. Bei der Ausführung der Beschichtungsarbeiten sind die technischen Merkblätter der Hersteller zu beachten. Schutzdauer Voraussetzung für eine lange Schutzdauer ist die Wahl des richtigen Beschichtungssystems und dessen fachgerechte Ausführung. Dies geschieht in Abhängigkeit von der Korrosionsbelastung der regionalen Standorte und ihrer Atmosphäre (DIN EN ISO 12944-2), der Oberflächenvorbereitung und der geforderten Schutzdauer. Dafür gibt es Tabellen in den DINNormen (Anhang S. 107). Je nach Art der Beschichtung und der Aggressivität der Umgebung beträgt die Schutzdauer zwischen 8 und 40 Jahren. Die erforderlichen Schichtdicken für die gewünschte Schutzdauer sind in der DIN EN ISO 12944-5 geregelt. Die jeweils zu erwartende Schutzdauer ist nicht nur von technischer Bedeutung, sondern auch ein wesentlicher wirtschaftlicher Faktor. Die DIN EN ISO 12944-1 gibt für die Schutzdauer 3 Zeitspannen an: • kurz (K) 2– 5 Jahre • mittel (M) 5 –15 Jahre • lang (L) über 15 Jahre Die Schutzdauerangabe hilft ein Instandsetzungsprogramm festzulegen. Erste Instandsetzungsmaßnahmen sind normalerweise nötig, wenn das Beschichtungssystem den Rostgrad Ri 3 nach DIN ISO 4628-3 aufweist. Systemaufbau Ein Beschichtungssystem ist die Gesamtheit der Schichten, die auf den Untergrund aufgetragen werden. Es besteht aus • Grundbeschichtung • Zwischenbeschichtung • Schlussbeschichtung. Die Grundbeschichtung ist Korrosionsschutz und Haftvermittlung zugleich. Durch die raue Oberfläche und die Adhäsion des Bindemittelfilmes am Metall ent- 7

steht ein mechanischer Verbund mit dem Untergrund. Grundierungen (ca. 60 μm) enthalten sogenannte aktive Pigmente, die Korrosion chemisch und physikalisch stoppen oder verzögern. Am häufigsten sind Zinkweiß, Zink- und Calciumphosphat sowie metallischer Zinkstaub. Dieser ist als Basis in Zinkstaubfarben enthalten, die fälschlicherweise als Kaltverzinkung bezeichnet werden. Die Zwischenbeschichtung erbringt die vorgesehene Schichtdicke des Systems. Ihre Schutzwirkung besteht darin, dass sie Festigkeit, Undurchlässigkeit und Resistenz gegen äußere Angriffe erbringt (Barrierewirkung). Mit der Schlussbeschichtung werden das gewünschte optische Erscheinungsbild (farbig, matt, glänzend oder geglimmert) und die UV-Beständigkeit hergestellt. Der optimale Farbauftrag erfolgt werkseitig durch Spritzen oder Streichen bei Nasslack, bei Pulverlacken unter Wärmezufuhr. Oberflächenvorbereitung Nach DIN 12944-4 muss der Untergrund von Verunreinigungen wie Walzhaut, Zunder, Rost, losen alten Beschichtungen oder Fetten durch Strahlen, Reinigen oder Beizen gesäubert werden. Hier beschrieben mit einem Norm-Reinheitsgrad, unterKurzbezeichnungen für Anstrichstoff-Bindemittel AK

Alkydharz

AY

Acrylharz

BIT

Bitumen

CR

Chlorkautschuk

CTE

EpoxidharzTeer

CTV

Venylharz-Teer

EP

Epoxidharz

ESI

Ethylsilicat

MF

Melamin-Formaldehydharz

PA

Polyamid

PE

Polyethylen

PF

Phenol-Formaldehydharz

PMMA Polymethylmethacrylat PS

Polystyrol

PUR

Polyurethan

PVC

Polyvenylchlorid

SBI

Butadien-StyrolKautschuk

SI

Siliconkautschuk

UF

Harnstoff-Formaldehydharz

UP

Polyesterharz, ungesättigt

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Korrosionsschutz Feuerverzinken

8 Schliffbild (Schnitt durch eine verzinkte Oberfläche) mit typischem Härteverlauf der durchgewachsenen Eisen-Zink-Legierungsschicht a Reinzink Zn b Eisen-Zink-Legierungsschichten Fe + Zn c Stahl FE 9 Baugleiche Teile mit Aufhängung für den Tauchvorgang beim Feuerverzinken 10 Klassifizierung des Verzinkungsverhaltens von Baustählen und Optik des entstehenden Zink8 überzugs

schieden nach ganzflächiger und partieller Oberflächenvorbereitung. Bei der ganzflächigen Vorbereitung wird die gesamte Stahloberfläche freigelegt (Vorbereitungsgrade: Sa, St, Fl, Be), während bei der partiellen nur Rost und Verunreinigungen entfernt, aber intakte Beschichtungen erhalten werden (Vorbereitungsgrade: Psa, PSt, Pma). Für die optimale Haftung wird ein Rauheitsgrad von 40 – 80 μm vorgeschrieben (DIN EN ISO 85031). Beschichtungsstoffe Beschichtungsstoffe sind flüssige, pastenförmige oder pulverförmige pigmentierte Produkte. Sie setzen sich zusammen aus: • Bindemitteln (synthetische Harze auf Basis von AK, AY, PVC, EP, PUR ...), • aktiven Pigmenten (Zinkphosphate, Zinkstaub ...), • passiven Pigmenten (Eisenglimmer, Talkum ...), • Füll- und Hilfsstoffen (Verdickungsmittel, Entschäumer, Antiabsetzmittel ...), • Lösemitteln (Wasser, organische Lösungsmittel). Bindemittel, Pigmente und Füllstoffe bilden nach dem Verdunsten der Lösemittel die Beschichtung. Beschichtungsstoffe werden nach der Art des Bindemittels (Filmbildung) in drei Hauptgruppen klassifiziert: • Oxidativ härtende (z. B. Alkydharz) • Physikalisch trocknende (z. B. PVC, Acrylharz) • Reaktionsbeschichtungsstoffe (zwei Komponenten: Stamm- und Härterkomponente, z. B. Epoxidharz, Polyurethan).

9

Schutz bei Schrammen und Kratzern. Zink ist gegenüber Eisen das unedlere Metall, so dass es zur Bildung eines galvanischen Elements kommt, wenn eine ausreichende Feuchtigkeitsmenge (Elektrolyt) vorhanden ist. Zink fungiert hier als Opfermetall. Wird der Zinküberzug beschädigt, schützt das umgebende Zink die Schadstelle vor Korrosion (»kathodischer« Schutz). Die Härte der Legierungsschicht liegt über der normaler Baustähle, was hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit bedeutet. Bei Transport, Montage und Gebrauch ist das von Vorteil gegenüber Beschichtungssystemen. Die Summe der Fehlstellen darf nicht mehr als 0,5 % der Gesamtoberfläche des Bauteils betreffen, die Einzelbeschädigung nicht größer als 10 cm2 sein, sonst muss neu verzinkt werden. Ausgebessert wird nach fachgerechter Oberflächenvorbereitung durch thermisches Spritzen mit Zink oder Zinkstaubbeschichtung (»Kaltverzinken«). Bei galvanischer Verzinkung im Tauchbad unter elektrischer Spannung entsteht nur eine sehr dünne Schutzschicht, die für Schrauben sinnvoll ist, ansonsten aber eher nur temporären Schutz bietet. Demgegenüber erzeugt das Feuerverzinken den Zinküberzug mit der längsten Schutzdauer. Feuerverzinken erfolgt in Zinkschmelzen. Bei Temperaturen von ca. 450 °C bildet sich eine Eisen-ZinkLegierungsschicht, deren Aussehen von der chemischen Zusammensetzung des Stahls, von den Verzinkungsbedingungen (Schmelztemperatur, Tauchdauer) und

Oberflächenvorbereitung Das Feuerverzinken erfordert eine metallisch blanke Oberfläche. Sie wird in Salzsäure-Beizbädern mit anschließender Flussmittelbehandlung hergestellt. Fett, Rost und Zunder werden hierbei entfernt, Verunreinigungen wie Beschichtungsreste, Schweißrückstände und Schlacken sowie Signierungen sind jedoch vom Anlieferer zu beseitigen.

Klassifizierung des Verzinkungsverhaltens von Baustählen Nr.

Feuerverzinken 1 Das Feuerverzinken (Stückverzinken) ist 2 ein industrieller Korrosionsschutz ab Werk, unter definierten Bedingungen gemäß DIN 3 EN ISO 1461 durchzuführen. Der Zinküberzug geht eine Legierung mit dem Stahl ein, 4 ist unlösbar mit ihm verbunden und bietet 10 82

der Stahloberfläche abhängt. Die Verzinkerei hat dabei kaum Möglichkeiten, das durch die Stahlzusammensetzung bedingte Wachsen der Eisen-Zink-Legierungsschicht zu beeinflussen. Die DIN 10025 nennt unlegierte Stähle mit besonderer Eignung zum Verzinken. So ist S235 durch seinen geringeren Gehalt an Silicium besser verzinkungsgeeignet als S355, muss aber für die erforderliche Schichtdicke länger getaucht werden. Unterschiedliche Stahlsorten oder Chargenwechsel in einer verzinkten Konstruktion sollten wegen des unterschiedlichen Aussehens der Zinkoberflächen vermieden werden, wenn diese sichtbar bleiben sollen. Für eine silbrig ansprechende Oberfläche sind Stähle mit einem Si- und P-Gehalt von 0,03 % (Nr. 1) zu wählen oder eine speziell legierte Zinkschmelze. Für korrosionstechnische Anwendungen sind Stähle Nr. 3 zu bevorzugen (Tabelle 10). Werden an Aussehen und Dicke des Zinküberzugs besondere Anforderungen gestellt, muss dies mit der Feuerverzinkerei abgestimmt werden.

Silicium + Phosphor [%]

Zinküberzug

< 0,03

silbrig-glänzend, Zinkblume, niedrige Schichtdicke, normale Eisen-Zink-Reaktion

0,03 bis < 0,13 Sandelin-Bereich

grau, z. T. grießig, hohe Schichtdicke, beschleunigte Eisen-Zink-Reaktion

0,13 bis < 0,28 Sebisty-Bereich

silbrig-glänzend bis mattgrau, mittlere Schichtdicke, normale Eisen-Zink-Reaktion

≥ 0,28

mattgrau, mit zunehmendem Silicium-Gehalt graues Aussehen, hohe Schichtdicke, beschleunigte Eisen-Zink-Reaktion

Korrosionsschutz Feuerverzinken, Duplex-Systeme

11 Beschichtungssystem auf Zinkblech oder verzinktem Stahl (Duplex-System) a verzinkte Stahloberfläche b nach der Netzmittelwäsche (Fett- und Chromatschicht mit Ammoniak und Nassschleifer entfernt) c Zinkhaftprimer, weiß d Vorlack, eingefärbt als Zwischenbeschichtung e Deckbeschichtung auf Acrylpolyurethan-Basis

11

Schutzdauer Die Schutzdauer eines Zinküberzugs wird durch seine Schichtdicke und den jährlichen Dickenverlust bestimmt. Die Norm DIN EN ISO 1461 legt Mindestdicken in Abhängigkeit von der Bauteildicke des Stahls fest. Die Dicke wird in μm (1 μm = 0,001 mm) gemessen, sie variiert verfahrensbedingt zwischen 50 μm –150 μm. Der Korrosionsabtrag von Zink beträgt im Mittel etwa 1 μm pro Jahr. Durch hohe Korrosionsbelastungen (Meerwasser, Industrie), lange Befeuchtungsdauer und Ablagerung von Verunreinigungen kann der Dickenverlust pro Jahr erheblich größer sein. Die Klassifizierung von Korrosivitätskategorien mit Dickenverlusten von Zink und Stahl erfolgt nach DIN EN ISO 12944-2 (S. 107). Ausschreibung Da es unter dem Begriff »Verzinkung« verschiedene Verfahren gibt, sollte bei Ausschreibung und Auftragserteilung die Norm DIN EN ISO 1461 als Grundlage dienen. Denn nur ihre Standards gewährleisten einen dauerhaften Korrosionsschutz. Beispielhaft für eine feuerverzinkte und beschichtete Konstruktion (Duplex) wäre folgender Text: »Feuerverzinken aller Stahlteile nach DIN EN ISO 1461. Der verarbeitete Stahl muss zum Feuerverzinken geeignet sein, die Konstruktion ist feuerverzinkungsgerecht zu fertigen. Alle Verbindungsmittel wie Schrauben, Muttern usw. feuerverzinkt nach DIN 276-10, zusätzliche Beschichtungen gemäß DIN EN ISO 12944-5«. Verzinkungsgerechtes Konstruieren Baustähle müssen für das Verzinken zugelassen sein. Einwandfreie Zinküberzüge und damit ausreichender Korrosionsschutz sind nur möglich, wenn bei Planung und Konstruktion von Stahlbauteilen die Regeln des korrosionsschutz- und verzinkungsgerechten Konstruierens beach-

tet werden. Empfehlungen gibt die DIN EN ISO 14713. Nur so kann ein Verziehen der Stahlteile durch die Hitze der Zinkschmelze (450 °C), können Spannungsrisse oder Beschädigungen vermieden werden. Die Hitze des Tauchbades kann auch der Grund für das Verziehen von Bauteilen mit Schweißeigenspannungen sein. Weist ein Bauteil verschiedene Materialstärken auf, kühlen die Einzelteile unterschiedlich schnell ab, es kann sich verziehen. Die beiden Teile einzeln zu verzinken und später zu fügen ist dann besser. Die Maße der Tauchbecken beschränken die maximalen Abmessungen der zu verzinkenden Bauteile. Übliche Kesselmaße für die Verzinkung sind: • Länge: ca. 7,00 m –16,00 m • Breite: ca. 1,30 m – 1,90 m • Tiefe: ca. 1,80 m – 3,20 m Für das Tauchbad soll die Aufhängung der Teile so erfolgen, dass das flüssige Zink durch Zu- und Ablauflöcher hineinund wieder herauslaufen kann (bei Rahmen und Hohlprofilen). Die verdrängte Luft muss entweichen können. In Bohrungen sammelt sich mehr Zink als auf glatten Flächen, deshalb sind ca. 2 mm Lochspiel einzuplanen. Auch das Gewicht spielt eine Rolle, Hublasten der Kräne der Feuerverzinkerei müssen berücksichtigt werden. Hier ist frühzeitig an eine Elementierbarkeit großer Teile zu denken. Sperrige Teile verursachen höhere Kosten, sie sollten in möglichst ebenflächige Einzelteile zerlegt und nach dem Verzinken montiert werden. Feuerverzinkte Teile können auch geschweißt werden, dabei verdampft jedoch der Zinküberzug, der Schweißablauf wird unruhiger und der Korrosionsschutz geht verloren. Duplex-Systeme Sie bestehen aus der Kombination eines metallischen Überzugs, der Feuerverzinkung, mit einer Beschichtung (DIN EN

ISO 1244-5). Ein Duplex-System wird gewählt, wenn eine lange Schutzdauer und eine farbliche Gestaltung der Stahlteile gewünscht ist. Durch den SynergieEffekt der kombinierten Korrosionsschutzmaßnahmen kann die Schutzdauer um den Faktor 1,2 – 2,5 gegenüber der Summe der einzelnen Schutzfristen erhöht werden. Es handelt sich dabei allerdings um den aufwändigsten und kostenintensivsten Korrosionsschutz. Der Zinküberzug wird durch die Beschichtung geschützt, wodurch ein Abtrag des metallischen Zinks vermieden wird und er lange Zeit im neuwertigen Zustand erhalten bleibt. Der Stahl bleibt auch bei beschädigter Beschichtung geschützt, so dass es zu keinen Unterrostungen kommt. Hierdurch lebt auch die Beschichtung länger. Probleme mit mangelnder Schichtdicke in Hohlräumen, Vertiefungen, an Ecken und Kanten entfallen. Die Beschichtung muss eine Eignung für Zinküberzüge haben (Technisches Merkblatt des Herstellers). Die einwandfreie Vorbereitung der Oberflächen ist wichtig für ein funktionierendes Duplex-System. Je nach Alter und Zustand des Zinküberzugs wird mit einem Ammoniak-Netzmittel nass abgeschliffen, heiß-, druckwasser- oder dampfgestrahlt, mechanisch geschliffen oder Sweep-gestrahlt. Sweepen ist eine Sonderform des Raustrahlens, die Oberfläche wird aufgeraut, ohne sie zu beschädigen. Die Wirtschaftlichkeit eines Korrosionsschutzsystems wird ermittelt über die Erstkosten sowie die anfallenden Wartungs- und Instandhaltungskosten. Bei der Planung ist das günstigste KostenNutzen-Verhältnis zu beachten. Kurzfristig ausgelegter Schutz für Objekte, die lange funktionsfähig bleiben sollen, ist genauso falsch, wie kostenaufwändige Langzeitmaßnahmen für Objekte begrenzter Lebensdauer. 83

Brandschutz Planerische und konstruktive Maßnahmen

Einteilung von Baustoffen nach ihrer Brennbarkeit Baustoff

Baustoffklasse

Euroklasse nach DIN 4102-1

nichtbrennbarer Baustoff (z. B. Stahl, Beton)

A1

A1

nichtbrennbarer Baustoff mit brennbaren Bestandteilen (z. B. Gipskartonplatte)

A2

A2

schwerentflammbarer Baustoff (z. B. Eichenparkett auf Zementestrich)

B1

B

geringer Beitrag zum Brand normalentflammbarer Baustoff (z. B. Holz- und Holzwerkstoffe)

C B2

hinnehmbares Brandverhalten

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leichtentflammbarer Baustoff (z. B. unbehandelte Kokosfasermatte)

Brandschutz Bei Gebäudebränden können Temperaturen von 1000 –1200 °C entstehen. Stahl ist nicht brennbar und trägt somit nicht zur Brandbelastung und Brandentwicklung bei. Doch ist Stahl ein sehr guter Wärmeleiter, das Bauteilinnere erhitzt sich schnell und das Gefüge des Materials wird angegriffen. Bereits ab 500 °C sinkt die Streckgrenze um zwei Drittel, die Tragfähigkeit geht verloren. Gebäude sind so zu gestalten, dass sie im Brandfall ausreichend lange standsicher bleiben, um Personen nicht zu gefährden. Die Landesbauordnungen treffen normierte Anforderungen zu erforderlicher Feuerwiderstandsdauer, Gebäudeklassen (5 Klassen), Rettungswegen (erster und zweiter), Brandverhalten von Baustoffen (A, B1, B2) und Brandwänden (Abschottungsprinzip). Grundlage der Bauordnungen ist die Musterbauordnung (MBO), hier werden Personen und Sachwertschutz definiert (§ 14). Abhängig von der Gebäudenutzung wird die Feuerwiderstandsklasse festgelegt (F 30 – F180). Um dies alles zu erreichen, sind Maßnahmen planerisch im Gebäudeentwurf und konstruktiv im einzelnen Bauteil zu ergreifen. Planerische Maßnahmen Entwurfsrelevante Brandschutzmaßnahmen sind • Fluchtwege • Brandabschnitte (Brandbegrenzung durch waagerechte und senkrechte Unterteilung des Gebäudes) • Konzentration der brandgefährdeten Nutzungen in gezielt gestalteten Gebäudeabschnitten • Vermeidung von Brandüberschlag (Abstand der Gebäudeöffnungen, Überschlagsstreifen, Brandwände) • Feuerwehrangriffswege • Dachöffnungen (Rauch-/Wärmeabzug) • Feuerlöschanlagen (z. B. Sprinkler). 84

D E

B3

F

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Konstruktive Maßnahmen Ziel baulichen Brandschutzes ist, die Erwärmung eines Bauteils aus Stahl durch geeignete Maßnahmen zu verhindern oder zu verlangsamen. Die Schutzmaßnamen sind dämmender, abschirmender oder wärmeabführender Art. Sie unterscheiden sich nach ihrer Wirkungsweise: • Ableiten des Wärmeangriffs in andere Bauteile mit größerer Masse, indem Hohlstützen mit Beton (Verbundbauweise > F 90 möglich) oder (selten) mit zirkulierendem Wasser gefüllt werden, oder Decken aus Trapezblech mit Aufbeton versehen werden (Stahlverbunddecken, s. S. 16). • Verzögerung des Wärmeangriffs durch Ummantelung mit Beton, Gipskarton oder Platten aus Spezialwerkstoffen, Unterdecken, Brandschutzanstriche oder Überdimensionierung der Profile (massige Stahlprofile erwärmen sich langsamer, kleines Verhältnis von Umfang U zu Querschnittsfläche A).

die Oberflächenqualität fällt jedoch gegenüber normalen Beschichtungen ab, die Kosten liegen deutlich höher. Für Baustoffe und Bauteile, die in der DIN 4102-4 erfasst sind, gilt der Nachweis der Feuerwiderstandsdauer als erbracht. Andere Bauprodukte brauchen bauaufsichtliche Zulassungen oder Prüfzeugnisse. Im Unterschied zur nationalen Klassifizierung nach DIN 4102-1 bietet das Euronormprogramm größeren Spielraum (DIN EN 13501-1,2). Früherkennung des Brandes (Brandmelder) und rasche Eindämmung (Sprinkler) dienen nicht nur dem Personen- und Sachschutz, sondern das Tragwerk kann eventuell unverkleidet belassen werden, da es zu einem Vollbrand gar nicht erst kommt. Auch das Vermeiden von giftigen, stark rauchbildenden Materialien kann helfen, Alternativen zu den starren Regeln der Brandwiderstandsklassen zu entwickeln. Denn die häufigste Todesursache bei Bränden ist das Ersticken durch Brandgase. Durch die Berücksichtigung der toxischen Eigenschaften der Baustoffe im Brandfall wäre es also möglich, unabhängig von den unflexiblen Regeln des beschreibenden (descriptive) Verfahrens, in einem zielorientierten (performance based) Verfahren vernünftige Brandschutzmaßnahmen zu definieren. Es könnten Synergien genutzt werden, da gleichzeitig wichtige Vorgaben des Schall-, Wärme- und Korrosionsschutzes sowie der Gestaltung miterfüllt werden.

Sichtbares Konstruieren mit Stahlprofilen kann im Einzelfall möglich sein. Durch statische Überdimensionierung der Konstruktion ist manchmal F 30 erreichbar, besonders bei kompakten Profilen oder bei nur dreiseitig beflammten Trägern. Auch durch höherfeste Stähle oder feuerresistenten Baustahl (FR 30) kann der Brandschutz erhöht werden, ebenso wie durch die Verwendung von dämmschichtbildenden Schutzanstrichsystemen. Sie bestehen aus Korrosionsschutzgrundierung, dem Dämmschichtbildner (Dicke Feuerwiderstandsklassen gemäß Feuerwiderstand 0,3 – 3,5 mm) Feuerwider- Feuerwiderstandsund der Deckbeschichtung. Sie schäustandsklasse dauer [min] men bei 120 – 200 °C auf und bilden eine F 30 ≥ 30 wärmeisolierende Schicht. BauaufsichtF 60 ≥ 60 lich zugelassen sind sie mittlerweile bis F 90 ≥ 90 F 90, dann allerdings nur für offene Profile F120 ≥ 120 bis zu einem Profilfaktor von U/A = 160. F180 ≥ 180 Sie sind in fast allen Farbtönen lieferbar, 14

Bauaufsichtliche Benennung feuerhemmend feuerhemmend feuerbeständig feuerbeständig hochfeuerbeständig

Bauphysik Wärmeschutz, Schallschutz

a

15 b

Wärmeschutz Kondenswasser fällt dort an, wo dampfgesättigte Luft abkühlt. Kalte Luft enthält wenig Wasserdampf (z. B. außen = trockene Luft), warme Luft dagegen viel (z. B. innen = hohe Luftfeuchtigkeit). Trifft nun warme Luft auf kalte oder wird abgekühlt, kondensiert Wasserdampf zu Wasser (Taupunktunterschreitung). Dies kann passieren auf der Bauteilinnenseite im Raum, aber aufgrund des hohen Temperaturgefälles in Dämmschichten auch innerhalb der Wandkonstruktion, was zur Durchfeuchtung führt. Stahl ist ein sehr guter Wärmeleiter (λ = 50 W/mK) und bildet so leicht Wärmebrücken. Durchstoßen Stahlbauteile die Gebäudehülle, entsteht neben dem Verlust an Heizenergie unter Umständen auch Tauwasser, das Ausbauteile schädigen und an den Stahlbauteilen zu Korrosion führen kann. Tauwasserbildung ist nur in Ausnahmefällen akzeptabel. Dann ist aber zumindest für ausreichende Belüftung und Erwärmung des Stahlprofils zu sorgen (s. S. 96 f.). Auf gar keinen Fall dürfen solche Bauteile »eingepackt« werden. Das Wärmebrückenproblem kann durch die vollständige Ummantelung der außenliegenden Stahlkonstruktion mit Wärmedämmung vermieden werden. Oder aber das Gebäude wird schon in der Entwurfsphase dämmgerecht konzipiert (Lage der Tragstruktur, Dämmkonzept). Eine Variante ist, die von innen nach außen durchgehenden Stahlprofile thermisch voneinander zu trennen, wie es bei Pfosten-Riegel-Fassaden aus Metall bereits Standard ist. Die durchgehenden Träger werden durch ein zwischenmontiertes Trennelement unterbrochen. Die statischen Kräfte werden in diesem Bereich dann von nichtrostendem Stahl aufgenommen, dessen Wärmeleitfähigkeit (λ = 15 W/mK) geringer ist als die von unlegiertem Stahl.

12 Einteilung von Baustoffen nach ihrer Brennbarkeit 13 Stahlstütze mit im Brandfall aufschäumender Beschichtung, die Dicke erreicht dann mit ca. 5 cm das 40- bis 50-fache der Trockenschichtdicke, ungehindertes Aufquellen vorausgesetzt. 14 Feuerwiderstandsklassen 15 Gebäudehülle aus Sandwichpaneelen a Außenecke mit durchgehendem Innenblech b Temperaturverteilung 16 Thermische Trennung von Stahlträgern im Bereich der Fassade (Bauzustand)

16

Die DIN 4108 schreibt einen Mindestwärmeschutz vor und legt damit Obergrenzen für die Wärmedurchgangskoeffizienten von Außenbauteilen fest. Somit ist eine bestimmte Oberflächentemperatur auf der Bauteilinnenseite gewährleistet. Die Ermittlung nach DIN 4108 für mehrschichtige Bauteile ist bei Bauteilen mit Stahlleichtbauprofilen aber nicht mehr möglich. Der Wärmedurchgangskoeffizient kann nun näherungsweise nach DIN EN ISO 6946 berechnet werden. Die Bestimmung von Wärmedurchgang, Oberflächentemperatur, Überprüfung des Risikos von Tauwasser- und Schimmelbildung und die energetische Optimierung von Bauteilen ist häufig nur noch anhand von computergestützten Berechnungen eines zwei- oder dreidimensionalen Temperaturfeldes möglich. Mit der Energieeinsparverordnung EnEV wird die Vermeidung konstruktiver Schwachstellen, wie Wärmebrücken und Luftundichtigkeit, bei der Ermittlung des U-Wertes durch einen günstigeren Beiwert berücksichtigt. Die DIN 4108-6 regelt beispielsweise drei Wärmebrückennachweise bei der Ermittlung des Heizenergiebedarfs. Eine richtige Schichtenfolge im Bauteil vermeidet Feuchteschäden und große Temperaturbewegungen tragender Bauteile. Die Dampfdichtigkeit der Werkstoffe muss von innen nach außen abnehmen. Eine Dampfsperre oder -bremse, eine Schicht mit hohem Diffussionswiderstand und geringem Wärmedämmwert (größere Wärmeleitzahl) muss warmseitig vor der Wärmedämmung liegen. Elementierte Fassaden haben eine große Anzahl von Fugen, auf deren Dichtigkeit geachtet werden muss, da hier durch Fugenkonvektion Wasserdampf in die Konstruktion gelangen kann. Die Dichtigkeit kann mit der Zeit nachlassen. (Dilatation, Schwinden). Wasser, das trotzdem eindringt, muss durch konstruktive Maßnahmen wieder nach außen abgeführt werden.

Schallschutz Die Landesbauordnungen (§ 18, 2 MBO) und Bestimmungen der DIN 4109 regeln den Schallschutz im Hochbau. Unterschieden wird nach dem Schutz vor Außenlärm, dessen Pegel durch die Außenbauteile auf festgelegte Werte reduziert wird, und Schutz vor Schallübertragung innerhalb eines Gebäudes. Zumutbare Lautstärken richten sich nach Gebäudenutzung und Aufenthaltsart. Das Maß der Luftschalldämmung verbessert sich mit der Bauteilmasse (Massegesetz). Mehrschalige, leichte Konstruktionen können gleich guten Schallschutz wie schwere, einschalige erreichen, wenn die Einzelschalen federnd miteinander verbunden sind. Der Abstand muss groß genug sein, um Zweischalenresonanz zu verhindern. Es ist günstig, sie schwer und biegeweich auszubilden und die Zwischenräume mit Absorptionsmaterial zu füllen. Entscheidend ist, dass Bauteile und deren Anschlüsse dicht sind. Passgenauigkeit und Fugenredukion wird durch industriell vorgefertigte Bauteile erreicht, eine Stärke des Stahlbaus. Flankierende Bauteile werden durch Schall angeregt und geben ihn an Nebenräume weiter. Die Gesamtschalldämmung eines Bauteils ist nur so gut wie seine Flankenschalldämmung, Nebenweg-Übertragung muss durch eine Unterbrechung der angrenzenden Bauteile vermieden werden. Neben dem Luftschall gibt es noch den Körperschall, insbesondere den Trittschall. Seine Übertragung kann durch Masse (hohes Flächengewicht der Decke), weiche Beläge, schwimmende Estriche und/oder biegeweiche Unterdecken reduziert werden.

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Ausgeführte Stahlbauten

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Wohnhaus in Oldenburg LIN Finn Geipel, Giulia Andi, Berlin/ Paris

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Spannbandbrücke in der Via Mala Schlucht Conzett, Bronzini, Gartmann Ingenieure, Chur

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Dachaufbau in Stuttgart Hartwig N. Schneider Architekten, Stuttgart

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Wohnhaus mit Praxisräumen in Saulgau Ingo Bucher-Beholz, Gaienhofen

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Mensa und Casino in Dresden Auer + Weber + Partner, Stuttgart

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Umnutzung Tiefstollenhalle in Peißenberg Reichel Architekten, Kassel Müller-Hamann Architektin, München

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Wohnhaus in Dornbirn Oskar Leo Kaufmann, Albert Rüf, Dornbirn

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Dokumentationshaus Hinzert Wandel Hoefer Lorch + Hirsch, Saarbrücken, Frankfurt

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Wohnhaus in Oldenburg

Architekten: LIN Finn Geipel, Giulia Andi, Berlin / Paris Tragwerks- Christian Focken, planer: Bad Zwischenhahn Baujahr: 2002–2003

Inmitten eines Oldenburger Wohngebietes mit Häusern im typisch norddeutschen Stil fällt der Blick auf einen reduzierten Stahlkubus. Das Haus für eine Familie mit zwei Kindern ist als einfacher Hallentyp organisiert. Um den Wunsch der Bauherren nach viel Platz und zahlreichen Räumen mit einem knapp bemessenen Budget zu verwirklichen, wählten die Architekten eine kostengünstige, industrielle Stahlbauweise mit vorgefertigten Elementen. In den großen Einraum ist ein kleinteilig gegliederter Funktionsriegel eingeschoben. Das mit vertikal gerichtetem Trapezblech bekleidete Haus steht auf einer allseitig 1,50 m überstehenden Betonbodenplatte. Die Stahlrahmenkonstruktion aus Standardprofilen überspannt einen etwa 22 m langen und 9 m breiten Raum. Leichtbetonausfachungen übernehmen die Aussteifung. Im Erdgeschoss erstreckt sich auf der Westseite über die gesamte Gebäudelänge der Wohn- und Essbereich. Ein durchgehendes Band aus Fenstertüren öffnet den Raum ebenerdig zum Garten. Auf der Ostseite beherbergt der eingeschobene Riegel Küche, Bäder und drei kleine Schlafzimmer. Die einfache eingeschossige Holzständerkonstruktion ist mit Holz- und Gipskartonplatten beplankt. Ihr Doppelboden dient zur horizontalen Leitungsführung, so dass aufwändige einbetonierte Grundleitungen entfallen. Eine langgestreckte Stufe ragt in den Wohnraum und bildet eine vermittelnde »Flurzone«, die dank zahlreicher eingebauter Schubladen gleichzeitig als Stauraum dient. Über eine verschiebbare Stahltreppe gelangt man hinauf zur Galerie auf der Oberseite des Riegels, die von der Familie als Rückzugsbereich zum Lesen und Arbeiten genutzt wird. Ein großzügiges Fensterband sorgt hier für Ausblick und Belichtung. 88

Schnitt Grundriss Maßstab 1:400 a

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Ausgeführte Stahlbauten Wohnhaus in Oldenburg

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Vertikalschnitt, Horizontalschnitt Fensterband Maßstab 1:20 4

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1 Dachaufbau: Trapezblech 42 mm Dichtungsbahn zweilagig Wärmedämmung 120 mm Dampfsperre, Trapezblech 100 mm 2 Stahlrohr Ø 120 mm 3 Stahlprofil IPE 300 4 Öffnungsflügel Isolierverglasung in Aluminiumprofil Float 6 mm + SZR 15 mm + ESG 6 mm 5 Wandaufbau: Profilblech Sinuswelle 18 mm Unterkonstruktion Kantholz 40/60 mm Wärmedämmung 40 mm Leichtbeton 300 mm Innenputz 10 mm 6 Faltfensterladen Profilblech Sinuswelle gelocht 18 mm 7 Innenwandaufbau: Spanplatte 25 mm Holzständerkonstruktion 100 mm Wärmedämmung 100 mm Gipskarton 2≈ 12,5 mm 8 Aufbau Doppelboden: Parkett 15 mm, Trennlage Estrich 45 mm Abdichtung, Spanplatte 25 mm Unterkonstruktion Kantholz 60/100 mm 9 Stufe Linoleum 2 mm Spanplatte 25 mm Abschlussleiste Aluminiumwinkel Unterkonstruktion Kantholz 60/100 mm 10 Schublade Spanplatte 12 mm

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Spannbandbrücke in der Via Mala Schlucht

Architekten/ Tragwerksplaner: Baujahr:

Conzett, Bronzini, Gartmann Ingenieure, Chur (CH) 1999

Die »Punt da Suransuns« überspannt eine 40 m breite Schlucht des Hinterrheins als Teil des Viamalaweges. Dabei überwindet sie einen Höhenunterschied von ca. 4,0 m und gibt ein großes Durchflussprofil frei. Die Brücke wurde als Spannbandbrücke mit vier stählernen Zugbändern und einem Gehbelag aus Naturstein erichtet. Die Brücke wirkt statisch ähnlich wie eine Hängebrücke, der Natursteinbelag fungiert dabei gleichzeitig als Tragkabel und als Versteifungsträger. In den zwei gegenüberliegenden massiven Betonwiderlagern sind die Schwerter

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Lageplan Maßstab 1:750 Vertikalschnitte Maßstab 1:20

zum Anschluss der Spannbänder eingegossen. Die Präzision der Bauteile wurde während der Herstellung ständig überprüft. Der Helikopter transportierte die relativ leichten Zugbänder als ganze Stücke in zwei Flügen an den Einbauort. Nach dem Befestigen der Spannbänder konnten die Natursteinplatten aus Andeerer Gneis, beginnend vom unteren Auflager aus verlegt werden. Die Platten sind mit den Geländerpfosten an den Edelstahlbändern befestigt, die Muttern sind jedoch nicht fest angezogen. Durch das Anspannen der Zugbänder werden die Steinplatten mit der in den Fugen liegen-

den 3 mm starken Aluminiumausgleichsschicht, die den Mörtel ersetzt, so aneinandergepresst, dass sie sich untereinander verkeilen. Durch den festen Verband verhält sich die Konstruktion wie eine auf den Kopf gestellte Bogenbrücke. Nach Herstellung des Verbands werden die Muttern der Geländerpfosten endgültig angezogen und der Handlauf vor Ort auf das obere Ende der Geländerstäbe geschweißt. Sämtliche Stahlteile bestehen aus hochlegiertem V4A-Chromnickelstahl, da die Brückenstelle von den Salzsprühnebeln der oberhalb liegenden Nationalstraße erreicht werden kann.

Ausgeführte Stahlbauten Spannbandbrücke in der Via Mala Schlucht

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Vertikalschnitt Masstab 1:20 1 2 3 4 5 6 7 8

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Handlauf Edelstahl 10/40 mm, vor Ort verschweisst Geländerpfosten Ø 16 mm Natursteinplatte Andeerer Gneis 1100/250/60 mm Spannband 15/60/42966 mm Fugeneinlage Aluminiumbänder 3/60/1100 mm Haken Hydraulikheber temporär 500 KN Rückverankerung zum Einhaken der temporären Spannvorrichtung Widerlager Stahlbeton im Fels verankert

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Dachaufbau in Stuttgart

Architekten: Hartwig N. Schneider Architekten, Stuttgart Gabriele Schneider, Hartwig Schneider Tragwerks- Hugo Rieger, planer: Eckenthal-Brand Baujahr: 2003

In Stuttgarter Höhenlage gelang es durch das Abtragen eines Walmdaches und einer Aufstockung des in den 1950er-Jahren mit sparsamen Mitteln errichteten Mehrfamilienhauses, eine über der Stadt schwebende Plattform zu realisieren. Sowohl die Abstandsflächen als auch die Forderungen der Baubehörde nach einem Staffelgeschoss sind berücksichtigt. Die Gesamtmaßnahme umfasst eine Sanierung des Gebäudes. Die umlaufende Verglasung vermittelt selbst im Innenraum den Eindruck einer offenen Dachterrasse. Sechs 1,90 m breite außenliegende Schiebetüren aus unbehandeltem Aluminium gewährleisten den schwellenlosen Übergang auf die Dachterrasse und sorgen für ausreichende Querlüftung, die im Sommer eine schnelle Auskühlung des Leichtbaus ermöglicht. Im Winter bleiben sie geschlossen, die Lüftung erfolgt dann über eine kontrollierte Lüftungsanlage, um Wärmeverluste zu minimieren. Das bestehende 2. Obergeschoss liegt über Einzimmerwohnungen mit Laubengangerschließung, die von einer Schottenstruktur im Raster von 3,75 m geprägt sind. Es kann funktional zur Dachwohnung hinzugenommen oder getrennt als Büro genutzt werden. Über eine außenliegende Spindeltreppe werden das Büro und die Dachwohnung von den Appartements getrennt erschlossen. Bei der Aufstockung musste auf geringes Gewicht geachtet werden, die Minimalkonstruktion besteht aus industriellen Halbzeugen: Stahlprofile als Fassadenpfosten tragen gleichzeitig das Dach, dessen Untersicht von einem über 6 m frei spannenden Trapezblech gebildet wird. Durch das schubfeste Vernieten der 75 cm breiten Bleche an den Stößen entsteht eine steife horizontale Dachscheibe, die ringsum auf einem L-förmigen Randträger aufliegt. 92

aa

3. Obergeschoss

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2. Obergeschoss (Bestand)

Ausgeführte Stahlbauten Dachaufbau in Stuttgart

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3 4 Grundrisse, Schnitt Maßstab 1:250 Vertikalschnitt, Horizontalschnitt Maßstab 1:20

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1 Dachabdichtung Folie Wärmedämmung 140 mm Dampfsperre Trapezblech 160/250/1,5 mm 2 Obergurt Fassade Stahlprofil fi 120 3 Aluminiumverbundblech gekantet 4 mm 4 Aluminiumprofil L 150/60/10 mm 5 Randträger Stahlprofil L 200/100/15 mm 6 Windverband Rundstahl Ø 20 mm 7 Schiebetür Aluminiumrahmen 6 + SZR 12 + 6 mm 8 Sonnenschutz textiles Gewebe silber 9 Holzdielen Eiche 20 mm Estrich 40 mm auf Trennlage Trittschalldämmung 40 mm Wärmedämmung 2 ≈ 100 mm, Dampfsperre Stahlbeton 200 mm (Bestand) 10 Stahlprofil IPE 200 11 Fußplatte 140/100/15 mit Schubdorn Stahlrohr | 40/40/100 mm 12 Belag Dachterrasse Douglasie 110/60 mm 13 Geländer Flachstahl ¡ 50/20 mm 14 Träger Terrasse Stahlprofil Å142 mm 15 Kratzputz durchgefärbt 15 mm Stahlbeton/Mauerwerk (Bestand) 16 Stütze Terrasse Stahlrohr ¡ 80/60 mm 17 Festverglasung ESG 8 + SZR 12 + ESG 8 mm 18 Eckstütze Stahlprofil HEA 120 19 Fassadenpfosten Stahlprofil IPE 120 20 Aluminiumpaneel 50 mm

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Wohnhaus mit Praxisräumen in Saulgau

Architekt: Tragwerksplaner: Baujahr:

Ingo Bucher-Beholz, Gaienhofen Helmut Fischer, Bad Endorf 1998/99

Grundrisse, Schnitt Maßstab 1:200

Giebelständig zum Hang steht dieses Gebäude in Saulgau und öffnet sich mit großflächigen Verglasungen in die Talaue. Das dreigeschossige Wohnhaus mit Praxisräumen im Untergeschoss besteht aus einer Stahlskelettkonstruktion, die mit Holzrahmen ausgefacht ist. Die einfache Form der Gebäudehülle steht im spannungsvollen Kontrast zur präzis detaillierten Stahlkonstruktion. Auf der Bodenplatte aus Stahlbeton werden die tragenden, nur 70 mm starken quadratischen Stahlrohrstützen aufgestellt. Im Abstand von 2 m werden an diesen die Deckenträger aus IPE 140 Profilen aufgesteckt und mit Schraubbolzen gesichert. Das Rastermaß von 2,0 m ≈ 4,0 m ist damit durch die minimierte Tragkonstruktion festgelegt. Zwischen den Deckenträgern spannen 5 cm starke Holzdreischichtplatten, auf denen ein schwimmender Estrich verlegt ist. Die Wand besteht abwechselnd aus wärmegedämmten Holzrahmen mit lasierten Holzdreischichtplatten auf der Außenseite und aus großformatigen Festverglasungen. Holz und Glas liegen außen in einer Ebene und werden nur durch die schmalen, handelsüblichen Fassadenabdeckleisten aus Aluminium strukturiert. Freikragende Balkone, Stege und Treppen in verzinkter Stahlkonstruktion bilden eine zweite Schicht der Außenhülle. Im Innern des Gebäudes bleibt das Stahlskelett sichtbar und kann auch aufgrund der niedrigen Gebäudeklasse unverkleidet bleiben. Der Innenraum ist durch Trockenbauwänden und raumhohen Durchgängen gegliedert. 94

aa

a

a Erdgeschoss

Untergeschoss

Ausgeführte Stahlbauten Wohnhaus mit Praxisräumen in Saulgau

Vertikalschnitt Maßstab 1:20

2 1 2

3 4 5 6

7

8

Stahlprofil ÅPE 140 Dachaufbau: Betondachstein Lattung 30/50 mm Konterlattung 40/60 mm Unterspannbahn diffusionsoffen Sparren 70/220 mm, Zwischensparrendämmung mineralisch 220 mm PE-Folie Spanplatte 19 mm Aluminiumabdeckleiste fi 50/20 mm Isolierverglasung 6 mm + 16 mm + 6 mm Stahlrohr | 70/70/4 mm Bodenaufbau: Linoleum 3 mm Heizestrich 60 mm PE-Folie Heizdämmung 30 mm Dreischichtplatte, lasiert, 50 mm Innenwand: Spanplatte 16 mm Holzrahmen 60/40 mm, dazwischen Dämmung 40 mm Spanplatte 16 mm Bodenaufbau: Bodenbelag 10 mm Estrich 50 mm PE-Folie Heizdämmung 30 mm Wärmedämmung 2 ≈ 80 mm Stahlbeton 200 mm

1

6 3

7 5

4

8

95

Mensa und Casino in Dresden

Architekten: Tragwerksplaner: Baujahr:

Auer + Weber + Partner, Stuttgart Ingenieurbüro Mayr + Ludescher, Stuttgart 1998

Das langgestreckte pavillonartige Gebäude liegt in einem parkähnlichen Gelände. Das Foyer teilt das Erdgeschoss in Mensa und Casino, während Küche und Nebenräume im Untergeschoss liegen. Das Erdgeschoss ist ringsum verglast. Durch Oberlichter einfallendes Licht betont besondere Bereiche im Grundriss und verändert die Atmosphäre im Inneren je nach Tageszeit und Wetter. Über dem massiven Untergeschoss ist ein Trägerrost mit mäßigen Spannweiten (5,25 m /10,50 m) errichtet. Die schlanken Vollwandträger aus IPE 330 wurden werkseitig zu transportierbaren Abschnitten

96

vorgefertigt, vor Ort auf die Stützen gehoben und zusammengeschweißt. Ein mehrlagiges Beschichtungssystem mit einer Eisenglimmer-Schlussbeschichtung schützt die gesamte Stahlkonstruktion vor Korrosion und ist im Innenraum zusätzlich als F 30-Anstrich ausgeführt. Die Aussteifung erfolgt über Andreaskreuze in den Fassadenfeldern und über die eingestellte Ortbeton-Kerne. Schichtholzrippenplatten, die in Gebäudequerrichtung spannen und schubfest auf den Rost montiert sind, steifen die Dachscheibe aus. Die Hohlräume in der Rippendecke werden zur Verteilung der Zuluft in Gebäudequerrich-

tung genutzt; sichtbare Kanäle verteilen die Zuluft in Gebäudelängsrichtung. Sperrholzlamellen an der Deckenunterseite optimieren die Raumakustik. Zugunsten von mehr Transparenz hängen die horizontalen Fassadenprofile aus Furnierschichtholz mit Edelstahlstäben am Hauptragwerk, vertikale Pfosten waren dadurch nicht erforderlich. Die Windlasten werden direkt auf die Stahlstützen hinter der Fassade übertragen. Die Stahlkonstruktion bleibt ablesbar und unterstreicht die feine Maßstäblichkeit des Gebäudes. Der bewegliche Sonnenschutz variiert das äußere Erscheinungsbild.

Ausgeführte Stahlbauten Mensa und Casino in Dresden

1 7 8

2

4

9

3

5

11

10

6

Grundriss Erdgeschoss Maßstab 1:800 Vertikalschnitt Fassade Maßstab 1:20

12

1 siebbedruckte Glastafel 2 Fassadenhauptträger Rohr ¡ 100/200 mm 3 Sperrholzlamellendecke darüber Schallschutzmatten 4 Schichtholzrippendecke mit integrierten Zuluftkanälen 5 Luftzufuhr; seitliche Luftauslässe sorgen zusätzlich für die ausreichende Luftumspülung der Wärmebrücke am Kragträger 6 Hängestab Edelstahl Ø 12 mm 7 Nebenträger ‰ 120 8 Gitterrost verzinkt 9 Hauptträger ÅPE 330, außen kupiert 10 verstellbare Lamelle, Aluminium 11 Motor 12 abgehängtes Stahlrohr Ø 60 mm, verstärkt durch 13 Flachstahl 15/40 mm 14 Schubstange ‰-Profil 10/20 mm 15 ∑-Profil 51/182/7 mm 16 Multiplexplatte Birke 51/195 mm 17 Stahlstütze HEB 160 18 Fußpunkt Stütze: ¡ 100/100/10 mit 17 Fußplatte verschweißt 19 Holzlattenrost, Douglasie unbehandelt, 50/100 mm 20 Träger HEA 100 21 Kragträger aus Stahlblechen, 230 mm hoch

13

14

15

16

19 18 20

21

97

Umnutzung Tiefstollenhalle in Peißenberg

Architekt: Tragwerksplaner: Baujahr:

Reichel Architekten, Kassel Müller-Hamann Architektin, München Ingenieurbüro Handel, Weilheim 2003 – 2004

Die ehemaligen denkmalgeschützten Bergwerkshallen (1874/75) sind saniert und als Bürgerhaus mit Theatersaal und Bergbaumuseum umgenutzt. Neben der sorgfältigen Instandsetzung des Vorhandenen zeigt sich der Umbau als neuer eigenständiger Teil der Maßnahme. Die alten Maschinenhallen bestehen aus 40 cm starkem Ziegelmauerwerk und Stahlbetonwänden im Untergeschoss. Das Dach wird von genieteten Fachwerkträgern mit einer Spannweite von etwa 14,5 m und einer Trägerhöhe von ca. 3,0 m getragen. Da das Tragwerk mit heutigen Normen nicht nachgewiesen

werden konnte, musste es ertüchtigt und über eine Einzelzulassung genehmigt werden. Die Verstärkung erfolgte mit kaum sichtbaren, kraftschlüssig eingefügten Bindeblechen zwischen den einzelnen Druckgliedern der Fachwerkstäbe. Die neuen Galerieebenen bestehen in allen Hallen aus orthogonal gerichteten Doppel-T-Trägern, Stützen und Trägern aus gleich starken Stahlprofilen mit einem Achsabstand von ca. 3,50 m. Als Zwischendecken dienen abgeriebene 16 cm starke Ortbetonplatten. Die Aussteifung der Stahlstruktur erfolgt über die biegesteif ausgebildeten Rahmenecken.

a A aa Grundriss, Schnitt Maßstab 1: 750

98

a

Ausgeführte Stahlbauten Umnutzung Tiefstollenhalle in Peißenberg

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 1 Dachkonstruktion: Wellplatten Eternit 10 mm Lattung 40/60 mm Konterlattung 30/50 mm Unterspannbahn Luftschicht 40 mm Wärmedämmung, Mineralfaser 160 mm Dampfsperre Schalung, Untersicht lasiert 24 mm 2 Stahlprofil HEA 140 3 historischer Fachwerkträger bestehend aus 2 ≈ ∑100/65 mm 4 Stahlprofil HEB 160 5 Geländer Flachstähle 30/8 mm, Grundbeschichtung Zinkphosphat Deckbeschichtung Eisenglimmer anthrazit 6 Imprägnierung transparent 2-fach Stahlbeton 160 mm mit Brettern 10/20 geschalt 7 Mauerwerk Bestand 250 mm 8 Imprägnierung transparent 2-fach Heizestrich bewehrt 72 mm Trittschalldämmung 35 mm Wärmedämmung 50 mm PE-Folie Stahlbeton 150 mm Magerbeton 50 mm 9 Polycarbonatplatte, hinterleuchtet

1

2

3

4

9

5

7

5

6

8

A 99

Wohnhaus in Dornbirn

Architekten: Oskar Leo Kaufmann, Albert Rüf, Dornbirn Tragwerks- Norbert Gsteu, planer: Feldkirch Baujahr: 2002

Schnitte, Grundrisse Maßstab 1:400

Das metallverkleidete Wohnhaus steht in Dornbirn, der größten Stadt Vorarlbergs. Stahl wird hier nicht konstruktiv, sondern als Material für die Hülle genutzt. Tafeln aus Edelstahllochblech ziehen sich fugenlos über das Haus, das sich zur Straße hin geschlossen zeigt. Einzig das Satteldach stellt eine Verbindung zur Nachbarbebauung her. Regenwasser wird unter der durchlässigen Lochblechverkleidung über ein beschichtetes Polyestervlies abgeleitet. Auf den Dachflächen sorgt eine zusätzliche Streuschalung unterhalb des Vlieses für eine Geräuschverminderung bei Niederschlag. Direkt an der Straße liegt der Zugang. Von der Eingangsebene führt eine Treppe in die tiefer gelegene Wohnküche. Hier kehrt sich das Bild des außen verschlossen wirkenden Hauses um. Eine neun Meter breite, geschosshohe Verglasung öffnet den Raum zum Garten. Wie die äußere, ist auch die innere Erscheinung des Hauses sehr homogen. Beide Wohngeschosse prägt der Sichtbeton der massiven Wände und Decken. Im Kontrast zu diesen kühlen Flächen stehen die hölzernen Rahmen der Fenster. Warme Töne dominieren hingegen das Dachgeschoss: Wände und Dach wurden aus Holz erstellt und mit Pappelfurnier verkleidet. Durch einen Schrankflur führt der Weg zu den Schlafzimmern. Dort gibt eine bündig in der Ebene der Lochbleche liegende Dachverglasung den Blick frei in den Himmel. 100

aa

bb

Obergeschoss

Dachgeschoss

b

a

a

b

Erdgeschoss

Untergeschoss

Ausgeführte Stahlbauten Wohnhaus in Dornbirn

Vertikalschnitt Maßstab 1:20

1

2

3

1

2

Lochblech Edelstahl 2 mm Stahlrohr ¡ 50/25/3 mm, Hinterlüftung Windpapier Holzschalung 90/25 mm auf Lattung Dachdichtung, OSB-Platte 15 mm Sparren Leimholz 240/100 mm, dazwischen Wärmedämmung Mineralwolle 2 ≈ 120 mm OSB-Platte 15 mm, Dampfsperre Lattung 20/50 mm Sperrholzplatte Pappel furniert 10 mm Isolierverglasung ESG 6 + SZR 16 + VSG aus 2 ≈ ESG 6 mm in Rahmen Aluminium

3 4

5 6 7

4

elektrischer Dachfensterheber Lochblech Edelstahl 2 mm wasserführende Schicht Polyestervlies Stahlrohr ¡ 50/25/3 mm, Hinterlüftung Windpapier, OSB-Platte 15 mm Wärmedämmung 2 ≈ 120 mm OSB-Platte 20 mm, Dampfsperre Installationsebene 50 mm Sperrholzplatte 10 mm Stahlbetondecke versiegelt 250 mm Maschendraht als Absturzsicherung über Oberlicht, in Edelstahlrahmen gespannt Sichtbeton 200 mm

5

6

7

101

Dokumentationshaus Hinzert

Architekten: Wandel Hoefer Lorch + Hirsch, Saarbrücken, Frankfurt Tragwerks- Schweitzer Ingenieure, planer: Saarbrücken Baujahr: 2005

Idyllische Landschaft umgibt den Ort Hinzert im Hunsrück. So gut wie keine Spuren zeugen vom Grauen zwischen 1939 und 1945, als hier in einem Konzentrationslager über 13 000 Menschen geschunden wurden. Damit das kaum bekannte Konzentrationslager Hinzert und die Häftlinge nicht vergessen werden, entstand nach einem Wettbewerb das Dokumentationshaus. Der expressive Baukörper mit seiner selbsttragenden Hülle aus verschweißten Cortenstahlplatten öffnet sich an der Stirnseite mit einer großen Glasfassade in Richtung des ehemaligen Lagers. Aufgedruckt auf das Glas überlagert ein historisches Foto der Häftlingsbaracken den Ausblick auf die Landschaft. Die Gebäudehülle ist zugleich Tragkonstruktion und Fassade, ohne weitere Elemente oder Bekleidungen. Aus über 3000 unterschiedlichen, von einer CNC-Fräse zugeschnittenen dreieckigen Cortenstahlplatten wurden in der Werkstatt zwölf großformatige Elemente vorgefertigt und auf der Baustelle miteinander verschweißt. Die Winkel zwischen den einzelnen Platten sind so gewählt, dass die Elemente genügend statische Höhe besitzen und die gesamte Konstruktion ein ausreichend steifes Faltwerk bildet. Nach dem Verschweißen wurde die Oberfläche des Stahls sandgestrahlt und gleichmäßig oxidiert. Eine Nachbehandlung mit heißem Paraffin verleiht ihr zusätzliche Tiefe und einen dezenten Glanz. Den Innenausbau dominiert eine ebenfalls in Dreiecksflächen gegliederte hölzerne Wand- und Deckenbekleidung. Texte und Abbildungen zur Geschichte des Lagers sind direkt auf die hölzernen Wandoberflächen des Ausstellungsraums gedruckt. Die wenigen erhaltenen Originaldokumente werden hinter bündig eingelassenen Gläsern ausgestellt. Auf eindringliche Weise führt die Ausstellung die bisher nur mündliche Überlieferung fort. 102

Grundriss, Schnitte Maßstab 1:500 Drahtmodell Vertikalschnitt, Horizontalschnitt Maßstab 1:20

A

aa

bb

b

a

a

b

Ausgeführte Stahlbauten Dokumentationshaus Hinzert

2

1 2

Hohlraumfüllung Schotter Stahlblech voroxidiert, heiß paraffiniert 14 mm Luftschicht 95 – 300 mm Wärmedämmung Mineralfaser, hydrophobiert 80 mm Stahlblechkassette wärmegedämmt 80 mm Dampfsperre aus Edelstahlblech 1,5 mm Installationsraum, CW-Profile 95 mm

3 4

5

Holzwerkstoffplatte, Rückseite Gipsfaserplatte bzw. perforiert mit Rückseite Schalldämmvlies, Sichtseite Birkenfurnier 17 mm Aluminiumblech 3 mm Fensterflügel Aluminiumrahmen mit Isolierverglasung, Aufbau: VSG 8 SZR 14 ESG 6 mm thermische Entkopplung

2 2 4

5 3

1

A

103

Anhang Tabellen

Bezeichnungen und Kennwerte von Baustählen Art

Werkstoffbezeichnung nach EN 10027-1 und CR 10260 S185

Allgemeine Baustähle nach DIN EN 10025

Hochfeste schweißgeeignete Feinkornbaustähle nach DIN EN 10113 T2 6

Hohlprofile für den Stahlbau 9

2

3

4 5

6

7 8 9

10 11 12

[N/mm2]

[N/mm2]

Mind.Bruchdehnung5 L0 = 5 d0 [%]

290 – 510

185

18

1.0035

St 33

1.0037 1.0036 1.0038 1.0114 1.0116 1.0117

St 37-2 USt 37-2 RSt 37-2 St 37-3U St 37-3N –

340 – 470

S275JR S275JO S275J2G3 S275J2G4

1.0044 1.0143 1.0144 1.0145

St 44-2 St 44-3U St 44-3N –

410 – 560

275

22

S255JR S255JO S255J2G3 S255J2G4 S255K2G3 S255K2G4

1.0045 1.0553 1.0570 1.0577 1.0595 1.0596

– St 52-3U St 52-3N – – –

490 – 630

355

22

235 26 235 4

E295

1.0050

St 50-2

470 – 610

295

20

E335

1.0060

St 60-2

570 – 710

335

16

690 – 830

E295

1.0070

St 70-2

S275N S275NL

1.0490 1.0491

StE 285 TStE 285

370 – 510

S355N S355NL

1.0545 1.0546

StE 355 TStE 355

S420N S420NL

1.8902 1.8912

S460N S460NL

360 7

11 8

24

470 – 630 7

355 8

22

StE 420 TStE 420

520 – 680 7

420 8

19

1.8901 1.8903

StE 460 TStE 460

550 – 720 7

460 8

17

S235JRH S275JOH S275J2H S355JOH S355J2H

1.0039 1.0149 1.0138 1.0547 1.0576

RSt 37-2 St 44St 44-3 St 52-3U St 52-3N

S275NH S275NLH

1.0493 1.0497

S355NH S355NLH (S420)

2

früher national

Mind.Streckgrenze 3

S235JR S235JRG1 S235JRG2 S235JO S235J2G3 S235J2G4

275

340 – 470 11

235

26

410 – 560 11

275

22

490 – 630 11

355

21

StE 285 TStE 285

370 – 510 11

275 12

24

1.0539 1.0549

StE 355 TStE 355

470 – 630 11

355 12

22

(StE 420)

(500 – 660)

(420)

(19)

1.8953 1.8956

StE 460 TStE 460

550 – 720 11

460 12

17

10

S460NH S460NLH 1

nach EN 10027-2 und CR 10260

Zug festigkeit1

Für Erzeugnisdicken von 3 mm bis einschließlich 10 mm; für kleinere Dicken höhere Werte; für Dicken über 100 bis 250 mm um 10 bis 50 N/mm2 niedrigere Werte. Nur in Nenndicken ≤ 25 mm lieferbar. Für Dicken bis 16 mm. Für > 16 bis ≤ 40 mm um 10 N/mm2, für > 40 bis ≤ 63 mm um 20 N/mm2 niedriger. Für Dicken > 63 bis ≤ 80 mm, > 80 bis ≤ 100 mm, > 100 bis ≤ 150 mm, > 150 bis ≤ 200 mm und > 200 bis ≤ 250 mm je um weitere 10 N/mm2 niedriger. Ausnahme siehe Anmerkung 5. Für Dicken > 40 bis ≤ 100 mm gilt 215 N/mm2. Die Werte gelten für Längsproben bei Erzeugnisdicken von ≥ 3 bis ≤ 40 mm. Für Querproben sowie kleinere und größere Dicken gelten niedrigere Werte. Für thermomechanisch gewalzte Stähle gilt DIN EN 10113 Teil 3. Die Sorten haben die Kennbuchstaben M (statt N). Gültig für Dicken bis 100 mm. Gültig für Dicken bis 16 mm. Darüber hinaus um 10 bis 60 N/mm2 niedrigere Werte. Die Angaben gelten für warmgefertigte Hohlprofile nach DIN EN 10210-1 (Ausgabe 09.94) sowie für kaltgefertigte geschweißte Hohlprofile nach DIN EN 10219-1 (Ausgabe 1997). DIN EN 10219-1 enthält zusätzlich Festlegungen für Profile mit den Bezeichnungen ... MH und ... MHL (thermomechanische Behandlung der Ausgangserzeugnisse). Nur in DIN EN 10219 in den Lieferzuständen MH und MLH. Für Dicken ≥ 3 bis ≤ 65 mm bzw. max. 40 mm für kaltgefertigte Hohlprofile. Für Dicken bis 16 mm; für > 16 bis ≤ 40 mm um 10 N/mm2, für > 40 bis ≤ 65 mm um 20 N/mm2 niedrigere Werte.

105

Anhang Tabellen

Schrauben nach DIN 7990 und DIN 6914: Geometrie und Mindestabstände aus Montagegründen Schraubengröße

M 12

M16

M 20

M22

M24

M 27

M30

M 36

12

16

20

22

24

27

30

36

25

28

31

37

15

17

19

23

20,2

22,3

24,7

26,4

31,5

16

18

19

22

24

29

30

34

36

41

46

55

32

36

41

46

50

60

Gewinde- Ø

d

Schaft- Ø

ds

dto. Paßschraube

ds

13

17

21

23

Kopfhöhe

k

8

10

13

14

12,2

15,9

19,0

10

13

18

24

22

27

Mutterhöhe

= Gewinde- Ø d

max m

Schlüsselweite Eckenmaß

s min e

Scheiben- Ø Scheibendicke

19,85

26,17

32,95

37,29

39,55

45,20

50,85

60,79

23,91

29,56

35,03

39,55

45,20

50,85

55,37

66,44

24

30

37

39

44

50

56

60

24

30

37

39

44

50

56

66

8

8

8

8

8

8

8

8

3

4

4

4

4

5

5

6

t

Alle Angaben in [mm], Zeilen mit nur einem Wert gelten für beide Normen. Die Mindestabstände wurden aus Angaben zu Werkzeugen der »Hoffmann Gruppe« ermittelt. Bei anderen Herstellern können diese abweichen. Schrauben nach DIN 7990, kursiv: Schrauben nach DIN 6914 Verwendung eines Maulschlüssels Schraubengröße

L

h

b1

M 12

M16

M 20

M22

M24

M 27

M30

43

53

70

75

80

88

94

94

49

60

70

80

88

max h

8

10

10

11

14

14

14

max L

250

300

325

375

425

425

425

M 36

15° b1

Für Drehung des Maulschlüssels (Kopf) erforderlicher Radius r um die Schraubenachse (bei 360°-Drehung ist zusätzlich die Länge L des Maulschlüssels zu beachten): 51,0

67,3

83,6

94,5

99,9

113,5

61,8

75,4

89,0

99,9

113,5

127,1

127,1

Die Werte ergeben sich aus den verschiedenen Drehstellungen und enthalten einen Sicherheitszuschlag von 2 mm Verwendung eines Steckschlüssels Schraubengröße D D

L L

M 12

M16

M 20

M22

M24

M 27

M30

M 36

25

32,3 – 34,5

39,9 – 42

44,6 – 47

49,5

55,5 – 59

61– 65

72 – 76

29,9 – 32

36,2 – 38,5

42,4 – 44,5

49,5

55,5 – 59

61– 65

66

78 – 82,5

38

52/90

58/90

60/90

60/90

67/90

73

80

52/90

55/90

58/90

60/90

67/90

73

80

80

70

Für die Drehung des Knarrenkopfes erforderlicher Radius r um die Schraubenachse (für M 36 wird Steckschlüssel maßgebend): 37,0

37,0

37,0

37,0

37,0

37,0

37,0

40,0

37,0

37,0

37,0

37,0

37,0

37,0

37,0

43,3

Die Werte ergeben sich aus den verschiedenen Drehstellungen und enthalten einen Sicherheitszuschlag von 2 mm Verwendung eines Drehmomentenschlüssels Unter Beachtung folgender Bedingungen (Regelfall) können bei der Verwendung von Drehmomentschlüsseln die gleichen Werte wie bei der Verwendung von Steckschlüsseln angenommen werden: • Knarrengröße des Momentenschlüssels < 70 mm • Verwendung der gleichen Einsteckwerkzeuge

106

Anhang Tabellen

Korrosionsbelastung – Einteilung der Umgebungsbedingungen (Tab. 1, DIN EN ISO 12944-2) Korrosivitätskategorie

Dickenverlust* im 1. Jahr [μm] C-Stahl Zink

Beispiele typischer Umgebungen Außenraum

Innenraum

C1 unbedeutend

≤ 1,3

≤ 0,1

–

gedämmte Gebäude ≤ 60 % rel. Luftfeuchte

C2 gering

> 1,3 – 25

> 0,1– 0,7

gering verunreinigte Atmosphäre, trockenes Klima, z. B. ländliche Bereiche

C3 mäßig

> 25 – 50

> 0,7– 2,1

C4 stark

> 50 – 80

C5 sehr stark I (I = Industrie)

C5 sehr stark M (M = Meer)

SollschichtdickenBeschichtung [μm]

Bindemittelbasis geeigneter Anstrich

zeitweilig beheizte oder ungedämmte Gebäude mit zeitweiser Kondenswasserbildung, z. B. Lager, Sporthallen

K: 80 M: 120 L: 160

AY, CR PUR, AK-PUR AK,

Stadt- und Industrie-Atmosphäre mit mäßiger SO2-Belastung oder gemäßigtes Küstenklima (wenig Salz)

Räume mit hoher rel. Luftfeuchte und geringfügigen Verunreinigungen, z. B. Brauereien, Wäschereien, Molkereien

K: 120 M: 160 L: 200

AK (160 μm), AY (200 μm) PVC PUR, AK-PUR, EP, CR

> 2,1– 4,2

Industrieatmosphäre und Küstenatmosphäre mit mäßiger Salzbelastung

Schwimmbäder, Chemieanlagen, Bootsschuppen über Meerwasser

K: 160 M: 200 L: 240 – 280

PVC PUR EP CR (200 μm)

> 80 – 200

> 4,2 – 8,4

Industrieatmosphäre mit hoher rel. Luftfeuchte und aggressiver Atmosphäre

Gebäude oder Bereiche mit nahezu ständiger Kondensation und starker Verunreinigung

M: 280 – 500 L: 500

PUR, CR, PVC EP, SI mit katodisch schützenden Zn-Grundanstrichen

> 80 – 200

> 4,2 – 8,4

Küsten- und Offshorebereiche mit hoher Salzbelastung

Gebäude oder Bereiche mit nahezu ständiger Kondensation und starker Verunreinigung

M: 240 – 280 L: 320

CR, PVC, EP, PUR EP, PUR

* auch als Masseverlust [g/m2] ausgewiesen 100 μ entsprechen 0,1 mm Schutzdauer nach DIN EN ISO 12944-1: K kurz: 2 – 5 Jahre M mittel: 5 –15 Jahre L lang: über 15 Jahre

Beschichtungssysteme für den Korrosionsschutz von Stahlbauten bei atmosphärischen Umgebungsbedingungen in Anlehnung an DIN EN ISO 12944-5. Oberflächenvorbereitung: Sa 2 1/2 (DIN EN ISO 12944-4) und Rauheit Ry5 40 bis < 80 μm (DIN EN ISO 8503-1) Baustelle System Syst.Nr.

Grundbeschichtung auf Basis

Sollschichtdicke [μm]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

AK-Zinkphosphat EP-Zinkstaub EP-Zinkphosphat AK-Zinkphosphat AY-Hydro-Zinkphosphat EP-Zinkstaub EP-Zinkphosphat EP-Zinkstaub EP-Zinkstaub EP-Zinkstaub EP-Zinkphosphat EP-Zinkstaub EP-Zinkphosphat

100 60 160 100 120 60 80 60 80 80 160 80 80

• • • •

Zwischenbzw. Deckbeschichtung auf Basis

Sollschichtdicke [μm]

AY-Hydro

100

EP, PUR EP, PUR AY-Hydro EP, PUR AY-Hydro EP, PUR EP, PUR EP, PUR

100 120 80 100 100 120 160 160

Anzahl Beschichtungen

Deckbeschichtungen

1–2 2–3 1–2 1–2 1–2 2–3 2–3 2 2–3 2–3 2–4 2–3 2–3

AK

AK AK, AY, PVC

Sollschichtdicke [μm] 60

100 80

Anzahl Beschichtungen

Sollschichtdicke [μm]

1

160 160 160 200 200 160 200 200 240 240 280 320 320

1–2 1–2

AY, PVC PUR AY, PVC

60 60 60

1 1 1

PUR PUR

80 80

1–2 1–2

Korrositivitätskategorie C2 C3 C4 C5-I C5-M kurz mittel lang kurz mittel lang kurz mittel lang kurz mittel lang kurz mittel lang

Werkstatt

Zwischen- und Deckbeschichtungen mit oder ohne Eisenglimmerpigmenten Bei Innenraumbelastung kann anstelle von PUR-Deckbeschichtung auch EP-Deckbeschichtung verwendet werden Für EP auch EP-Kombinationen bei nachgewiesener Gleichwertigkeit Anstelle von EP-Zinkstaub auch 1 K PUR-Zinkstaub und 1 K/2 ESI-Zinkstaub (relative Luftfeuchtigkeit während Verarbeitung und Härtung ≥ 50 %) ESI-Zinkstaub jedoch nur, wenn in der Werkstatt keine zweite Beschichtung vorgesehen ist oder Systeme mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (bis 400 °C) verlangt werden

107

Anhang Tabellen

Übersicht der Edelstähle mit Korrosionseigenschaften nach der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-30.3-6 vom 05. Dezember 2003 (DIN EN 10088 enthält noch weitere Edelstähle) Stahlsorte Werkstoffnummer

Einteilung1

Lfd. Nr.

Kurzname

1

X2CrNi12

1.4003

F

2

X6Cr17

1.4016

F

3

X5CrNi18-10

1.4301

A

4

X2CrNi18-10

1.4307

A

5

X2CrNiCu18-9-4

1.4567

A

6

X6CrNiTi18-10

1.4541

A

7

X2CrNiN18-7

1.4318

A

8

X5CrNiMo17-12-2

1.4401

A

9

X2CrNiMo17-12-2

1.4404

A

10

X3CrNiCuMo17-11-3-2

1.4578

A

11

X6CrNiMoTi17-12-2

1.4571

A

12

X2CrNiMoN17-13-5

1.4439

A

13

X2CrNiMoN22-5-3

1.4462

AF

14

X1NiCrMoCu25-20-5

1.4539

A

15

X2CrNiMnMoNbN25-18-5-4

1.4565

A

16

X1NiCrMoCuN25-20-7

1.4529

A

17

X1CrNiMoCuN20-18-7

1.4547

A

1

Korrosion Widerstandsklasse

Belastung und typische Anwendung für Bauteile und Verbindungsmittel

I / gering II / mäßig

III / mittel

IV/ stark

Beständigkeit gegen interkristalline K. im

Mögliche Oberflächenbeschaffenheit am Beispiel NIROSTA (ThyssenKrupp)

Lieferzustand

geschw. Zustand

Konstruktionen in Innenräumen mit Ausnahme von Feuchträumen

nein

nein

ja

nein

1E, 2H, 2B, 2R, 2G

Zugängliche Konstruktionen, ohne nennenswerte Gehalte an Chloriden und Schwefeldioxiden, keine Industrieatmosphäre; Einsatz für Innenund Außenanwendungen

ja

nein

1E, 2H, 2B, 2R, 2G

ja

ja

1E, 2B, 2R, 2G

–

–

–

ja

ja

1E, 2B, 2R, 2G

ja

ja

1E, 2H, 2B, 2R, 2G

ja

nein

1E, 2H, 2B, 2R, 2G

Konstruktionen mit mäßiger Chloridund Schwefeldioxidbelastung und unzugängliche Konstruktionen; Einsatz in Industrieatmosphäre sowie Küstennähe hohe Korrosionsbelastung durch Chlor und/oder Chloride und/oder Schwefeldioxide und hohe Luftfeuchtigkeit, sowie Aufkonzentrationen von Schadstoffen (z. B. Straßentunnel)

1E, 2H, 2B, 2R, 2G

ja

ja

1E, 2H, 2B, 2R, 2G

–

–

–

ja

ja

1E, 2B, 2R, 2G

ja

ja

2B, 2R, 2G

ja

ja

1E, 2B, 2G

ja

ja

1E, 2B, 2R, 2G

ja

ja

2B, 2R

ja

ja

–

ja

ja

–

F = Ferritische Stähle, AF = Austenitisch-ferritische Stähle, A = Austenitische Stähle

Gängige Oberflächenbeschaffenheit der Edelstähle (DIN EN 10088-3 und Informationsstelle Edelstahl Rostfrei »Dokumentation 960: Oberflächen im Bauwesen«) Verarbeitung

Kurzzeichen

Ausführungsart

Oberflächenbeschaffenheit

Erzeugnisform 2 I II III

Warmgeformt

1U

nicht wärmebehandelt, nicht entzundert

Mit Zunder bedeckt (örtlich geschliffen, falls erforderlich)

≈

≈

≈

1C

wärmebehandelt, nicht entzundert

Mit Zunder bedeckt (örtlich geschliffen, falls erforderlich)

≈

≈

≈

1E

wärmebehandelt, mechanisch entzundert

Weitgehend zunderfrei (vereinzelte schwarze Stellen können vorhanden sein)

≈

≈

≈

1D

wärmebehandelt, gebeizt

Zunderfrei, reflektiert nur wenig, leichte Rauigkeit

≈

≈

–

1X

wärmebehandelt, vorbearbeitet (geschält oder vorgedreht)

Metallisch sauber

–

≈

–

2H

wärmebehandelt, mechanisch oder chemisch entzundert

Glatt und blank, wesentlich glatter als Ausführungen 1E, 1D oder 1X

–

≈

–

2D

wärmebahandelt gebeizt, (nachgezogen)

Glatter als Ausführungen 1E oder 1D, matte Oberfläche

–

≈

–

2B

wärmebehandelt, bearbeitet (geschält), mechanisch geglättet

Glatter und blanker als Ausführungen 1E, 1D oder 1X, spiegelgraue Optik

–

≈

–

2R

Blankglühen unter Luftabschluss, leichtes Nachwalzen

hochglänzende und spiegelnde Oberfläche, äußerst glatt

nur Flacherzeugnisse

1G oder 2G

spitzenlos geschliffen

Gleichmäßige Ausführung. Art und Grad des Schliffes sind zu vereinbaren

–

≈

–

1P oder 2P

poliert

Glatter und blanker als 1G oder 2G, spiegelartig hochglänzende Oberfläche

–

≈

–

Kalt weiterverarbeitet

Besondere Endverarbeitungen

2

I = Walzdraht, II = Stäbe, Profile, III = Halbzeug

Geringfügige durch das Herstellungsverfahren bedingte Unvollkommenheiten der Oberfläche sind zulässig. Genauere Anforderungen an die Oberfläche sind bei der Bestellung zu vereinbaren (siehe DIN EN 10088-2 Abs. 8.6).

108

Anhang

Normen und Richtlinien (Auswahl) Liefernormen von Walzerzeugnissen für den Stahlbau

DIN 18230: Baulicher Brandschutz im Industriebau

DIN 1541: Feinblech

Musterrichtlinie über den baulichen Brandschutz im Industriebau

DIN 1542: Mittelblech DIN 1543: Grobblech DIN 59200 EURONORM 91: Breitflachstahl DIN 18807: Stahltrapezprofile

DIN 18234: Baulicher Brandschutz großflächiger Dächer DASt Richtlinie 019: Brandsicherheit von Stahlund Verbundbauteilen in Büro- und Verwaltungsgebäuden

DIN EN 508: Dachdeckungsprodukte aus Metallblech EN 14509: Selbsttragende Sandwichelemente mit beidseitigen Metalldeckschichten Wesentliche Stahlbaunormen und Stahlbaurichtlinien; Bemessung, Konstruktion und Ausführung – Stahlhochbau DIN 0185-1: Blitzschutz DIN ENV 1993, Eurocode 3 Teil 1-1 bis 1-7: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten DIN V ENV 1994, Eurocode 4: Bemessung und Konstruktion von Verbundbauwerken aus Stahl und Beton DIN 4108: Wärmeschutz im Hochbau DIN 4109: Schallschutz im Hochbau DIN 14509: Selbsttragende Sandwichelemente mit beidseitigen Metalldeckschichten DIN 18800 Teil 1-7: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten DIN 18807 Teil 1-3: Bemessung und Konstruktion von Trapezprofilen DIN 18335: Stahlbauarbeiten DIN 18338: Dachdeckungs-Dachdichtungsarbeiten DIN 18339: Klempnerarbeiten DIN 18360: Metallbauarbeiten DASt Richtlinie 010: Anwendung hochfester Schrauben DASt Richtlinie 103: Nationales Anwendungsdokument zum Eurocode 3 DIN V ENV 1993 DASt Richtlinie 104: Nationales Anwendungsdokument zum Eurocode 4 DIN V ENV 1994 DASt Richtlinie 016: Bemessung und konstruktive Gestaltung von Tragwerken aus dünnwandigen kaltgeformten Bauteilen Korrosionsschutz DIN EN ISO 1461: Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge DIN EN ISO 12944 Teil 1-8: Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme DIN 55928-8: Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungen und Überzüge Brandschutz DIN 4102: Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen DIN ENV 1993, Eurocode 3 Teil 1-2 mit DIN Fachbericht 93 als NAD

Verbände (Auswahl) Bauen mit Stahl e.V. Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 6707828 Fax: +49 211 6707829 [email protected] www.bauen-mit-stahl.de Bundesverband Deutscher Stahlhandel e.V. Max-Plank-Str. 1 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 864970 Fax: +49 211 8649722 [email protected] www.stahlhandel.com Bundesverband Korrosionsschutz e.V. Neuköllner Straße 2 50676 Köln Tel.: +49 221 248912 Fax: +49 221 249375 [email protected] www.bundesverband-korrosionsschutz.de Deutscher Ausschuss für Stahlbau, DASt Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf www.stahlbau-verband.de DIBt Deutsches Institut für Bautechnik Kolonnenstraße 30 L 10829 Berlin Tel.: +49 30 787730244 Fax: +49 30 78730320 [email protected] www.dibt.de DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Burggrafenstraße 6 10787 Berlin Tel.: +49 30 26010 Fax: +49 30 26011260 www.din.de DSV Deutscher Schraubenverband e.V. Goldene Pforte 1 58093 Hagen-Emst Tel.: +49 2331 958849 Fax: +49 2331 51044 www.dsv.wsu.de Deutscher Stahlbau-Verband DSTV Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 6707800 Fax: +49 211 6707820 www.deutscherstahlbau.de

ECCS-CECM-EKS Av. des Ombrages, bte. 20 BE –1200 Brüssel Tel.: +32 2 7620429 Fax: +32 2 7620935 [email protected] www.steelconstruct.com Galileo – Kreatives Bauen mit Sandwich Postfach 1164 94451 Deggendorf Tel.: +49 160 94972680 Fax: +49 991 285925 [email protected] www.sandwichbau.de Gütegemeinschaft Stahlhochbau e.V. RAL-Gütegemeinschaft www.ggs-stahlbau.de IFBS Industrieverband für Bausysteme im Stahlleichtbau e.V. Max-Planck-Straße 4 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 914270 Fax: +49 211 672034 www.ifbs.de Industrieverband Feuerverzinken e.V. Institut Feuerverzinken GmbH Sohnstraße 70 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 6907650 Fax: +49 211 689599 www.feuerverzinken.com Informationsstelle Edelstahl Rostfrei Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf Tel.: +49 221 6707835 Fax: +49 221 7607344 [email protected] www.edelstahl-rostfrei.de Stahlbau Zentrum Schweiz Seefeldstraße 25 CH – 8034 Zürich Tel.: +41 44 2618980 Fax: +41 44 2620962 [email protected] www.szs.ch Stahl-Informations-Zentrum Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 6707844 Fax: +49 211 6707344 [email protected] www.stahl-info.de The Steel Construction Institut Silkwood Park GB –Ascot, Berkshire, SL5 7QN Tel.: +44 1344 623345 Fax: +44 1344 622944 [email protected] www.steel-sci.org Verband der deutschen Lackindustrie e.V. Karlstr. 21 60329 Frankfurt am Main Tel.: +49 69 25561411 Fax: +49 69 25561358 [email protected] www.lackindustrie.de

109

Anhang

Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) Informationszentrum und Bücherei Sohnstr. 65 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 914270 Fax: +49 211 672034 [email protected] www.vdeh.de Österreichischer Stahlbauverband (ÖSTV) Wiedner Hauptstraße 63 A–1045 Wien Tel.: +43 1 5039474 Fax: +43 1 5039474227 [email protected] www.stahlbauverband.at

Herstellerverzeichnis (Auswahl) Arcelor Gruppe Subbelrather Straße 13 50672 Köln Tel.: +49 221 5729256 Fax: +49 221 5729285 www.arcelor.com Corus Bausysteme GmbH (ehem. Kalzip) August-Horch-Str. 20 – 22 56070 Koblenz Tel.: +49 261 98340 Fax: +49 261 9834100 [email protected] www.corusgroup.com AG der Dillinger Hüttenwerke Werkstr. 1 66763 Dillingen/Saar Tel.: +49 6831 470 Fax: +49 6831 472212 [email protected] www.dillinger.de Bauglasindustrie GmbH Hüttenstraße 33 66839 Schmelz/Saar Tel.: +49 6887 30322 Fax: +49 6887 30345 www.pilkington.de Donges Stahlbau GmbH Mainzer Straße 55 Postfach 10 04 51 64204 Darmstadt Tel.: +49 6151 8890 Fax.: +49 6151 889219 www.donges.de Hoesch Hohenlimburg GmbH 58117 Hagen Tel.: +49 2334 910 Fax: +49 2334 913369 info.hoesch-hohenlimburg@ thyssenkrupp.com www.hoesch-hohenlimburg.de Helling & Neuhaus GmbH & CO. KG Geschaftsbereich Gitterroste Gottlieb-Daimler-Str. 2 33334 Gütersloh Tel.: +49 5241 6040 Fax. +49 5241 60440 [email protected] www.gitterroste.de

Stahlröhrenwerk CH– 9463 Oberriet SG Tel.: +41 71 7639111 Fax: +41 71 7612270 [email protected] www.jansen.com Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH Ehinger Straße 200 47259 Duisburg-Huckingen Tel.: +49 203 99901 Fax: +49 203 9994411 [email protected] www.hkm.de Stahlbau Lamparter Leipziger Str. 12–18 34260 Kaufungen Tel.: +49 561 951200 Fax: +49 561 9512088 [email protected] www.stahlbau-lamparter.de Opticor Systemberatung (Korrosionsschutz) Sohnstraße 70 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 69076529 Fax: +49 211 689599 [email protected] www.opticor.de Peikko GmbH Brinker Weg 15 34513 Waldeck Tel.: +49 5634 1231 Fax: +49 5634 7572 www.peikko.de Pfeifer Seil- und Hebetechnik GmbH Dr.-Karl-Lenz-Straße 66 87700 Memmingen Tel.: +49 8331 9370 Fax: +49 8331 937294 [email protected] www.pfeifer.de Pilkington Holding GmbH Alfredstraße 236 45133 Essen Tel.: +49 201 1254 Fax: +49 201 1255025 www.pilkington.de Salzgitter AG Eisenhüttenstraße 99 38239 Salzgitter Tel.: +49 5341 2101 Fax: +49 5341 212727 [email protected] www.salzgitter-ag.de Schöck Bauteile GmbH Vimbucher Straße 2 76534 Baden-Baden Tel.: +49 722 39670 Fax: +49 722 3967450 [email protected] www.schoeck.de ThyssenKrupp Hoesch Bausysteme GmbH Hammerstraße 11 57223 Kreuztal Tel.: +49 2732 5991599 www.tks-bau.com ThyssenKrupp Stahl AG

Jansen AG

110

Kaiser-Wilhelm-Straße 100 47166 Duisburg Tel.: +49 203 521 Fax: +49 203 5225102 www.thyssenkrupp-stahl.com Vallourec & Mannesmann Tubes 130, rue de Silly F– 92100 Boulogne Tel.: +33 1 49093919 Fax: +33 1 49093990 www.vmtubes.com

Literatur (Auswahl) Grundlagen für das Entwerfen und Konstruieren, Kurt Ackermann, Karl Krämer Verlag, Stuttgart 1983 Tragsysteme, Heino Engel, Deutsche Verlags Anstalt GmbH, Stuttgart 2006 Stahlbau im Detail, Grimm, WEKA Baufachverlage GmbH, Augsburg 1994 Stahlbau-Brandschutz-Handbuch, Hass, Meyer-Ottens, Richter, Ernst & Sohn Verlag, Berlin 1994 Der Entwurf von Tragwerken, Führer, Ingendaaij, Stein, Verlag Rudolf Müller, Köln 1995 Stahlbau, Petersen, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 1993 Stahlbauatlas, Schulitz, Sobek, Habermann, Institut für internationale Architekturdokumentation, München 1999 Stahlbau Handbuch, Band 1 + 2, Verlag Stahlbau-Verlagsgesellschaft mbH, Köln 2002 Stahl im Hochbau, Anwenderhandbuch, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf 1969 Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau, Band 1 + 2, Deutscher Stahlbau-Verband DSTV, Stahlbau-Verlagsgesellschaft mbH Ausführung von Stahlbauten, Erläuterungen zu DIN 18800-7, Beuth Verlag GmbH, Berlin 2005 Stahlbau-Profile, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf 2004 Stahlbau Kalender, jährliches Erscheinen, Ernst & Sohn Verlag, Berlin DIN Taschenbücher Nr. 10, 140, 193 Mechanische Verbindungsmittel, Beuth Verlag GmbH, Berlin 2001/2006/2005 DIN Taschenbuch Nr. 69, Stahlhochbau, Beuth Verlag GmbH, Berlin 2005 Stahlbau Teil I+II, Thiele, Lohse, Verlag B. G. Teubner, Stuttgart 1997/2000

Anhang

Sachregister 69 80 76 26 10 14, 29 71 31 23, 72 22, 54

Abkanten Abrostungszuschläge Abspannseile Aluminiumlamellen Anpralllasten Attika Aufbeton Auflager Außenwand, nichttragend Aussteifung

Band (Blech) 68 Bauphysik 72 Baustähle 32, 105 Baustellenschweißstöße 43 Bautoleranzen 12, 13, 14, 43 Befeuchtungsdauer 79 Beschichtungssysteme 81, 82, 83 Betonrippendecke 24 Biegesteifigkeit 40 Biegung 36 Blechkonstruktionen, geschweißte 69 Bleche 69, 70 Bogen 39 Brandschutz 16, 49, 84 68 79

Coil COR-TEN-Stahl

21, 92 85 85 38 57 74, 75, 76 83 61

Dachaufbau Dämmkonzept Dampfbremse Deckenscheiben Dehnfugenanschluss Draht Duplex-Systeme Durchlaufträger Edelstahl Eisen Elastizitätsmodul Entwässerungsrinne Fachwerkrost Fachwerkträger Fachwerkträger, außenliegend Falten Feinbleche Feuerverzinken Flacherzeugnisse Flachstahl Fließen Formenausschuss für Eisen Fugenabstände Fußroste

32, 79, 80, 107 32, 79 33 26 63 35, 51, 59, 60 58 71 69, 71 82 65, 68 67, 68 33 65 71 73

Gabelkopf Gebrauchstauglichkeitsnachweis Geflechte Gewebe Gewi-Stähle Gitterrost Grobbleche Gussknoten

77 34 75 75 12 73 69 62

Halbzeug Halbzeuge aus Stahl Hochofen Hohlprofile

65 65 32 67, 68, 79

Industriebaurichtlinie Industrieverglasung Installationsschicht

9 16 29

Jalousie-Vollrost (VR) Kaltprofile Kammerbeton Kassetten Knicken Kohlenstoff Komposite Konstruktionen, hinterlüftet Konstruktionen, unbelüftet Kontaktkorrosion Kopfbolzendübel Körperschall Korrosion Kräftesystem Kraftfluss Kranbahnen

73 69 24, 56 28, 72 35, 71 32 73 72 72 79 16 85 59, 68, 76, 77, 79, 80, 81, 83, 107 31 31, 35, 51 10

Landesbauordnungen Längenänderung, temperaturbedingte Langerzeugnisse Lichtkuppeln Litzen Lochbleche

84 71 65 16 75, 76 70

Mantelflächen Metallische Gewebe Montage Montagestöße Muttern

65 75 43 41, 53, 61 74

Nebenttägersystem, abgehängt Nieten

58 46, 74, 79

Pendelstütze Pfosten-Riegel-Konstruktion Polenceau-Träger Pressschweißverfahren Primärtragwerk Profilbaugläser Profilbleche Profilfaktor U/A Rahmen Rauchmelder Raumfachwerk Reißlänge Riffelblech Ringbalken Rostschicht R-Träger RWA-Anlagen

26 27 51 81 10, 22 16 71 65 12, 22, 38, 53 29 42 33 69 22, 24 79 51 16

Sandwichpaneele 11, 15, 72 Sauerstoff 79 Schallabsorption 28 Schallschutz 85 Schalung, verlorene 24 Schiebeläden 29 Schmelzschweißverfahren 81 Schrauben 46, 72, 74, 79 Schweißen 47, 68, 79 Schweißprofile 69 Schweißträger 36, 69 Seile 54, 75, 76, 77 Sekundärtragwerk 10 Skelettbau 31 Sonnenschutz 26, 29 Spannungs-Dehnungsdiagramm 33 Stabilitätsversagen 35 Stabwerk 36 Stahl 32

Stahl, gezogener Stahl, nichtrostend Stahlbetonverbunddecke Stahlblech Stahldraht Stähle, wetterfest Stahlkassette Stahlpreis Stahlprofile Stahltrapezdecken Stahltrapezprofile Stanzen Steckfalze Steifen Steifigkeit Streckgitter Streckgrenze Structural Glazing Stützen Stützenfuß Tauchbad Tore Träger Trägerrost Trägersystem mit eingehängten, einfeldrigen Nebenträgern Tragfähigkeitsnachweis Traggerüst Tragkonstruktion Tragwerk Tragwerk, außenliegend Tragwerksentwurf Tränenblech Trapezblech Trennung, thermische Verbände Verbindung Stütze – Träger Verbundstützen Verformungen Verglasung Verhalten, plastisches Verzinkung Verzinkung, galvanische Vierendeelträger Vorhangfassade

68 80 13, 16 69, 70 74 79 28 65 65, 66 16 22, 71 70 72 36 72 74 33, 84 14, 27 35, 48 12, 13, 52 83 18, 19 50, 51 62 60 34 10 22 10, 31 59 31 69 22, 71 14, 25, 72 38, 54 53 49 37 14, 27 33 82, 83 82 50, 56 14, 27

Walzen 68, 69 Warmdach 25 Wärmebrücken 71, 72, 85 Wärmedämmelement (für Stahlträger) 25 Wärmeschutz 85 Warmformgebungsverfahren 65 Wasser 79 Wellprofile 71 Werksnormen der Hüttenwerke 65 Wetterhaut 23 Windsogkräfte 71 Ziehen Zinkstaubfarben Zugfestigkeit Zugstabsysteme Zulassungen, bauaufsichtliche

69 81 33 54, 77 73

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Anhang

Bildnachweis Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvorlagen, durch Erteilung von Reproduktionserlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buches mitgeholfen haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt. Nicht nachgewiesene Fotos stammen aus dem Archiv der Architekten oder aus dem Archiv der Zeitschrift Detail. Trotz intensivem Bemühen konnten wir einige Urheber der Fotos und Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind aber gewahrt. Wir bitten um dementsprechende Nachricht. Verlag und Autoren danken der Firma Stahlbau Donges, Darmstadt, für die technische Beratung und die Unterstützung bei der Zusammenstellung des Bildmaterials. Den Firmen Saarstahl AG, Völklingen und Arcelor, Köln ebenfalls für die Bereitstellung von Bildmaterial. Seite 30, 36: Alexander Reichel, Kassel Seite 31: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt, München Seite 35 oben links: SOM Architekten, Chicago

Seite 51 oben rechts: Michel Denancé, Paris Seite 52 oben Mitte: Hedrich Blessing, Chicago Seite 53 oben links: Timothy Soar, London Seite 54 oben links, 58, 60, 61: Dietmar Strauss, Besingheim Seite 54 oben rechts: Klemens Ortmeyer, Braunschweig Seite 56 unten, 62, 63 unten rechts: Richie Müller, München Seite 63 oben rechts, 98, 99: Jens Weber, München Seite 65: Salzgitter AG Seite 69 Mitte: Ras Reinhard Maschinenbau GmbH, Sindelfingen Seite 70 oben links: Stappert Spezial-Stahl Handel GmbH, Düsseldorf Seite 70 oben Mitte: ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

Seite 80 oben links: PSE Redaktionsservice GmbH, Stefan Elgaß, Geretsried Seite 80 oben Mitte: Otto Suhner GmbH, Bad Säckingen Seite 81 oben links: ThyssenKrupp Xervon GmbH, Gelsenkirchen Seite 81 oben rechts, 83: Caparol Farben und Lacke, Ober-Ramstadt Seite 84: Hensel GmbH, Bornsen Seite 85: Schöck Bauteile GmbH, Baden-Baden/Steinach Seite 88: Werner Huthmacher, Berlin Seite 93: Christian Kandzia, Stuttgart Seite 96: Roland Halbe/artur, Essen Seite 10, 101: Adolf Bereuther, A–Lauterach Seite 102, 103: Norbert Miguletz, Frankfurt am Main

Seite 38 oben Mitte: Christoph Kraneburg, Köln

Seite 70 oben rechts: Fachabteilung für Lochbleche im Industrieverband Stahlverarbeitung e.V., Siegen

Seite 40, 90, 91: Alexander Felix, München

Seite 71, 72 oben Mitte: Hoesch-Siegerlandwerke GmbH, Siegen

Seite 41 oben Mitte: David Hirsch, New York/Montréal

Seite 72 oben links: ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Krefeld

Seite 41 unten rechts: Kauffmann Theilig & Partner, Ostfildern/Kemnat

Seite 73 oben links: Helling & Neuhaus GmbH & Co. KG, Geschäftsbereich Gitterroste, Gütersloh

Seite 42: Christina Schulz, München

Seite 73 oben Mitte: Meiser Gitterroste, Oelsnitz

Seite 64: Donges Stahlbau, Darmstadt

Seite 43 oben Mitte: Unger Stahlbau GmbH, Oberwart

Seite 74 oben links und oben Mitte: Heike Werner, München

Seite 78: Norbert Miguletz, Frankfurt am Main

Seite 46 oben Mitte: Sigrid Neubert, Dresden

Seite 74 oben rechts: Uwe Schneider, Völkling

Seite 86: Roland Halbe/artur, Essen

Seite 47: SLV, München

Seite 75 oben links und oben rechts: Haver & Boecker, Oelde

Seite 104: Johannes Marburg, Berlin

Seite 48 oben Mitte: Balthazar Korab, Montréal

Seite 75 oben Mitte: Holger Lorenz, Dortmund

Seite 49 oben links: Jo Reid, John Peck, Newport

Seite 75 unten links: Gebrüder Kufferath AG, Düren

Seite 49 oben Mitte: Alastair Hunter

Seite 75 unten Mitte und unten rechts: DOH Drahterzeugnisse, Solms-Oberndorf

Seite 50 oben rechts, 92: Frank Kaltenbach, München

Seite 76, 77: Pfeiffer Seil- und Hebetechnik GmbH, Memmingen

Seite 51 oben links: Klaus Frahm/artur, Essen

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Rubrikeinführende Fotos Seite 6: Donges Stahlbau, Darmstadt Seite 30: Alexander Reichel, Kassel Seite 44: Richie Müller, München