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 1
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. 2
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) 3
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 4
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 5
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. 6