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VielseitigeKlemmsysteme

Verbindungs- und Klemmsysteme

Rolf Kindmann, Michael Stracke Verbindungen im Stahl- und Verbundbau2. Aufl age

Verbindungen im Stahl- und Verbundbau

Rolf Kindmann, Michael Stracke

BiP 2. Aufl age

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rolf KindmannPrüfi ngenieur für BaustatikRuhr-Universität BochumLehrstuhl für Stahl- und VerbundbauUniversitätsstraße 15044801 Bochum Prof. Dr.-Ing. Michael StrackeFachhochschule DortmundSonnenstraße 9644139 Dortmund

Bibliografi sche Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN: 978-3-433-02916-9

© 2009 Ernst & SohnVerlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten.Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofi lm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.

All rights reserved (including those of translation into other languages). No partof this book may be reproduced in any form – by photoprint, microfi lm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without writtenpermission from the publisher.

Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Umschlaggestaltung: eiche.eckert° | Werbeagentur, AchernDruck: Strauss GmbH, MörlenbachBindung: Litges & Dopf Buchbinderei GmbH, Heppenheim

Printed in Germany

Vorwort zur 2. Auflage

Aufgrund der regen Nachfrage war die 1. Auflage bereits nach fünf Jahren vergriffen. Im Hinblick auf die Weiterentwicklung der Verbindungstechniken und die Neuaus-gabe bzw. Anpassung zahlreicher Normen konnte daher eine zeitnahe Aktualisierung vorgenommen werden. Sie betrifft insbesondere die beiden Basisnormen für Verbin-dungen im Stahlbau: DIN 18800 Ausgabe 2008 und DIN EN 1993-1-8 (Eurocode 3) Ausgabe 2005 in Verbindung mit dem Entwurf eines nationalen Anhangs aus dem Jahre 2007. Darüber hinaus wurden bereichsweise Korrekturen vorgenommen und die Abschnitte 3.11 „Verbindungen in Fachwerkkonstruktionen" sowie 3.12 „Anschlüsse an Stahlbetonkonstruktionen" erweitert.

Das Manuskript des Buches wurde in bewährter Weise am Bochumer Stahlbaulehr-stuhl erstellt. Die Verfasser danken allen beteiligten Mitarbeitern des Lehrstuhls.

Bochum, Mai 2009 R. Kindmann, M. Stracke

Vorwort

Tragwerke des Stahl- und Verbundbaus bestehen hauptsächlich aus Profilen, Blechen und Stahlbetonkonstruktionen. In der Regel werden daraus in der Werkstatt Bauteile hergestellt, die auf der Baustelle zum Tragwerk zusammengefügt werden. Im Hinblick auf die Funktionalität, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit sind dabei geeignete Verbindungstechniken von großer Bedeutung.

In dem vorliegenden Buch wird detailliert auf die Konstruktion und Bemessung von Verbindungen, Stößen, Anschlüssen und Befestigungen eingegangen. Den Schwer-punkt bilden geschraubte und geschweißte Verbindungen. Darüber hinaus werden auch andere Verbindungsmittel und -techniken behandelt, wie z.B. Niete, Bolzen, Zuganker, Hammerschrauben, Spannschlösser, Verankerungskörper, Dübel und Setz-bolzen.

Das vorliegende Buch wendet sich an folgende Zielgruppen:

• Studierende an Universitäten, Technischen Hochschulen und Fachhochschulen • Ingenieure in der Baupraxis, die mit dem Entwurf und der Bemessung von

Stahl- und Verbundtragwerken befasst sind.

Da das Buch für Studierende und Praktiker konzipiert ist, steht die Vermittlung der Grundlagen, Methoden und Berechnungsverfahren sowie die Erläuterung wichtiger

VI Vorwort

Einflüsse und Effekte auf das Trag- und Verformungsverhalten im Vordergrund. Zahlreiche Konstruktions- und Bemessungsbeispiele mit ausgeprägtem Praxisbezug runden die Thematik ab. Die Tragsicherheitsnachweise werden nach DIN 18800 und teilweise nach dem Eurocode 3 bzw. 4 geführt. Die Behandlung vieler Anwendungs-falle mit unterschiedlichen Konstruktionsvarianten soll den Leser in die Lage ver-setzen, eigene Aufgabenstellungen schnell und sicher lösen zu können.

Die Verfasser danken

• Frau K. Habel für die druckfertige Herstellung des Manuskriptes, • Herrn P. Steinbach für die Anfertigung der Zeichnungen und • Herrn Dipl.-Ing. M. Kraus für die sorgfältigen Kontrollen, hilfreichen Hin-

weise und Aktualisierung im Hinblick auf die derzeit gültigen Normen.

Darüber hinaus danken die Verfasser den Herren Dipl.-Ing. Becker, Haddick, Hohage, Reckermann und Wienke von der Ingenieursozietät Schürmann-Kindmann und Part-ner in Dortmund und den Herren Dipl.-Ing. Laumann, Wolf und Wöllhardt vom Bochumer Lehrstuhl für die wertvollen Anregungen und Hinweise, die zum Gelingen des Buches beigetragen haben.

Bochum, Januar 2003 R. Kindmann, M. Stracke

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Kindmann, R.

Stahlbau – Teil 2: Stabilität und Theorie II. Ordnung2008., 429 Seiten.€ 55,–* /sFr 88,–ISBN: 978-3-433-01836-1

Zentrale Themen des Buches sind die Stabilität von Stahlkonstruktionen, dieErmittlung von Beanspruchungen nach Theorie II. Ordnung und der Nachweisausreichender Tragfähigkeit. Das tatsächliche Tragverhalten wird erläutert unddie theoretischen Grundlagen werden hergeleitet, zweckmäßige Nachweis-verfahren empfohlen und die erforderlichen Berechnungen mit Beispielen ver-

anschaulicht. Der Inhalt des Buches ist wie folgt gegliedert:– Tragverhalten und Nachweisverfahren– Stabilitätsproblem Biegeknicken und vereinfachte Nachweise– Stabilitätsproblem Biegedrillknicken und vereinfachte Nachweise– Nachweise unter Ansatz von geometrischen Ersatzimperfektionen– Theorie II. Ordnung für Biegung mit Normalkraft– Theorie II. Ordnung für beliebige Beanspruchungen– Aussteifung und Stabilisierung– Stabilitätsproblem Plattenbeulen und Beulnachweise

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* € Preise gelten ausschließlich für Deutschland. Irrtum und Änderungen vorbehalten.

Für Bestellungen und Kundenservice:Verlag Wiley-VCH, Boschstraße 12, 69469 WeinheimTelefon: +49(0) 6201 / 606-400, Telefax: +49(0) 6201 / 606-184, E-Mail: [email protected]

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Kindmann, R., Kraus, M.

Finite Elemente Methoden im Stahlbau2007, 7., 382 Seiten, 256 Abb., 46 Tab. Broschur.€ 57,–* /sFr 90,–ISBN: 978-3-433-01837-8

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) bildet in der Praxis der Bauingenieure einStandardverfahren zur Berechnung von Tragwerken. Nach einer Ein führung in dieMethodik konzentriert sich das Buch auf die Ermittlung von Schnittgrößen, Ver-formungen, Verzweigungslasten und Eigenformen für Stahlkonstruktionen. Ne-ben linearen Berechnungen für Tragwerke bilden die Stabilitätsfälle Biegeknicken,

Biegedrillknicken und Plattenbeulen mit der Ermittlung von Verzweigungslasten und Berechnungen nachTheorie II. Ordnung wichtige Schwerpunkte. Hinzu kommt die Untersuchung von Querschnitten, für die Be-rechnungen mit der FEM zukünftig stark an Bedeutung gewinnen werden. Für praktisch tätige Ingenieureund Studierende gleichermaßen werden alle notwen digen Berechnungen für die Bemessung von Tragwer-ken anschaulich dargestellt.

Kindmann, R., Frickel, J.

Elastische und plastische Querschnittstragfähigkeit2002., 602 Seiten, 376 Abb., 126 Tab. Broschur.€ 93,–* /sFr 149,–ISBN: 978-3-433-02842-7

Das vorliegende Buch konzentriert sich auf die elastische und plastische Trag-fähigkeit von Querschnitten des Stahl- und Verbundbaus. Es behandelt alleklassischen Methoden und darüber hinaus neu entwickelte Verfahren, die zueiner modernen Vermittlung des Fachwissens gehören und für eine wirt-schaftliche Bemessung in der Baupraxis benötigt werden. Dabei wird das ge-

samte Spektrum von Berechnungsverfahren für die Handrechnung bis hin zu computergestützten Me-thoden abgedeckt. Das Buch enthält zahlreiche Berechnungsbeispiele, die die gesamte Bandbreite vonleichtem bis hin zu überdurchschnittlichem Schwierigkeitsgrad umfassen.

Ernst & SohnVerlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG

3D-Finite Elemente

3D-Stabwerke

Spannungen

Querschnitte

Rahmenecken

Typisierte Anschlüsse

Inhaltsverzeichnis

Vorwort V

1 Übersicht 1 1.1 Einleitung 1 1.2 Thematische Gliederung des Buches 4 1.3 Bezeichnungen 5 1.4 Internetadressen für weitere Informationen 8

2 Ermittlung von Beanspruchungen in Verbindungen 11 2.1 Prinzipielle Vorgehensweise 11 2.2 Schnittgrößen und Spannungen in Stäben 14 2.3 Gleichgewicht zwischen Schnittgrößen und Teilschnittgrößen 16 2.4 Ermittlung der Teilschnittgrößen mit der Spannungsverteilung 21

3 Konstruktion und Bemessung von Bauteilen und Verbindungen 25

3.1 Vorbemerkungen 25 3.2 Herstellen und Verstärken von Querschnitten 27 3.2.1 Beanspruchung der Verbindungsmittel 27 3.2.2 Geschweißte Vollwandträger 29 3.2.3 Verbundträger und andere Verbundkonstruktionen 36 3.2.4 Halsnähte eines I-Querschnitts 38 3.2.5 Halsnähte eines rechteckigen Hohlkastenquerschnitts 40 3.2.6 Verbundträger mit durchgehender Verbundfuge 41 3.2.7 Verstärkung eines Walzprofiles durch Zulagen 45 3.3 Krafteinleitung und Aussteifung 47 3.3.1 Übersicht 47 3.3.2 Krafteinleitung ohne Steifen 49 3.3.3 Krafteinleitung mit Steifen 5 4 3.3.4 Bemessung von Krafteinleitungssteifen und Anschlussnähten 56 3.3.5 Zwischenauflager eines Trägers 59 3.3.6 Endauflager eines Trägers mit Auflagersteifen 60 3.4 Stumpfstöße von Blechen, Zug- und Druckstäben 62 3.4.1 Bleche 62 3.4.2 Zugstäbe 65 3.4.3 Druckstäbe/Stützen 65 3.4.4 Zugstoß eines Stabes aus Flachstählen 66 3.4.5 Zugstoß eines quadratischen Hohlprofiles 67

VIII Inhaltsverzeichnis

3.5 Gelenkige Trägerstöße 3.5.1 Ausfuhrungsvarianten und Anwendungsbereiche 3.5.2 Stoß mit dünnen Stirnplatten 3.5.3 Stoß mit Steglaschen 3.6 Biegesteife Trägerstöße 3.6.1 Konstruktionsvarianten und Kraftübertragung 3.6.2 Geschweißte Stöße 3.6.3 Geschraubte Stöße 3.6.4 Kombination verschiedener Verbindungsmittel 3.6.5 Trägerstoß mit Laschen 3.6.6 Trägerstoß mit überstehenden Stirnplatten 3.6.7 Trägerstoß mit bündigen Stirnplatten 3.6.8 Trägerstoß mit Stumpfnähten 3.7 Trägerkreuzungen und -anschlüsse 3.7.1 Übersicht 3.7.2 Gestapelte Trägerlagen 3.7.3 Gelenkige Anschlüsse 3.7.4 Trägerausklinkungen und Nachweise 3.7.5 Trägerkreuzungen mit Durchlaufwirkung 3.7.6 Trägerkreuzungen von Verbundträgern 3.7.7 Gelenkiger Trägeranschluss mit dünner Stirnplatte 3.7.8 Anschluss eines Nebenträgers mit Durchlaufwirkung 3.8 Gelenkige Träger-Stützen-Verbindungen 3.8.1 Konstruktionsvarianten und Lage des Gelenks 3.8.2 Verbundträger/Verbundstützen 3.8.3 Anschluss mit Auflagerknagge 3.8.4 Anschluss mit Fahnenblech 3.8.5 Anschluss mit Winkeln 3.9 Rahmenecken und Stöße im Hallenbau 3.9.1 Übersicht 3.9.2 Konstruktionsvarianten und Kraftübertragung 3.9.3 Verstärkung und Nachweis der Eckfelder 3.9.4 Unterlegbleche für dünne Stützengurte 3.9.5 Geschweißte Rahmenecke mit Voute 3.9.6 Rahmenecke mit Voute und bündiger Stirnplatte 3.9.7 Firststoß 3.10 Biegemomententragfähige Träger-Stützen-Verbindungen 3.10.1 Übersicht 3.10.2 Ausgesteifte Verbindungen 3.10.3 Verbindungen ohne Steifen 3.10.4 Verformbare Verbindungen und Auswirkungen 3.10.5 Geschweißter Trägeranschluss ohne Steifen

69 68 70 72 73 73 76 77 78 79 82 83 85 86 86 87 88 89 91 92 94 96 97 97 101 104 105 107 109 109 110 114 118 118 121 124 126 126 127 128 131 133

Inhaltsverzeichnis

3.11 Verbindungen in Fachwerkkonstruktionen 135 3.11.1 Übersicht 135 3.11.2 Exzentrizitäten und Biegemomente in Fachwerken 138 3.11.3 Fachwerke mit Knotenblechen 142 3.11.4 Fachwerke aus offenen Profilen ohne Knotenbleche 149 3.11.5 Fachwerke aus Hohlprofilen 151 3.11.6 Fachwerkknoten mit Knotenblech und Anschluss offener Profile 159 3.11.7 Fachwerkknoten aus quadratischen Hohlprofilen 163 3.12 Anschlüsse an Stahlbetonkonstruktionen 165 3.12.1 Vorbemerkungen 165 3.12.2 Auflagerung und Anschlüsse von Stahlträgern 166 3.12.3 Gelenkige Anschlüsse von Stahlstützen an Fundamente 170 3.12.4 Biegesteife Anschlüsse von Stahlstützen an Fundamente 180 3.12.5 Gelenkiger Stützenfuß mit Fußplatte und Schubknagge 189 3.12.6 Eingespannte Stütze mit Fußplatte oder alternativ 192

Köcherfundament

4 Geschraubte Verbindungen 198 4.1 Einleitung 198 4.2 Schrauben für den Stahlbau 199 4.3 Einteilung von Schraubenverbindungen und Ausführungsformen 203 4.4 Kraftübertragung und Tragverhalten 206 4.4.1 Vorbemerkungen 206 4.4.2 Abscherbeanspruchung der Schrauben (SL-Verbindungen) 206 4.4.3 Kraftübertragung durch Reibung 211 4.4.4 Zugbeanspruchung der Schrauben 213 4.4.5 Kombinierte Zug- und Abscherbeanspruchung 216 4.4.6 Konstruktionsempfehlungen und -regeln 217 4.4.7 Zusammenwirken verschiedener Verbindungsmittel 219 4.5 Zeichnerische Darstellung 219 4.6 Typisierte Verbindungen 221 4.7 Bemessung und Konstruktion nach DIN 18800 224 4.7.1 Vorbemerkungen 224 4.7.2 Werkstoffkennwerte 224 4.7.3 Rand- und Lochabstände von Schraubenlöchern 226 4.7.4 Abscheren und Lochleibung 225 4.7.5 Zugbeanspruchte Schrauben 233 4.7.6 Zug und Abscheren 234 4.7.7 Gebrauchstauglichkeit von GV- und GVP-Verbindungen 235 4.7.8 Anziehen von vorgespannten Schraubenverbindungen 236 4.8 Bemessung und Konstruktion nach Eurocode 3 238 4.8.1 Vorbemerkungen 238

X Inhaltsverzeichnis

X Inhaltsverzeichnis

4.8.2 4.8.3 4.8.4 4.8.5 4.8.6 4.8.7 4.8.8 4.8.9 4.9 4.9.1 4.9.2 4.9.3

4.9.3.1 4.9.3.2 4.9.3.3 4.9.3.4 4.9.3.5 4.9.4

4.10 4.10.1 4.10.2 4.10.2.1 4.10.2.2 4.10.2.3 4.10.3 4.10.4 4.11 4.12 4.13 4.14

5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5

Werkstoffkennwerte Rand- und Lochabstände Beanspruchbarkeiten von Schrauben Hochfeste Schrauben in gleitfesten Verbindungen Lange Schraubenverbindungen Einschnittige Überlappungsstöße mit einer Schraube Einschenkliger Anschluss von Winkelprofilen Querschnittsschwächung durch Schraubenlöcher Bemessung von geschraubten Verbindungen Methoden und Bedingungen Verteilung der Schnittgrößen auf die Verbindungsmittel Klassische Berechnung der Schraubenkräfte in Scher-Lochleibungsverbindungen Vorbemerkungen Beliebige Anordnung der Schrauben Regelmäßige und symmetrische Anordnung der Schrauben Gelenkiger Trägeranschluss mit Winkeln Biegesteifer Trägerstoß mit Laschen Plastische Verteilung der Schraubenkräfte in Scher-Lochleibungs-verbindungen Verbindungen mit Stirnplatten und zugbeanspruchten Schrauben Übersicht Trägerstöße Tragmodelle/Zugkräfte in den Gurten Übertragbare Zugkräfte Äquivalenter T-Stummel und Stirnplatten nach EC 3 Rahmenecken im Hallenbau Träger-Stützen-Verbindungen Querschnitte, Anreißmaße und Klemmlängen Fertigung Prüfungen Korrosionsschutz

Geschweißte Verbindungen Einleitung Zeichnerische Darstellung Bemessung und Konstruktion nach DIN 18800 Bezeichnung der Schweißnahtspannungen Rechnerische Schweißnahtdicken Rechnerische Schweißnahtlängen Rechnerische Schweißnahtspannungen Grenzschweißnahtspannungen und Nachweise

240 241 243 247 248 249 249 250 253 253 254 255

255 256 260 262 264 267

270 270 270 270 273 278 283 285 286 290 291 292

293 293 294 296 296 299 303 205 307

Inhaltsverzeichnis

5.3.6 5.3.7 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.7.5 5.8 5.8.1 5.8.2 5.8.3 5.8.4 5.8.5 5.8.6 5.9 5.10

6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Grundsätze für die Konstruktion Weitere Regelungen der DIN 18800 Bemessung und Konstruktion nach Eurocode 3 Vorbemerkungen Geometrie und Abmessungen Beanspruchbarkeit von Kehlnähten Beanspruchbarkeit von Stumpfnähten Verteilung der Kräfte Schweißverfahren Übersicht Schmelzschweißen Pressschweißen Gasschmelzschweißen und Brennschneiden Verformungen und Schweißeigenspannungen Ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung Verformungen infolge Schrumpfen Entstehung von Schweißeigenspannungen Auswirkungen auf die Bauteiltragfähigkeit Abbau durch Richten und Wärmebehandlung Versagen geschweißter Verbindungen Versagensarten Verformungsbruch Ermüdungsbruch Sprödbruch Terrassenbruch Fertigung Schweißbadsicherung Nahtvorbereitung Nahtauf bau und Lagenfolge Auslaufbleche Arbeitspositionen Vorwärmen und Abkühlzeiten Herstellerqualifikationen Prüfungen

Weitere Verbindungsmittel und -techniken Vorbemerkungen Halbrundniete und Senkniete Druckübertragung durch Kontakt Augenstäbe und Bolzen Zugstäbe/Zuganker aus Rundstählen Spannschlösser und Verbindungsmuffen

311 313 314 314 314 318 324 325 325 325 327 330 330 332 332 333 336 337 338 339 339 339 340 340 338 348 348 349 350 350 351 351 353 355

357 357 358 360 365 367 370

XII

XII Inhaltsverzeichnis

6.7 Hammerschrauben 370 6.8 Ankerschrauben 372 6.9 Dübel zur Verankerung im Beton 376 6.10 Kopfbolzendübel für Verbundträger 383 6.11 Einbetonierte Ankerplatten mit Kopfbolzendübeln 387 6.12 Setzbolzen und gewindefurchende Schrauben 389 6.13 Blindniete und selbstbohrende Schrauben 393 6.14 Verankerung hochfester Zugglieder 393 6.15 Anker schienen 395 6.16 Befestigung von Glasscheiben 396

7 Verbindungen in ermüdungsgefährdeten Konstruktionen 400 7.1 Einleitung 400 7.2 Ermüdungsgefáhrdete Bauwerke 401 7.3 Ermüdungsbeanspruchungen 403 7.4 Ermüdungsfestigkeit und Nutzungsdauer 404 7.5 Ermüdungsnachweis 405 7.6 Beurteilung der Kerbwirkung 407 7.7 Beanspruchbarkeit von Bauteilen und Verbindungen 410 7.8 Grundsätze für die konstruktive Durchbildung 419 7.9 Kranbahnträger 421 7.10 Brücken 423

Literaturverzeichnis 426

Sachverzeichnis 439

Handbuch und Konstruktionsatlasfür das Bauen mit dünnwandigenProfilen aus Stahl und Aluminium

Für Bestellungen und Kundenservice:Verlag Wiley-VCH Boschstraße 12, 69469 WeinheimTelefon: +49(0) 6201 / 606-400,Telefax: +49(0) 6201 / 606-184,E-Mail: [email protected]

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Das Bauen mit dünnwandigen Profilen aus Stahl und Alu-minium ist aus dem Wirtschaftshochbau nicht mehr weg-zudenken. Entwurf, Konstruktion, Berechnung sowie Mon-tage dieser Bauteile setzen eine genaue Kenntnis der Funk-tionsweise und der Tragfähigkeit voraus.

Die Titel erläutern die Herstellung und den Aufbauder Bauelemente, die verwendeten Baustoffe unddie erforderlichen Berechnungen und Bemessungen.Mit zahlreichen Abbildungen und Beispielen wer-den die Grundlagen der Bauweise und das für diePlanungs- und Ausführungspraxis erforderlicheKnowhow vermittelt.

Beim Entwurf und der Ausführungsplanung sind dieBesonderheiten von Trapezprofilen und Sandwich-elementen hinsichtlich Montage, bauphysikalischemVerhalten sowie Tragverhalten zu berücksichtigen.Dieser einmalige Konstruktionsatlas gibt mit zahl-reichen Detaildarstellungen Planungs- und Qualitäts-sicherheit, insbesondere hinsichtlich des Wärme-und Feuchteschutzes.

Ralf Möller, Hans Pöter, Knut Schwarze

Planen und Bauen mit Trapezprofilenund Sandwichelementen

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1 Übersicht

1.1 Einleitung

Tragwerke des Bauwesens werden in der Regel aus vielen einzelnen Bauteilen herge-stellt. Häufig bestehen auch die Bauteile aus mehreren Einzelteilen, sodass hinsicht-lich Konstruktion und Bemessung zahlreiche unterschiedliche Aufgaben zu lösen sind. Die Verbindungstechnik hat daher im Bauwesen große Bedeutung.

Zur Kennzeichnung der unterschiedlichen Aufgabenstellungen verwendet man die Be-griffe:

Verbindung, Stoß, Anschluss, Befestigung

Der Begriff „Verbindung" dient zur allgemeinen Beschreibung. Er schließt Stöße, An-schlüsse und Befestigungen als Sonderfalle mit ein. Zur Erläuterung enthält Bild 1.1 vier Beispiele:

• Verbindung von Blechen zur Herstellung von Querschnitten • Stumpfstoß eines Biegeträgers • Anschluss eines Trägers an eine Stütze • Befestigung eines Auflagerwinkels an eine Stütze

Verbindung von Blechen

Anschluss Träger - Stütze Befestigung eines Auflagerwinkels

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Bild 1.1 Beispiele für verschiedene Verbindungsarten

2 1 Übersicht

Die Verbindung von Blechen untereinander oder mit gewalzten Profilen dient zum Herstellen, Verstärken und Aussteifen von Bauteilen und Querschnitten. Stöße von Bauteilen können aus unterschiedlichen Gründen erforderlich sein:

• Bleche und Walzprofile sind nicht in den erforderlichen Abmessungen verfüg-bar

• Abstufung von Querschnitten • Begrenzung der Abmessungen und Gewichte im Hinblick auf Transport und

Montage

Anschlüsse sind stets erforderlich, wenn einzelne Bauteile mit anderen Bauteilen ver-bunden werden müssen. Der Begriff „Befestigung" wird im Stahl- und Verbundbau selten verwendet. In der Regel soll damit gekennzeichnet werden, dass ein kleines Einzelteil an einem großen Bauteil befestigt wird. Teilweise wird auch der Begriff „Verankerung" verwendet. Damit wird u.a. ausgedrückt, dass Tragwerke mit Funda-menten verbunden oder Zugglieder an Konstruktionen angeschlossen werden.

Verbindungen dienen zur Übertragung von Kräften, Schnittgrößen oder Spannungen, siehe auch Bild 1.2. Prinzipiell können folgende Verbindungstechniken unterschieden werden:

• Schweißen · Nieten • Schrauben · Dübeln • Kontakt (nur Druck) · Nageln (Holzbau) • Reibung (nur Schub) · Kleben

Die Zusammenstellung enthält im Sinne einer Übersicht die wichtigsten Verbindungs-techniken. Darüber hinaus gibt es weitere spezielle Techniken und Verbindungsmittel für besondere Anwendungsfalle, wie z. B. Bolzen oder Anker.

Bild 1.2 Zur Verbindung von zwei Einzelteilen

Im Stahl- und Verbundbau haben das Schweißen und Schrauben die bei weitem größ-te Bedeutung. Aus diesem Grunde werden diese Verbindungstechniken in dem vor-liegenden Buch ausführlich behandelt. Neben Erläuterungen zur Wirkungsweise und zum Tragverhalten wird detailliert auf die entsprechenden Konstruktionsmethoden und Bemessungsverfahren eingegangen. Damit, und mit zahlreichen Beispielen, wird der Leser in die Lage versetzt, geschweißte und geschraubte Verbindungen sicher be-urteilen und auslegen zu können. Da die Prinzipien, Methoden und Verfahren in we-

1.1 Einleitung 3

sentlichen Teilen allgemeine Gültigkeit haben, ist die Übertragbarkeit auf andere Ver-bindungstechniken möglich, sodass breite Anwendungsbereiche abgedeckt werden. Neben der Kraftübertragung durch Schweißnähte und Schrauben werden im Stahl-und Verbundbau auch Druckkräfte durch Kontakt und Schubkräfte durch Rei-bung übertragen. Dübel werden in der Regel zur Verbindung von Stahl- und Beton-teilen eingesetzt. Sie kommen in verschiedenen Ausfuhrungsformen, wie z. B. als Kopfbolzendübel oder Verbundanker, vor.

Ein Beispiel für die Niettechnik ist in Bild 1.3 dargestellt, wobei die Niete verschiede-ne Funktionen haben. Einerseits wird der Stabquerschnitt des Obergurtes aus vier Winkeln und dem Stegblech hergestellt, andererseits werden das Knotenblech an den Obergurt und zwei Diagonalen an das Knotenblech angeschlossen. Nietverbindungen wie in Bild 1.3 sind heutzutage nicht mehr üblich. Sie wurden in den letzten Jahrzehnten durch geschweißte und geschraubte Verbindungen ersetzt. Aktuell ist dagegen nach wie vor die Verwendung von Blindnieten, die zur Verbindung von Stahltrapezprofilen eingesetzt werden (Verbindung der Profiltafeln untereinander).

Bild 1.3 Beispiel für ein Konstruktionsdetail mit Halbrundnieten

Die Anwendung der Klebetechnik im Bauwesen befindet sich zur Zeit noch in der Entwicklung. Erste Anwendungsgebiete, wie z. B. das Aufkleben von Stahllamellen auf Stahlbetonkonstruktionen (Verstärkung, Sanierung), sind bereits für die Baupraxis erschlossen worden.

Voraussetzung für die Anwendung einer Verbindungstechnik im Bauwesen ist, dass

• sie den allgemein anerkannten Regeln der Technik entspricht, d. h. in bauauf-sichtlich eingeführten DIN-Normen oder Richtlinien geregelt ist,

• eine allgemeine bauaufsichtliche bzw. europäische technische Zulassung vor-liegt oder

• eine Zustimmung im Einzelfall durch die Oberste Baubehörde (Landesministe-rium) erteilt wird.

4 1 Übersicht

1.2 Thematische Gliederung des Buches

Die folgende Zusammenstellung soll dem Leser eine schnelle Orientierung bei der Verwendung des Buches ermöglichen. Dazu wird jeweils kurz der Inhalt der Kapitel angesprochen und Wissenswertes hervorgehoben.

Kapitel 1 Übersicht

In der Einleitung wird eine Übersicht über die verschiedenen Verbindungstechniken (Schweißen, Schrauben, Dübeln ) und Aufgabenstellungen (Verbindung, Stoß, An-schluss, Befestigung) gegeben. Darüber hinaus werden die Gliederung des Buches er-läutert und die Bezeichnungen angegeben.

Kapitel 2 Ermittlung der Beanspruchungen in den Verbindungsmitteln

In diesem Kapitel werden Prinzipien und allgemeine Vorgehensweisen zur Ermittlung von Beanspruchungen in Verbindungen und Verbindungsmitteln erläutert. Mit den Schnittgrößen als Ausgangspunkt wird auf die Verwendung der Gleichgewichtsbedin-gungen und der Spannungsverteilungen eingegangen sowie entsprechende Berech-nungsformeln für ausgewählte Anwendungsfalle bereitgestellt.

Kapitel 3 Konstruktion und Bemessung von Bauteilen und Verbindungen

Kapitel 3 bildet den Schwerpunkt des Buches. Es enthält zahlreiche Berechnungs-beispiele, wobei die Nachweise nach DIN 18800 und Eurocode 3 geführt werden. Jedem Themenschwerpunkt sind Konstruktionsbeispiele und Erläuterungen zu den Konstruktionsprinzipien und Berechnungsmethoden vorangestellt.

Kapitel 4 Geschraubte Verbindungen

Kapitel 4 enthält alles, was für geschraubte Verbindungen von Bedeutung ist. Schwer-punkte sind die Wirkungsweise, die Beanspruchung und die Beanspruchbarkeit von geschraubten Verbindungen. Dabei wird auf DIN 18800 und den Eurocode 3 einge-gangen und Bemessungshilfen in Form von Tabellen und Diagrammen zur Verfugung gestellt. Darüber hinaus werden die Grundlagen zur Berechnung von Kräften in Schrauben vermittelt.

Kapitel 5 Geschweißte Verbindungen

Die Konzeption von Kapitel 5 entspricht sinngemäß der von Kapitel 4 „Geschraubte Verbindungen".

Kapitel 6 Weitere Verbindungsmittel und -techniken

Während die Kapitel 4 und 5 ausführlich das Schrauben und Schweißen behandeln, werden in Kapitel 6 als Ergänzung weitere Verbindungsmittel und -techniken, wie z.

1.3 Bezeichnungen 5

B. Niete, Bolzen, Zuganker, Dübel, Verankerungsschienen usw., vorgestellt. Dabei wird insbesondere auf die Ausführungen in den Kapiteln 2 und 4 zurückgegriffen.

Kapitel 7 Konstruktionen mit nicht vorwiegend ruhenden Beanspruchungen

In den Kapiteln 4 und 5 werden die geschraubten und geschweißten Verbindungen ausschließlich unter vorwiegend ruhender Belastung behandelt. Kapitel 7 enthält ent-sprechende Ergänzungen, wenn nicht vorwiegend ruhende Beanspruchungen auf-treten, d.h. dort wird auf die Ermüdung und Betriebsfestigkeit eingegangen.

1.3 Bezeichnungen

Grundlage für die Bezeichnungen sind DIN 1080 und DIN 18800. Davon abweichen-de Bezeichnungen nach dem Eurocode 3 werden am rechten Rand angegeben.

Koordinaten, Ordinaten und Bezugspunkte

x Stablängsrichtung y, z Hauptachsen in der Querschnittsebene ω normierte Wölbordinate s Profilordinate S Schwerpunkt M Schubmittelpunkt

Verschiebungsgrößen

u Verschiebung in x-Richtung v Verschiebung in y-Richtung w Verschiebung in z-Richtung v' Verdrehung um die z-Achse w' Verdrehung um die y-Achse θ Verdrehung um die x-Achse θ ' Verdrillung

Einwirkungen, Lastgrößen

qx? %, qz Streckenlasten Fx , Fy , F z Einzellasten mx Streckentorsionsmoment MxL Lasttorsionsmoment MyL, MzL Lastbiegemomente MCOL Lastwölbbimoment

6 1 Übersicht

Schnittgrößen

N V V

v y? v z My,Mz Mx Mxp, Mxs Μω Index el: Index pl: Index d: Index k:

Längskraft, Normalkraft Querkräfte Biegemomente Torsionsmoment primäres und sekundäres Torsionsmoment Wölbbimoment Grenzschnittgrößen nach der Elastizitätstheorie Grenzschnittgrößen nach der Plastizitätstheorie Bemessungswert (design) charakteristischer Wert

Spannungen

σχ, σγ, σζ Normalspannungen xxy, τχζ, Tyz Schubspannungen σν Vergleichsspannung

Werkstoffkennwerte

E G V

fy fu eu

Elastizitätsmodul Schubmodul Querkontraktion, Poissonsche Zahl Streckgrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung

Teilsicherheitsbeiwerte

YM YF

Beiwert für die Widerstandsgrößen Beiwert für die Einwirkungen (foro

Querschnittskennwerte

A Ay? Az

Ico IT

wy,wz Sy, 0 Z

Fläche Hauptträgheitsmomente Wölbwiderstand Torsionsträgheitsmoment Widerstandsmomente statische Momente

1.3 Bezeichnungen 7

Geschraubte Verbindungen

dL ¿Seh Ad fU,b,k fy,b,k

va Va,R,d aa ^a,R,d V! Vi s R s d ai Gl,R,d N NR,d Asch ASp K e, e3 ^ι, e2 vg Vg,R,d

μ Fv Index b:

Lochdurchmesser Schaftdurchmesser Nennlochspiel Zugfestigkeit des Schraubenwerkstoffs Streckgrenze des Schraubenwerkstoffs Abscherkraft in einer Schraube Grenzabscherkraft einer Schraube Beiwert zur Ermittlung von Va,R,d Grenzschubspannung Lochleibungskraft Grenzlochleibungskraft Beiwert zur Ermittlung von Vi?R?d Grenzlochleibungsspannung Zugkraft in einer Schraube Grenzzugkraft einer Schraube Schaftquerschnitt Spannungsquerschnitt Abstützkraft Lochabstände Randabstände Abscherkraft beim Gebrauchtauglichkeitsnachweis Grenzgleitkraft Reibungszahl Vorspannkraft Schrauben, Niete, Bolzen (bolt)

Geschweißte Verbindungen

σΙΙ τιι σ± τ± Gw,v

^w,R,d

aw a Aw CEV Index w:

Normalspannung in Richtung der Schweißnaht Schubspannung in Richtung der Schweißnaht Normalspannung senkrecht zur Schweißnaht Schubspannung senkrecht zur Schweißnaht Vergleichswert Grenzschweißnahtspannung Beiwert zur Ermittlung von GW^¿ rechnerische Schweißnahtdicke rechnerische Schweißnahtfläche Kohlenstoffäquivalent Schweißen (welding)

EC 3: do d

Fv,Ed Fv,Rd

Fv,Ed Fb,Rd

Ft,Ed

Ft,Rd A As Q PbP2

^ v,Ed,ser

-Γ s,Rd,ser

P?cd

8 1 Übersicht

1.4 Internetadressen für weitere Informationen

Verbindungsmittel für den Stahl- und Verbundbau werden häufig von entsprechend spezialisierten Herstellern angeboten. In vielen Fällen stellen sie den Anwendern technische Informationen und Bemessungshilfen zur Verfugung. Als Hilfe für eine Kontaktaufnahme sind in Tabelle 1.1 einige Internetadressen zusammengestellt.

Tabelle 1.1 Zusammenstellung von Internetadressen

Internetadresse www.kindmann.de

www.anker.de

www.august-friedberg.de

www.bauen-mit-stahl.de

www.bauregeln.de

www.beuth.de

www.bolzenschweisstechnik.de

www.dibt.de

www.din.de

www.dorma-glas.de

www.dvs-ev.de

www.ejot.de

Firma

Anker Schroeder, Dortmund

Friedberg GmbH, Gelsen-kirchen

BAUEN MIT STAHL

Beuth Verlag, Berlin; Verlags-gesellschaft Rudolf Müller, Köln Beuth Verlag, Berlin

Fa. Köster, Ennepetal

Deutsches Institut für Bau-technik

Deutsches Institut für Normung, Berlin

DORMA-Glas GmbH, Bad Salzuflen

DVS - Deutscher Verband für Schweißen

EJOT, Bad Laasphe

Bemerkung/Bezug Hinweise zum vorliegenden Buch

Zuganker Abschn. 6.5 und 6.6

Schrauben

Stahlbau allgemein

Normen

Normen

Kopfbolzendübel Abschn. 6.10 und 6.11

Bauen allgemein

Normen

RODAN Zugstäbe, Glasklemmhalter

Schweißen

Verbindungsmittel Abschn. 6.12 und 6.13

1.4 Intemetadressen fur weitere Informationen 9

Internetadresse www.fischerwerke.de

www.fischerprofile.de

www.fuchs-schrauben.de

www.goldbeck.de

www.gsi-slv.de

www.halfen.de

www.hbs-info.de

www.hilti.de

www.tks-bau.com

www.ifbs.de

www.jordahl.de

www.mero.de

www.nelson-europe.de

www.peikko.de

www.peiner-ut.de

www.pfeifer.de

Firma A. Fischer GmbH, Waldachtal

Fischer Profil GmbH, Netphen-Deuz

Fuchs Schraubenwerk, Siegen

Goldbeck Bau GmbH, Bielefeld

GSI-SLV - Gesellschaft für Schweißtechnik

HALFEN-DEHA, Langenfeld

HBS Bolzenschweiß-Systeme, Dachau

Fa.Hilti, Kaufering

Hoesch Siegerlandwerke, Siegen

Industrieverband zur Förderung des Bauens mit Stahlblech, Düsseldorf JORDAHL, Berlin

Mero GmbH, Würzburg

Nelson Bolzenschweißen, Gevelsberg

PEIKKO GmbH, Waldeck

Peiner Umformtechnik

Pfeifer Seil- und Hebetechnik GmbH, Memmingen

Bemerkung/Bezug Dübel Abschn. 6.9

Stahltrapezprofile, Sandwichbauteile, u. ä.

Schrauben

Stahlbau/Zugstäbe Abschn. 6.5

Schweißen

Ankerschienen Abschn. 6.15

Kopfbolzendübel Abschn. 6.11

Dübel Abschn. 6.9

Stahltrapezprofile u.a. Abschn. 6.12

Verbindungsmittel für Stahlbleche Abschn. 6.12 und 6.13 Ankerschienen Abschn. 6.15

Fachwerkknoten, Glas-bau


Ankerschrauben Abschn. 6.8

Schrauben

Seile und Verankerungen Abschn. 6.14

10 1 Übersicht

Internetadresse www.reyher.de

www.sandwichbau.de

www.schrauben-normen.de

www.slv-duisburg.de

www.soyer.de

www.stahlbauforum.de

www.stahlbau-verband.de

www.stahl-info.de

www.stahl-online.de

www.wuerth.com

Firma F. ReyherGmbH, Hamburg

GALILEO, Deggendorf

Prandl, Solingen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt

Soyer Bolzenschweißtechnik, Wörthsee

LSS, Dortmund

Deutscher Stahlbau-Verband

Stahl-Informations-Zentrum

Verschiedene Organisationen zum Stahlbau

Adolf Würth GmbH, Künzelsau

Bemerkung/Bezug Schrauben

Polyurethan-Sandwich-bauteile

Schrauben

Schweißen


Stahl- und Verbundbau, zahlreiche Links

Stahlbau allgemein

Stahlbau allgemein

Stahlbau allgemein

Befestigungstechnik

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