Stahlbau. Bearbeitet von Dr.-Ing. Wolfram Lohse Professor an der Fachhochschule Aachen

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1 Thiele/Lohse Stahlbau Bearbeitet von Dr.-Ing. Wolfram Lohse Professor an der Fachhochschule Aachen 22., neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 285 Bildern, 64 Tafeln und 71 Beispielen B. G. Teubner Stuttgart 1993

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Thiele, Albrecht: Stahlbau 1 Thiele.; Lohse. Bearb. von Wolfgang Lohse. - Stuttgart : Teubner früher u.d.t.: Buchenau, Heinz: Stahlhochbau Teil 1: mit 71 Beispielen - 22., neubearb. u. erw. Aufl ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfaltigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1993 Umschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart

3 Vorwort Die Vorzüge der Stahlbau weise beruhen auf den hochwertigen und in gleichmäßiger Güte gewährleisteten Eigenschaften des Werkstoffes sowie der sorgfältig überwachten Herstellung der Stahlkonstruktionen in Werkshallen bei stets gleichbleibenden Arbeitsbedingungen. Mit modemen Betriebseinrichtungen werden die Stahlbauteile in großen, transportfähigen Einheiten gefertigt und auf der MontagesteIle in kurzer Zeit und bei nahezu jeder Witterung zum Bauwerk zusammengefügt. Die Stahlbauweise bietet dem Ingenieur und dem Architekten die Möglichkeit, für seine Bauaufgabe eine leichte und elegante Lösung zu finden, wobei nachträgliche Veränderungen wie Verstärkungen und Umbauten möglich sind. Die Wiederverwertbarkeit bei der Stahlerzeugung zeichnet diesen Werkstoff als besonders umweltfreundlichen Baustoff aus. Diese Vorzüge haben der Stahlbauweise ein breit gestreutes Anwendungsgebiet erschlossen, das vom Stahlhochbau mit Kran- und Stahlleichtbau über den Stahlbrückenbau, Stahlwasserbau, Stahlbehälterbau bis hin zum Einsatz des Stahlbaus für Baugeräte reicht. Mit dem Erscheinen der Stahlbaugrundnormen DIN T 1 bis T 4 im November 1990 wurde eine über zehnjährige Entwicklungsarbeit abgeschlossen, die der modemen Stahlbautechnik sowie dem theoretischen Erkenntnisstand Rechnung trägt und sich in das Europäische Normenkonzept (Eurocode 3) nahtlos einfügt. Auch wurden die 1981 verabschiedeten "Grundlagen zur Festlegung von Sicherheits anforderungen für bauliche Anlagen" konsequent beachtet, womit ein Verlassen des bisherigen "zulu-konzepts" notwendig war. Damit wurde eine völlige Neubearbeitung dieses Lehrbuches in zwei Teilen erforderlich. Bei der teilweise notwendigen Neufassung habe ich mich bemüht, den bewährten Aufbau und Stil des Buches zu bewahren und den Zweck der Darstellung, besonders die praktische Anwendung der Stahlbautechnik zu fördern, abermals zu erfüllen. Ich hoffe, den dadurch gestellten Anforderungen, welche die Aufgabe einschlossen, die neue Struktur der Tragsicherheitsnachweise lehrbuchmäßig zu vermitteln, gerecht zu werden. In der Neuauflage erschien es mir auch als geboten, auf die theoretischen Hintergründe des Normenwerkes intensiver als bisher einzugehen, da die Verwandtschaft zu den klassischen Lehren der Mechanik, Festigkeitslehre und Stabilitätstheorie in den "Nachweisformaten" nicht mehr so deutlich wird. Der vorliegende Teil 1 beginnt mit den Grundlagen (Werkstoffe, Ausführung und Schutz der Stahlbauten) und wurde um eine Einführung in das Kalkulationswesen und die Anwendung der EDV im Stahlbau ergänzt. Die Berechung der Schraubenverbindungen ist in der neuen Norm auf eine einheitliche Grundlage gestellt, welche die bisher sehr unübersichtlichen Nachweisformen ersetzt. Bei den Schweißverbindungen waren im wesentlichen nur formale Änderungen notwendig. Anschließend werden Zug stäbe und hochfeste Zugglieder (Seile) behandelt. Bei Zugstäben darf nunmehr auch die hohe Zugfestigkeit der Stahlwerkstoffe ausgenutzt werden. Beim Nachweis von Druckstäben fordert das neue Regelwerk ausdrücklich neben den Nachweisen für Biegeknicken immer auch einen Tragsicherheitsnachweis für ein räumliches Versagen (Biegedrillknicken); dieser Nachweis wird an einem aus dem Tragwerk herausgelösten Stabzug (Ersatzstab) geführt. Für das Biegeknicken stehen Ersatzstab-

4 4 Vorwort nachweise neben den genaueren Verfahren nach Theorie 11. Ordnung (elastisch oder plastisch) zur Verfügung. Diese Theorie wird ausführlicher dargestellt und durch Beispiele erläutert. Die Behandlung der Stützen und des Trägerbaus mit Walzprofilen schließen den Teil 1 ab. Die Abschnitte über Verbundstützen und Verbundträger werden aus Umfangsgründen in den Teil 2 aufgenommen. Im Anhang schließlich sind zum besseren Verständnis die beiden gegenwärtig gültigen Regelwerke (alt - neu) in Kurzform einander gegenül?ergestellt. Des weiteren sind zu den Stabilitätsnachweisen Ablaufdiagramme für die praktische Arbeit aufbereitet. Der Anhang enthält auch einige wichtige Tafeln nach dem "alten" Regelwerk, das fallweise anzuwenden ist. Der Aktualität des Buches dienende und oft noch während der Korrektur und Revision einzuarbeitende Änderungen hat der Verlag gerne auf sich genommen; hierfür und für die reibungslose Zusammenarbeit bin ich ihm zu Dank verpflichtet. Ferner danke ich allen Fachkollegen, die mir die Neubearbeitung des Buches erleichterten, und den Stahlbaufirmen, die mich unterstützten. Es wird mich freuen, wenn die Fachwelt ihr Interesse an diesem Buch durch Anregungen und Hinweise zur Verbesserung bekundet. Aachen, im Sommer 1993 W. Lohse

5 Inhalt 1 Werkstoffe, Ausführung und Schutz der Stahlbauten 1.1 Werkstoff Eisen und Stahl Arten der Eisenwerkstoffe Roheisen und Gußeisen Stahl Eigenschaften der Baustähle Werkstoffkennwerte Schweißneigung Werkstoffprüfung Walzerzeugnisse Forrn-, Stab- und Breitflachstahl Bleche Hohlprofile Kaltprofile Ausführung der Stahlbauten Zeichnerische Darstellung von Stahlbau-Konstruktionen Werkstattarbeiten, Gewichtsberechnung und Abrechnung l.3.3 Montage l.3.4 Kalkulation im Stahlbau EDV im Stahlbau Korrosionsschutz Allgemeines Vorbereitung der Oberflächen Beschichtungen Metallüberzüge und anorganische Beschichtungen Verwendung legierter Stahlsorten Konstruktiver Korrosionsschutz Brandschutz Allgemeines Brandschutzmaßnahmen Berechnung der Stahlbauten 2.1 Einwirkungen und Beanspruchungen Widerstände, Grenzzustände und Beanspruchbarkeiten Tragsicherheitsnachweis, Nachweisverfahren Allgemeine Regeln Lochschwächung, Schlupf, Tragwerksverformungen, Außerrnittigkeiten Geometrische Imperfektionen von Stabwerken Tragsicherheitsnachweise nach dem Verfahren Elastisch-Elastisch Spannungsnachweise Nachweis ausreichender Bauteildicken Nachweis der Lagesicherheit Gebrauchstauglichkeitsnachweis Nachweis der Dauerhaftigkeit

6 6 Inhwt 3 Verbindungstechnik 3.1 Schraubenverbindungen Schraubenarten und Ausflihrungsformen von Schraubenverbindungen Anordnung der Schrauben, Schraubenabstände, Schraubensymbole Beanspruchungen und Beanspruchbarkeit von Schrauben (Nieten, Bolzen) Wirkungsweise der Schrauben Grenztragfähigkeiten der Schrauben Nachweis der Gebrauchstauglichkeit bei GV- und GVP-Verbindungen Berechnung von Schrauben-Anschlüssen und -Verbindungen Anschlüsse mit mittiger Krafteinleitung Verbindungen mit Beanspruchung durch Biegemomente Anschlüsse mit zugbeanspruchten Schrauben 3.2 Schweißverbindungen Schweißverfahren, Zusatzwerkstoffe und Schweißvorgang Stoßarten, Form und Abmessungen der Schweißnähte Wahl der Werkstoffe, schweißgerechtes Konstruieren Sicherung der Güte von Schweißarbeiten Berechnung und Ausführung von Schweißverbindungen Berechnungs- und Ausführungsvorschriften Beispiele 3.3 Augenstäbe und Bolzengelenke Keilverbindungen und Spannschlösser Zugstäbe 4.1 Querschnittswahl Bemessung und Spannungsnachweis Anschlüsse Stöße Hochfeste Zugglieder 5.1 Materialien und Bauarten Grundlagen der Berechnung Verankerungen und Umlenklager Druckstäbe, Knicken von Stäben und Stabwerken 6.1 Querschnitte der Druckstäbe Einführung in die Stabilitätstheorie Entwicklung der Knickvorschriften Grundlagen der Tragsicherheitsnachweise nach DIN T Nachweisverfahren Einfluß der Verformungen, Abgrenzungskriterien Plastische Grenzschnittgrößen Imperfektionen Knicklänge Tragsicherheitsnachweise für einteilige Stäbe nach dem Ersatzstabverfahren Allgemeine Regelungen

7 Inhalt Planmäßig mittiger Druck (N) Einachsige Biegung mit Normalkraft (N, M) Grundlagen der Ersatzstabnachweise (Biegeknicken) Biegeknicken Biegedrillknicknachweis Zweiachsige Biegung mit Normalkraft (N, MY' Mz) Biegeknicken Biegedrillknicken 6.4 Tragsicherheitsnachweise für mehrteilige, einfeldrige Stäbe Ausweichen rechtwinklig zur Stoffachse Ausweichen rechtwinklig zur stofffreien Achse Nachweis der Einzelstäbe bei Gitter- und Rahmenstäben Nachweis der Einzelfelder von Rahmenstäben Nachweis der Bindebleche Mehrteilige Rahmenstäbe mit geringer Spreizung Tragsicherheitsnachweise für Stäbe und Stabwerke nach Theorie 11. Ordnung (Biegeknicken) Anschlüsse und Stöße Stützen 7.1 Allgemeines, Vorschriften Stützenquerschnitte Konstruktive Durchbildung Stützenfüße Unversteifte Fußplatte Trägerrost Stützenfüße mit ausgesteifter Fußplatte Eingespannte Stützenfüße Stützenverankerung Stützenkopf Stützenstöße Der Kontaktstoß Der Vollstoß Trägeranschlüsse Trägerbau 8.1 Allgemeines Bemessung und Berechnung vollwandiger Träger (Walzträger) Allgemeine Berechnungsgrundlagen und Nachweise Biegedrillknicken (Kippen) biegebeanspruchter Träger (MY' N = 0) Allgemeines Behinderung der seitlichen Verschiebung und der Verdrehung Vereinfachter Kippnachweis für Träger mit seitlicher Stützung Biegedrillknicknachweis Fließgelenktheorie Vollplastische Schnittgrößen Plastische Schnittgrößen (Interaktionsbeziehungen) bei kombinierter Beanspruchung Plastische Grenztragfähigkeit statisch unbestimmter, biegebeanspruchter Systeme Nachweis ausreichender Bauteildicken Materialverfestigung Ungeeignete Systeme

8 8 Inhalt 8.3 Trägersysteme Einfeldträger Durchlaufträger Berechnung nach der Elastizitätstheorie (Elastisch Elastisch, Elastisch-Plastisch) Berechnung nach der Fließgelenktheorie (Plastisch-Plastisch) Gelenkträger Konstruktive Durchbildung Trägerauflagerungen Auflagerung in Wänden Rippenlose Krafteinteilungen Trägeranschlüsse Querkraftbeanspruchte, gelenkige Anschlüsse Biegesteife Anschlüsse Trägerstöße Besonderheiten Literatur Anhang Formeln und Begriffe nach DlN T 1 und T Sachverzeichnis Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei Abschluß des Manuskripts. Maßgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblätter des DIN Deutsches Institut für Normung e. V. im Format A 4, die durch den Beuth-Verlag GmbH, Berlin und Köln, zu beziehen sind. - Sinngemäß gilt das gleiche für alle in diesem Buch angezogenen amtlichen Richtlinien, Bestimmungen, Verordnungen usw.