Berechnungsstrategie zur übersichtlichen Berechnung großer Industriehallen

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Gudrun Küchler
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1 HOCHSCHULE REGENSBURG UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Fakultät Bauingenieurwesen Konstruktiver Ingenieurbau Berechnungsstrategie zur übersichtlichen Berechnung großer Industriehallen Sandy Reimann Oktober

2 Das Angebot an räumlicher Computersoftware ist in den letzten Jahren rapide angestiegen und findet zunehmend Anwendung in den Ingenieurbüros. Vor allem Jungingenieure werden schon während ihres Studiums immer regelmäßiger mit der 3D-Bemessung in Kontakt gebracht und rechnen daher nur noch selten, einfache Systeme nach der herkömmlichen Methode. Es stellt sich jedoch die Frage ob es lohnenswert und sinnvoll ist die traditionellen Berechnungsmethoden, also die Einzelbemessung der Bauteile, in vielen Bereichen der Tragwerksplanung durch die dreidimensionale Eingabe der Systeme zu ersetzen. Ziel dieser Arbeit ist es anhand eines konkreten Beispiels, einer Industriehalle in Stahlskelettbauweise, die klassische Vorgehensweise der Zerlegung in ebene Teilsysteme der dreidimensionalen Bemessung gegenüberzustellen. Es gilt herauszufinden ob der Aufwand der räumlichen Systemmodellierung gegenüber der Einzelbemessung der Bauteile gerechtfertigt ist. Zudem ist die Überprüfung der Fehleranhäufung bei der Eingabe der vielen Lastfälle und deren Kombinationen ein weiterer Aspekt dieser Arbeit. Angaben zur Hallenkonstruktion Die Industriehalle besitzt die Außenmaße von L x B x H = 48,00 x 21,00 x 10,60 [m] und ein Achsraster von 6,00 m in der Länge und 7,00 m in der Breite. Die Dachkonstruktion wird als Satteldach mit Fachwerkbindern aus Hohlprofilen, Koppelpfetten und Trapezblechdeckung ausgeführt. Der Bürotrakt wird als Bühne bestehend aus Trägerlage und Hauptträgern, aufliegend auf Stützen, in einer Hälfte der Halle, also auf einer Länge von 24,00 m und in einer Höhe von 4,00 m eingebaut. Für die Produktion schwerer Elemente ist die zweite Hallenhälfte mit einem Zweiträgerbrückenlaufkran mit 16 Tonnen Hublast ausgestattet. Die erforderlichen Kranbahnträgerprofile werden als Zweifeldsysteme nach DIN 4132 und DIN bemessen. Die Aussteifung in Hallenquerrichtung erfolgt durch die Rahmenwirkung der eingespannten Stützenköpfe mit den Untergurten der Fachwerkbinder. Die Stützenfüße der Rahmen werden gelenkig auf Einzelfundamente geschraubt (gedübelt). In Hallenlängsrichtung werden sowohl die Dachebene als auch die Wandebenen der beiden Felder, am Anfang und am Ende der Kranbahnträger, mit Aussteifungsverbänden versehen. Da die Fachwerkbinder nur geringe Einwirkungen aus Wind in der schwachen Achse aufnehmen können, werden an den Giebeln eingespannte Stützen mit Köcherfundamenten zur Aufnahme dieser Lasten geplant. Die Lasten aus den Pfetten werden von den Giebelriegeln aufgenommen. Die Bemessung erfolg in zwei Varianten - 2 -

3 1) Zuerst werden die Bauteile in ebene Teilsysteme zerlegt und traditionell von oben nach unten bemessen. Die Einzelbemessung enthält 15 Positionen und einen Positionsplan. Grundriss - 3 -

4 Schnitt 1-1 Schnitt

5 Schnitt 3-3 Bei der Bemessung wurden die Rechenprogramme der Dlubal GmbH und der CSI GmbH verwendet - 5 -

6 2) Die zweite Bemessung erfolgt durch die Eingabe eines räumlichen Modells. Das Gesamtsystem besitzt 665 Stäbe, 52 Lastfälle, 8 Lastfallgruppen und 14 Lastfallkombinationen Die Bemessung wird mit dem Programm R-Stab der Dlubal GmbH durchgeführt

7 Auswertung der Ergebnisse der beiden Bemessungsmethoden In Bezug auf den Stunden und Arbeitsaufwand liegen die beiden Varianten nah beieinander. Die benötigte Zeit liegt bei der Einzelbemessung bei ca. 40 Stunden und bei der 3D- Bemessung bei ca. 35 Stunden. Diese Zeitangaben enthalten rein den Aufwand für die Lastermittlung und -zusammenstellung, die Eingabe und die Auswertung der Ergebnisse und nicht den Zeitanspruch für die Aufbereitung der Ausdrucksprotokolle und der Ausgabedateien, das Erstellen von Zeichnungen und die Einarbeitung in die Programme. Dabei sollte jedoch bedacht werden, dass die statische Berechnung der Einzelbauteile zuerst aufgestellt wurde und somit ein klarer Vorteil für die räumliche Systemmodellierung bestand. Denn sowohl die erforderlichen Profile als auch die Auflager- und Anschlussbedingungen waren bereits bekannt und konnten direkt übernommen werden. Ein Unterschied bei der Systemeingabe konnte bei der räumlichen Systemmodellierung festgestellt werden. So wurden die Giebelstützen in der Einzelbemessung als Kragstützen zur alleinigen Aufnahme der Windlasten angesetzt. Dies wird in der Praxis durch eine Langlochverschraubung des Stützenkopfes mit den Giebelriegeln realisiert. Bei der 3D-Berechnung jedoch ist die Eingabe solch einer Konstruktion nicht möglich, da am Stützenkopf zu viele Freiheitsgrade entstehen und das System instabil wird. Somit werden die Windlasten in der räumlichen Konstruktion auf das ganze System aufgeteilt und nicht wie geplant, allein von den Giebelstützen aufgenommen. Eine weitere Verschiedenheit stellte der Ansatz zur Berechnung der Schnittgrößen nach Theorie I. und Theorie II. Ordnung dar. So dürfen zum Beispiel die Rahmenstützen laut DIN 18800, nach Theorie I. Ordnung gerechnet werden, bei den Giebelstützen ist jedoch nach Überprüfung der Abgrenzungskriterien, der Einfluss der Verformungen auf das Gleichgewicht zu berücksichtigen. Bei den ebenen Teilsystemen kann variabel auf die Einflüsse eingegangen werden. Jedes Bauteil wird einzeln und nach den jeweils vorgeschriebenen Berechnungsverfahren bemessen. Die Schnittgrößen der räumlichen Struktur können entweder nur nach Theorie I. Ordnung oder nach Theorie II. Ordnung berechnet werden und die unterschiedlichen Ansätze können nicht in die Bemessung integriert werden. In Bezug auf die Ergebnisse, also die Ausnutzungsgrade der Stahlspannungen und die Biegedrillknicknachweise sind keine enormen Unterschiede festzustellen. Die Ausgabedateien der Einzelpositionen enthalten alle erforderlichen Angaben, wie zum Beispiel die Schnittgrößen, Verformungen, Spannungen und die Ausnutzungsgrade. Es kann je nach belieben voreingestellt werden, welche numerischen und grafischen Inhalte dass Protokoll enthalten soll. Bei dem Ausdruck der räumlichen Struktur kann in der Globalen Selektion zwar auch eine Auswahl über die Inhalte der Ausgabedatei getroffen werden, es ist jedoch aufgrund der vielen Knoten, Stäbe und verschiedenen Querschnitte eine sehr hohe Seitenanzahl zu erwarten. Es muss letztendlich ein großer Aufwand betrieben werden, alle erforderlichen Ergebnisse darzustellen, ohne dabei eine exorbitante Menge an Papier zu verbrauchen

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