Pflichtmodul Stahlbau - Bachelor

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1 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner Stahlbau - Definition, Grundsätze und Historie Die folgenden Abschnitte geben eine kurze Einführung in das Fachgebiet und beleuchten kurz den historischen Werdegang des Stahlbau. Das hilft insbesondere auch beim Verständnis der im Abschnitt angegebenen Regeln für die Ausführung nach EN 1090, die NICHT Bestandteil des Eurocode sind, wohl aber europäische Norm. Abschließend werden zwei vom Deutschen Ausschuss für Stahlbau (DAST) und der Bundesvereinigung der Prüfingenieure (BVPI) herausgegebene Richtlinien für die Erstellung prüffähiger Standsicherheitsnachweise im Stahlbau vorgestellt und kurz erläutert Was ist Stahlbau Stahl ist ein Baustoff, der in erster Linie aus Eisen besteht. Metallurgisch exakt ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weitere Elemente, die Eisenbegleiter, enthält und weitere Legierungselemente enthalten kann. Die genaue Zusammensetzung kann die Eigenschaften der Legierung entscheidend verändern. Folglich gibt es viele verschiedene Stähle und entsprechend viele Einsatzbereiche. Das hohe Gewicht des Stahls schließt eine Verwendung als kubische Bauteile aus. So sind die Haupteinsatzfomen stabförmige Bauteile, wie beispielsweise Träger aus Walzprofilen, und flächenförmige Bauteile, wie ebene und abgewinkelte Bleche. Bei stabförmigen Bauteilen sind die Querschnittsabmessungen (Höhe und Breite) klein gegenüber der Länge. Bei flächenförmigen Bauteilen ist die Dicke bzw. Bauhöhe klein gegenüber den Dimensionen Breite und Länge. Als Stahlbau wird die Disziplin im konstruktiven Hoch- und Ingenieurbau verstanden, die sich mit der Planung, dem Nachweis, der Konstruktion und der Ausführung von Tragwerken aus Stahlbauteilen beschäftigt. Betrachtet werden müssen also die Bauteile selbst, deren Verbindungen und das entstehende Gesamttragwerk. Folglich muss sich der Stahlbau mit den einzelnen Bauteilen und deren Verbindungen ebenso befassen, wie mit der Stabilisierung und Aussteifung der Tragwerke. Für die Verbindungen stehen zwei Grundformen zur Verfügung. Es gibt Verbindungen, die sich wieder lösen lassen (Schraubverbindungen) und Verfahren, die unter Einsatz hoher Temperaturen im Zusammenhang mit Gefügeveränderungen eine nicht (einfach) lösbare Verbindung von Bauteile erzielen (Schweißen, auch Nieten). Grundsätzlich gilt für den Einsatz der Verbindungen, dass ALLE Verbindungen zu planen, zu berechnen und zu konstruieren sind. Ebenso sind nach Möglichkeit ALLE Verbindungen weitgehend werkseitig vorzubereiten. Die qualitativ hohen Anforderungen an Schweißverbindungen können oft nur im Werk erreicht werden bzw. benötigen auf der Baustelle einen hohen Aufwand. In diesem Sinne gilt, Schraubverbindungen für die Montage in situ einzusetzen und Schweißverbindungen für die Präfabrikation im Werk zu planen. Stahlbau ist also offensichtlich eine konstruktive Disziplin, Ausdrücklich nicht zum Stahlbau gehören also Dinge, die mit dem technischen Ausbau zusammenhängen, wie Rohrleitungen, Tür- und Fensterprofile oder Kantenschutzleisten etc. Dagegen sind Trapezbleche und Kassettenwände, auch Sandwichprofile, immer Teil des Stahlbaus, da diese Bauteile tragende und stabilisierende Funktionen übernehmen (können), die dann auch nachzuweisen sind.

2 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner 36 Aus der historischen Entwicklung heraus gibt es einige klassische Einsatzgebiete von Stahl für Bauwerke, bei denen die Vorteile des Materials gegenüber anderen Baustoffen besonders wirken. Es sind das u.a.: Hallen und Geschossbauten (Hochbauten): Rahmentragwerke mit variablen statischen Systemen Vorteile: große Stützenfreie Bereiche in Industriehallen leichtes und schnelle montieren Nachteile: schwer erfüllbare Brandschutzanforderungen bei Geschossbauten Bild 1-4: mehrgeschossiges Stahltragwerk, Stütze-Riegel-System mit tragenden Trapezblechelementen als Decke Masten und Türme Sendemasten, Stromleitungsmasten, Windenergieanlagen Vorteile: hoher Vorfertigungsgrad, schnelle Montierbarkeit, hoher Widerstand gegen Ermüdung Nachteile: im Freien: Korrosionsschutz beachten Bild 1-5: Fußpunkt des Stahlturms einer 102 m hohen Windenergieanlage (Durchmesser ca. 4,5 m, Blechdicke ca. 50 mm)

3 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner 37 Industriebauten Kranbahnen, Gestelle und Gerüste für Anlagen und Maschinen Vorteile: hohe Resistenz gegen Ermüdung (besondere Nachweise) sehr variabel und anpassungsfähig Nachteile: gering Bild 1-6: Gerüste zur Wartung und Bedienung in einem kleinen Heizkraftwerk (Holzschnitzelkraftwerk eines Sägewerks) Behälter und Rohrleistungsbau Industriebehälter wie Silos, Reaktoren, Transportleitungen mit großen Durchmessern Vorteile: hohe Variabilität und Anpassungsfähigkeit, lange Haltbarkeit leichte Montierbarkeit, wartungsarmer Betrieb Nachteile: Korrosionsschutzs außen Bild 1-7: Getreidelagerbehälter eines landwirtschaftlichen Betriebes Stahlwasserbau Hafenanlagen, Kaimauern, Spundwandkästen, Schleusen, Hebewerke Vorteile: leichtes Einbringen in den Boden (Rütteln, Rammen) Nachteile: Korrosionsschutz, Dichtigkeit der Fugen, Anschluss an Beton

4 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner 38 Bild 1-8: gerammte Larsen-Spundwandprofile im Hafen des Ziegeleipark Mildenberg (an der Havel) bei Gransee Brückenbau Trogbrücken, Kastenbrücken, Bogenbrücken, Fachwerkbrücken, Hängebrücken, Schrägseilbrücken, u.v.a Vorteile: leichte Bauweise bei hoher Festigkeit ergibt große Spannweiten, hoher Vorfertigungsgrad, vergleichsweise einfaches Montieren Nachteile: wartungsintensiv (allerdings alle Brücken) Bild 1-9: kleine Fußgängerbrücke (Trog) als genietete Konstruktion, Einfeldträger zwischen den Gerüsttürmen Kranbau und Fördertechnik Brückenkräne, Portalkräne, Förderbrücken im Bergbau Grenzfeld zum Maschinenbau, da sehr viele bewegliche Teile Es sind keine Anlagen bekannt, bei denen anstelle von Stahl Baustoffe, wie Stahlbeton oder Spannbeton eingesetzt wurden. Das ist allenfalls für Kranbahnträger, also nicht bewegte Bauteile, bekannt und erfolgt.

5 Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner 39 Bild 1-10: Portalkran im Heizkraftwerk Rummelsburg in Berlin Mit Stahl gibt es eine große konstruktive und gestalterische Freiheit. Die schlanken Bauteile können faktische beliebig kombiniert werden. Oft sind die Übergänge zum Maschinen scheinbar fließend. Für Kräne gilt beispielsweise, dass die Kranbahnträger, auf denen der Kran sich bewegt, zum Bauingenieurwesen gehören, während der Kran selbst zum Maschinenbau gehört. Bei Windenergieanlagen sind Fundament und Turm dem Bauwesen zugeordnet und Gondel samt Innenleben und Rotorblätter werden von Maschinenbauern betreut. Im folgenden Abschnitt wird über die geschichtliche Entwicklung des Stahlbau berichtet. Bild 1-11 zeigt das 2007 von der Bundesingenieurkammer mit dem Titel Historisches Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst ausgezeichnete Schiffshebewerk in Niederfinow. Bild 1-11: altes Schiffshebewerk Niederfinow

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