Optimierungspotential im Stahlhallenbau unter Ausnutzung von ...

FH Kurzfassung Olitzscher & Rothe
Regensburg
Ingenieurstahlbau GmbH
Optimierungspotential
im Stahlhallenbau
unter Ausnutzung von nichtlinearen
Systemeigenschaften
Die Bemessung von Hallentragwerken in Stahlbauweise stellt den berechnenden Ingenieur
heutzutage vor zahlreiche Aufgaben. Im Computerzeitalter und zur Zeit der freien
Marktwirtschaft konkurrieren Bauunternehmen ebenso wie Planungsbüros um jeden Auftrag,
der in einigen Fällen die Existenz des Unternehmens vorerst retten kann. Deshalb ist der
Faktor Wirtschaftlichkeit zu einem der Hauptargumente im ständig tobenden Kampf um
Aufträge geworden. Vor allem beim Bauen mit dem Werkstoff Stahl spielt dieser Faktor eine
gewichtige Rolle, da der heutige Stahlpreis für Walz- bzw. Schweißprofile enorm hoch ist. So
hat der heutige Ingenieur die schwierige Aufgabe den Faktor Wirtschaftlichkeit in seiner
Berechnung zu berücksichtigen, ohne dass die Tragfähigkeit in irgendeiner Weise
beeinträchtigt wird.
Hallentragwerke werden in einigen Fällen noch immer „zu sicher“ bemessen, Tragreserven zu
wenig ausgenutzt und Berechnungsverfahren zu wenig verfeinert. Diese Thematik soll in der
vorliegenden Diplomarbeit erörtert werden.
Die Berechnungen werden dabei mittels dreier Statikprogramme durchgeführt, um auf die
jeweiligen Berechnungsverfahren das beste Programm anwenden zu können:
• R-STAB
• SCIA ESA PT
• SOFISTIK
Optimierungspotential im Stahlhallenbau
Diplomarbeit SS 2007, Zender Patrick
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Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll untersucht werden, inwieweit sich Verbesserungen
erarbeiten lassen, die es ermöglichen, ein Hallentragwerk so wirtschaftlich wie möglich zu
bemessen. Es werden dazu nicht komplette Hallenbauwerke herangezogen, sondern
ausschließlich Hallenrahmen, bei denen die meisten Tragreserven und die größten
Einsparungen zu erwarten sind. Die Berechnungen und Optimierungsvorschläge werden
dabei für Hallenrahmen vorgestellt, die aufgrund ihrer Geometrie und Bauausführung in der
Praxis am häufigsten anzutreffen sind:
Rahmen Breite [m] Höhe [m] Verhältnis B/H
1 20 5 4,0
2 20 10 2,0
3 20 15 1,3
4 20 20 1,0
5 25 5 5,0
6 25 10 2,5
7 25 15 1,7
8 25 20 1,3
9 30 5 6,0
10 30 10 3,0
11 30 15 2,0
12 30 20 1,5
Große Aufmerksamkeit kommt in dieser Diplomarbeit dem Punkt „Lastannahmen“ zu, da hier
noch viele Fehler begangen werden. Die Ausschöpfung der in den Normen zugelassenen
Ansätze für die Lastannahmen, insbesondere für Windlasten, ist für eine wirtschaftliche
Bemessung eines Hallenrahmens von großer Bedeutung. Daher werden im Rahmen dieser
Diplomarbeit die Lastannahmen nach DIN 1055 und DIN 18800 untersucht und in einigen
Fällen miteinander verglichen. Die Ergebnisse sollen dem Ingenieur bei der Berechnung die
Möglichkeit bieten auf die jeweils vorliegende Geometrie die richtigen Lastannahmen nach
dem passenden Bemessungskonzept anwenden zu können.
Der zweite Themenbereich beschäftigt sich mit dem Berechnungsverfahren von nachgiebigen
Knotenverbindungen, speziell an einer Rahmenecke. Eine Beispielberechnung mit der
Komponentenmethode soll zeigen, dass Verbindungen nicht als vollständig eingespannt bzw.
voll gelenkig angesehen werden können, sondern meist als semi-rigid („halb-steif“ =
nachgiebig) zu betrachten sind. Durch den Ansatz einer Drehfedersteifigkeit wird das
Vorgehen verfeinert und zugleich abgeschlossen.
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Mittels eines solchen Berechnungsverfahrens können größere Tragreserven aktiviert werden.
Die dadurch verursachte größere Ausnutzung des Tragwerks kann folglich geringere
Querschnitte und damit auch kleinere Kosten hervorrufen.
Abschließend erfolgt eine Rahmenberechnung nach dem Verfahren plastisch – plastisch, um
auch hier über die Berechnungsmethode Tragreserven besser ausnutzen zu können.
Auszug aus der Berechnung:
Ergebnis der Berechnung elastisch – elastisch (Laststufe 4)
Ergebnis der Berechnung plastisch – plastisch (Laststufe 4)
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1. Lastannahmen
1.1 Ständige Lasten
1.2 Schneelasten
1.3 Windlasten
1.3.1 Einfluss der Dacheinteilung auf die Bemessung von Hallenrahmen in ihrer Ebene
1.3.2 Mögliche Böengeschwindigkeitsdrücke für nicht schwingungsanfällige Bauwerke
und Bauteile
1.3.2.1 Vereinfachte Annahmen für den Böengeschwindigkeitsdruck bei Bauwerken
bis zu einer Höhe von 25m über Grund
1.3.2.2 Höhenabhängiger Böengeschwindigkeitsdruck im Regelfall
1.3.2.3 Vergleichsberechnung
1.3.3 Windlasten auf Dachüberstände
1.4 Imperfektionen
1.5 Sicherheitskonzepte/Lastkombinationen
1.5.1 Sicherheitskonzept nach DIN 1055 – 100
1.5.2 Sicherheitskonzept nach DIN 18800
1.5.3 Vergleich der Sicherheitskonzepte
1.5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
1.6 Typisierte Hallenrahmen
1.7 Berechnung von Kranbahnen
1.8 Automatische Generierung von Lastfallkombinationen
2. Allgemeines zu Rahmenecken
2.1 Klassifizierung des Anschlusses
2.1.1 Klassifizierung des Anschlusses nach der Steifigkeit
2.1.2 Klassifizierung des Anschlusses nach der Tragfähigkeit
2.2 Einfluss des äquivalenten T-Stummels auf die Berechnung von Rahmenecken
2.3 Mögliche Ausführungen von Rahmenecken
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3. Beispielberechnung einer Rahmenecke nach dem EC3
3.1 Geometrie
3.2 Einwirkungen
3.3 EP – Biegebeanspruchbarkeit der Stirnplatte bzw. Zugbeanspruchbarkeit der
Schrauben
3.4 CF – Grenzzugkräfte des Stützenflansches aus der Biegebeanspruchbarkeit der
Stirnplatte bzw. Zugbeanspruchbarkeit der Schrauben
3.5 BWT,A – Beanspruchbarkeit des Trägersteges und der Stegnaht im Bereich der
Zugzone
3.6 CWS,C – Schubbeanspruchbarkeit des Stützenstegbleches
3.7 CWT, r – Zugbeanspruchbarkeit des Stützensteges und einer eventuellen
Stegnaht im Bereich der Zugzone
3.8 CWC,r – Grenzdruckkraft des Stützensteges in der Druckzone
3.8.1 CSB – Knickstabähnliches Beulen des Stützensteges
3.8.2 Anordnung von Stegsteifen im Druckpunkt D
3.9 BFC,A – Grenzdruckkraft des Flanschdruckgurtes Riegel A
3.10 CWB,C – Grenzschubbeulkraft der Rahmenecke
3.11 Berechnung der Schweißnähte
3.12 Nachweis der Schrauben im Druckbereich
3.13 Überschlagsverfahren zur Vordimensionierung einer gevouteten Rahmenecke
4. Einflussnahme der Rahmenecke auf den Biegemomentenverlauf
4.1 Ermittlung der Rotationssteifigkeit
4.2 Klassifizierung nach der Steifigkeit
4.3 Klassifizierung nach der Tragfähigkeit
4.4 Berücksichtigung der Anschlusssteifigkeit S j,ini beim Tragwerksnachweis im
Grenzzustand der Tragfähigkeit
4.5 Einfluss der nachgiebigen Rahmenecke auf den Biegemomentenverlauf
4.6 Drehfedermodellierung in R-STAB
4.7 Einfluss der Rahmeneckkonstruktion auf die Rotationssteifigkeit und den
Biegemomentenverlauf
5. Einfluss des Berechnungsverfahren plastisch – plastisch auf den Biegemomentenverlauf
5.1 Berechnung Hallenrahmen Typ A1
5.2 Berechnung Hallenrahmen Typ A9
5.3 Fazit
6. Zusammenfassung
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Als Fazit aus der Diplomarbeit lässt sich festhalten, dass es sehr wohl noch einige Reserven
bei der Berechnung von Hallentragwerken gibt. Durch Ausschöpfung dieser Reserven kann
eine Wirtschaftlichkeit bei der Hallenkonstruktion gewährleistet werden. Verringerte
Querschnitte unter höherer Ausnutzung der Tragreserven sind die Folge. Ingenieurbüros, die
den Faktor Wirtschaftlichkeit von Beginn an in ihre Berechnung miteinbeziehen, sind
demzufolge immer einen Schritt voraus.
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