Tragwerkssysteme und -typologien Bauteile aus ...¤sentation_Stahl_verkl3.pdf · Tragwerkssysteme...


- Reihe von Elementen Gliederung von verschiedenen Systemen durch Heino Engel

- Geometrie, Topologie, Materialeigenschaften und Mechanik

- schnittaktive Tragsysteme (a)

- vektoraktive Tragsysteme (b)

- formaktive Tragsysteme (c)

- !ächenaktive Tragsysteme (d)

a a b

c

d

Schnittaktive Tragsysteme

- lineare oder !ächige, steife Elemente

- Umlenkung von äusserer Kraft über innere Schnittkräfte

- Träger auf Stützen als Beispiel

- äussere Kräfte erzeugen Durchbiegung

- Rotationsgleichgewicht durch horizontale Scherkräfte

Träger/BalkenTräger/Balken

QuerschnittKräfte!uss im Balken

Träger/Balken

- horizontales Element auf vertikalen tragenden Elementen

- zentrierte Durchbiegung eines Trägers

- Kräfte!uss wird zum gestalterischen Thema

- Einsparungen von Material

- Reduzierung der Masse im Bereich der Stabachse

- Stabilitätsprobleme bei biegebeanspruchten Elementen „Kippen“

- Reihe von Standardquerschnitten

- Vereinfachung des Tragwerksentwurf

Doppel T-Träger

U-Träger

Platten

Platte

- ähnlich zum Balken im Bezug auf Beanspruchung

- lokale Differenzierungen im Querschnitt

- Materialkonzentrationen möglichst weit entfernt von neutraler Ebene

Roste

Rost

- zweiachsig gespannte fest verbundene horizontale Trägerraster

- mehrachsiger Lastabtrag Durchbiegung und Verdrehung erzeugen zusätzliche Tragwirkung

- lokale Differenzierungen im Querschnitt

Kräfte!uss im Rost

Vektoraktive Tragsysteme

Rost

- lineare Elemente

- können nur Kräfte in Achsenrichtung aufnehmen, kaum Biegebeanspruchungen

- gelenkige Dreiecksverbände

- Aufspaltung der äusseren Kräfte im Winkel 45° bis 60°

- Gleichgewicht durch geeignete Gegenkräfte, Vektoren

- Volle Ausnutzung des Querschnitts

- Lagerung und Querschnittsform wichtig für Knickverhalten

- vorteilhaft für senkrechte Tragsysteme

- können direkte Lasten abtragen und seitlich gegen Wind aussteifen

Dreiecksverband

Fachwerkträger

Stützen

- druck- und biegebeanspruchte lineare Tragelemente

- ermöglichen vertikalen Lastabtrag in einem Gebäude

- Querschnitt in Relation zu Lagerung wichtig für Stabilität

- einheitliche Raster für eine gleichmässige Verteilung der Stützen

Beanspruchung einer Stütze

Zugbeanspruchte Tragelemente und Seile

- gleichmässige Querschnitts!äche und gerade Systemachse

- können Kräfte über lange Strecken weiterleiten

- können auch formaktive Tragwirkung erlangen

- Seile aus Drahtlitzen

- Anordnung zueinander ist auf jeweilige Einsatzart abgestimmt

Beanspruchung Seil

Querschnitt Stahlseil

Fachwerkträger

- Tragelement zwischen vektorieller und !ächiger Tragwirkung

- wirtschaftlich

- grössere Spannweiten als mit Balkenträgern

Vierendeelträger

- entfaltet seine Tragwirkung über Biegebeanspruchungen

- werden über steif ausgebildeten Rahmenecken aufgenommen und weitergegeben

Vierendeelträger-Brücke in Grammene, Belgien

Raumfachwerke

- Ausweitung der Vorteile des Fachwerkträgers auf dritte Dimension

Formaktive Tragsysteme

- folgen mit ihrer Form dem Kräfteverlauf, es wirken ausschliesslich Normalkräfte

- erzeugen horizontale Kräfte im Au!ager

- reagieren stark auf veränderte Lasten

- ressourcenschonend, auf Grund des minimierten Materialeinsatzes

- eingeschränktes Formenrepetoir

- Zugbeanspruchte formaktive Tragsysteme: Hängeseile Membrankonstruktionen (a) pneumatische Systeme (b)

- Druckbeanspruchte formaktive Tragsysteme: Gewölbe (c) Schalen (d) Bögen

Druckbögen

- Umkehrung Kettenlinie

- ausschliesslich Druckkräfte

- Gefahr des Beulens oder Knickens

- gleichmässige horizontale Gleichstreckenlast: Parabelform

- unterschiedliche Lastfälle erfordern unterschiedliche Bogenformen

- nur Eigengewicht: Kettenlinie

- erzeugen horizontale Schubkräfte im Au!ager

La Sagrada Familia - Antoni Gaudi Hängeseilmodell

Tonnen, Schalen/Gitternetzschalen

- räumliche Krümmung verbessert Tragverhalten einer Platte

- mit Stahl meist aus linearen Bauelementen realisiert

- komplizierte Knotenpunkte mit hoher Biegebeanspruchung

- Zugseile erhöhen Schubfestigkeit: Bsp. Vierecksmaschen mit diagonalen Zugseilen

Gitterneztschale - mit diagonalen Zugseilen

Tonne

Geodätische Kuppeln

- Kugelgeometrie mit linearen Stabelementen ausgebildet

- Maschen als Drei-, Fünf- oder Achtecken

- Günstiges Verhältnis von Spannweite/Volumen zu Materialeinsatz

Geodätische Kugel

Kuppel mit reiner Druck- und ZugbeanspruchungKuppel mit reiner Druckbeanspruchung

Geodätische Kuppeln

Biosphère (Montreal) - Richard Buckminster Fuller

Freiformen

- Mitte 1990er-Jahre

- Durch Computertechnologie immer häu"ger Freiformen --> Serienproduktion nicht mehr günstiger als immer wechselnde Stablängen und Knotenwinkel

- Freiformen beein!usst durch architektonischen Entwurf

- Mischforme von Formaktiven Tragsystemen

Experience Music Project (Seattle) - Frank Gehry

Golden Terraces (Warschau) - The Jerde Partnership

Flächenaktive Tragsysteme

- Bauteile die in zwei Richtungen deutlich grösser dimensioniert sind als in die dritte

- Platte: Kraft wirkt senkrecht zur Fläche

- Scheibe: Kraftlinie verläuft parallel und in gleicher Ebene

Scheiben

- auf Zug beanspruchte Scheiben: Kastenträgern oder Stegbleche von Trägern

- voll!ächige auf Druck beanspruchte Scheiben im Stahlbau eher selten

- Knicken erfordert hohe Bauteildicke --> unwirtschaftlich

- Erhöhung der Beulstei"gkeit durch netz- oder rippenförmigen auf geschweissten Streifen

- Erhöhung der Beulste"gkeit durch Biegen

Faltwerke

- Kombinieren Tragwirkung von Platten und Scheiben

- Vergrösserung der Konstruktionshöhe

- entstehen Horizontalkräfte an den Au!agerpunkten

- im Stahlbau aus linearen Elementen und mit Plattenverkleidet

Rahmentragwerke

- Rahmen als Materialtypische Antwort auf Scheiben und Platten

- werden mit einem, zwei oder drei Gelenken ausgeführt

- desto mehr Gelenke, desto grössere Möglichkeit der Verformung

- Gelenke verhindern die Übertragung eines Moments ins nächste Bauteil

- Auskreuzung innerhalb der Rahmenebene erhöht horizontale Stabilität

- Biegefeste Verbindungen ermögliche Aufnahme von horizontalen Lasten und Reduzierung der Trägerhöhe

- Biegebeanspruchung führt zu grossen Stützenquerschnitten

- Biegesteife Rahmen sind weniger tolerant gegenüber konstruktiven Ungenauigkeiten und thermischen Verformungen


- Anwendungsgebiet im Stahlleichtbau

- Fertigung von Pro"len

- Bleche

- gezielte Erhöhung der Tragfähigkeit durch präzise Gestaltung der Querschnitte

kaltgeformte Pro"le

Herstellung

- Lieferung: beschichteter Bandstahl in Form von Coils

- Achtung bei der Weiterverarbeitung, damit Beschichtung nicht beschädigt wird

- Rollverformung durch ein Anlagensystem von verschiedenen Formwerkzeugen

- Pressen, Stanzen, Prägen, Ziehen, Kanten für kleine & massgeschneiderte Produktinsserien

- Bandstahl in Dicken von 0.63 – 1.5 mm erhältlich, bedingt durch die Kaltumformung

Stahl-Coils

Rollverformen von Stah

C- und Z- Pro!le

Z-Pro"le

C-Pro"l

- Anwendung im Leichtbau für Wandstützen, Pfetten und Riegel

- materialökonomisch

- wegen geringer Materialstärke anfällig gegen Beulen & Knicken

- Lippen zur Verstärkung von Flansch und Steg verstärkt die Tragfä-higkeit

- Einwalzen von Zwischenaussteifungen (Sicke / Versatz)

- Lastabtragungstabellen: Wert der kritischen Beulspannung beach-ten

- lineare Lastabtragungselemente von Dachkonstruktionen --> führen !ächige Lasten in eine punktförmige Lastabtragung

- Interaktion Pfetten/Riegel mit der Verkleidung

Pfettensysteme- Einfaches Pfettensystem: über jedem Rahmenabschnitt eine Pfette, System für geringe Belastung

- Überlappendes Pfettensystem: ineinander verschachtelte Z-Pro"le, System für grössere Belastung

Pfetten und Riegel

einfaches Z-Pfettensystem

überlappendes Z-Pfettensystem

- Anwendung im Fassadenbau für Wand- oder Deckenbekleidung, für Paneele, Geschossdecken im Stahlverbundbau

- Aussteifung durch Pro"lierung --> verbessert zudem die Beulstei"gkeit

- Korrosionsschutzmassnahmen bereits integriert (Feuerverzinkung/Beschichtung mit Kunststoff)

- Anwendung als Hochregalsystem: Funktion als Regal und Bestandteil des Tragwerk

Trapezblech

a: einfache Form ohne Sickenbildung

b: höhere Pro"le mit zusätzlicher Sickenbildung

c, d: vergrösserte Pro"lhöhen und zusätzliche Pro"lierung im Obergurtbereich

a

b

c

d

- kaltgeformte Pro"le für Hauptragwerke

- USA ist Vorreiter im Gebiet, Europa zieht nach

- Vorteile: schneller Baufortschritt hoher Vorfertigungsgrad hochwertige Ausführung Integration Versorgungsleitungen & andere Anbauten

Tragwerksysteme für niedrige Gebäude

- Zwei Grundbautypen: Platform-Frame / Balloom-Frame

- Unterschiede: Vorfertigungsgrad Primäre Befestigungsverfahren Art der horizontalen Lastabtragung oder Aussteifungsmechanismen

- Platform-Frame: Errichtung Ebene für Ebene Wände haben keine durchgehende Konstruktion Lasten der oberen Wände werden über die Geschossdecke an untere Wand geleitet Wandständer Fuss & Kopf durch horizontale miteinander verbunden Deckenbalken liegen auf oberer Schiene an Position der Wandständer

- Balloon-Frame: Wandscheiben über zwei oder mehreren Stockwerke durchlaufend Gechossdecken liegen seitlich an Wandständern

Rahmenbausysteme

- unterschiedliche Vorfertigungsgrade möglich

- Zusammensetzen auf Baustelle

- auch Teilkonstruktionen für Wände in Werk möglich

- kann auch Wärmedämmung, Beplankung und Endausbauwerke in Unterstruktur eingebaut werden

- Modulbauweise ermöglicht ganze Räume zu erstellen

Fertigung/ Montage

- Windlasten entgegenwirken

- Eigengewicht reicht nicht immer aus, um ein Abheben zu vermeiden

Stabilität niedriger Gebäuden

- Alternative zu Ständerwandsystem

- vertikal zwischen zwei horizontalen Schienen

- gelippte Stege miteinander verbunden (Wandpfosten)

- entsteht !ache Seite

- für Baustellenmontage nicht geeignet

- Detail weniger komplex als beim Ständerbau

- Vorteile: einfache Details (schneller Baufortschritt) sofort Wasserdichte Wände auf der Baustelle Vermeidung von Stabilitätsproblemen (gegenüber dem Ständerbausystem) keine Verstrebung gegen Windlast nötig

- tiefe der Kassetten beachten

- kann mit Wärmedämmung gefüllt werden

- meist nicht Primärtragwerk

Lastabtragende Konstruktionen aus Kassettenpro!len

- in manchen Fällen schwere Konstruktion

- wesentlich zwei Grundsysteme

- Stahlträger (C oder Z-Pro"l) mit hölzernen Deckenplatten. Au!agerung der Träger auf Ständer

- Geschossdecke Trapezpro"len. Die obere Fläche dient als Nutz!äche (Holz)

- Schwingungen beachten

Leichte Geschossdeckensysteme

- tragende Struktur in der horizontale Dachebene

- erlaubt kleine Öffnungen (Haustechnik / Oblichter/ ..)

- gilt als Bestandteil des Kassettenbausystems

- Problem: grosse Öffnungen

- beachte: Einschränkung in Bezug auf zukünftige Veränderung an Gebäude

Schalenbauweise

- Rain-Screen-System

- Metallverbundplatten – Sandwichpaneelen

- Dämmstoffe

- Verbindungen

Verkleidungssysteme in Stahlleichtbau

- vorgehängte und hinterlüftete Fassadenelemente

- Kassettenpaneele aus Stahl oder Aluminium bilden die äussere Schicht

- Elemente werden auf Unterkonstruktion aus Metall montiert

- häuftig werden auch andere Materialien als äussere Haut eingesetzt (z.B Tonziegel oder Terracottakacheln)

Rain-Screen-System

- man unterscheidet zwischen 2 verschiedenen Systemen:

System mit offenen oder freien Fugen Systeme mit einem dichten Ober!ächenabschluss

Rain-Screen-System

- dünne, beschichtete Stahlbleche voll!ächig mit dämmenden Kern verbunden

- !ach oder pro"lierte Bleche --> Ein!uss auf Tragfähigkeit und somit auf die Spannweite

- Metall kann Zug- und Druckkräfte aufnehmen

- Dämmung sollte genügend Fest sein um Scherkräfte aufzunehmen

Metallverbundplatten - Sandwichpaneele

Fügung von Sandwichpaneelen

Metallverbundplatten - Sandwichpaneele

Die Auswahl des Dämmmaterials hängt von den Anforderungen an die Wärmedäm-mung, Feuerbeständigkeit, Tragfähigkeit, Eigengewicht und Kosten ab.

Meistens eingesetzt da sehr guter Dämmwert:

Polyurthan- Hartschaum (PUR) Polyisocyanurat- Hartschaum (PIR)

Bei erhöhten Anforderungen an den Brandschutz oder Schallschutz:

Mineralwolle (MW)

Dämmstoffe

Konventionelle Verbindungen:

- Schraubverbindungen- Schweissverbindungen --> Gefahr des Durchbrennens --> Zerstörung des Korrosionsschutzes --> Bei verzinkten Ober!ächen kann dies die Schweissnaht negativ beein!ussen

- Blindnieten

- selbstbohrende und gewindeschneidende Schrauben

- Clinchen / Durchsetzfügen

Verbindungen

Nieten

Selbstbohrende Schraube

gewindeschneidende Schraube

Durchsetzfügen

Stahldecken - Allgemeines

- Stahldecken bestehend aus profilierten Blechen von 0.80mm bis 1.75mm Stärke mit Aufbeton. Die Profilierung hat meist trapezförmigen Querschnitt.

- Die Bleche kommen in Bahnen von 0.30m bis 0.90m Breite in den Handel.

- Die Bleche werden unbeschichtet oder verzinkt verwendet. Unbeschichtete Bleche erhalten an der Unterseite einen Korrosionsschutz.

Vorteile der Stahlblechdecke:- Geringes Gewicht der Decke- Schneller Einbau- Die Betonplatte benötigt keine Schalung- Die Decken sind nach der Montage sofort begehbar- Schutz für Arbeiten in unteren Stockwerken gegen h abfallenden Gegenstände

Nachteile der Stahlblechdecke:- Die Stahlblechdecke ist eine im Bauwerk nur verbleibende Schalung- Wenn sie tragend ist, ist eine besondere Feuerschutz- verkleidung von unten nötig- Bei Verbunddecken wird durch den Ortsbeton Nässe in den Bau gebracht

Verbunddecken

Verbunddecke 1:- Das Stahlblech ist nur eine Schalung und ermöglicht einen schnellen Bauablauf sowie ein sofortiges Abdecken der Trägerla- gen.

- Als Bewehrung werden Rundstähle benötigt.

- Die Decke wirkt wie eine Betonrippendecke.

Verbunddecken

Verbunddecke 2:- Verbund zwischen Blech und Betonplatte. - Das Stahlblech bildet zusammen mit der Betonplatte einen Verbundquerschnitt.

- Das Stahlblech bildet die Bewehrung der Betonplatte.

- Die Übertragung der Schubkräfte von der Betonplatte in das Stahlblech erfolgt durch eingewalzte Nocken oder Rippen

Verbunddecken

Verbunddecke 3:- Verbund zwischen Betonplatte und Träger.

- Durch das aufgelegte Stahlblech hindurch werden auf den Ober- !ansch des Trägers Kopfbolzendübel geschweisst. Hierdurch bildet die Betonplatte mit dem Träger einen Verbundquerschnitt.

- Statisch wirksam ist nur die Schicht über den Rippen.

- Sehr wirtschaftliche Konstruktion.

Verbunddecken

Verbunddecke 4:- Die Holorib-Decke hat ein Blech mit eingewalzten schwalbenschwanzförmigen Rippen.

- Die Betonplatte ist selbsttragend und entsprechend zu bewehren.

- Das Blech dient nur als Schalungsträger.

- Schwalbenschwanzförmige Rippen dienen zur Befestigung von Unterdecke und Installationen.

Strukturen – Rahmen mit auskragenden Trägern

- Die Tragstruktur besteht aus einer Aneinanderreihung von Rahmen mit zurückliegenden Stützenpaaren.

- Da die Stützen unterbrochen sind, müssen die Träger zur Ableitung der Vertikallasten mit Rippen verstärkt werden.

Strukturen – Rahmen mit auskragenden Trägern

D1: - Eine Sekundärkonstruktion auf einer Balkenlage, die auf den Hauptträgern au!iegt.

- Unterschied zu den Sekundärträgern, erlaubt die Überlagerung das Führen von Leitungen in Querrichtung zu den Rahmen.

- Der Gehbelag wird je nach Anforderung ausgewählt.

D2/D3: - Keine Sekundärkonstruktion.

- Trapezbleche bilden die Konstruktion.

- Bei D2 als reine Trockenbauweise mit einer Verlegeplatte als Trä- ger für den Bodenbelag. - Bei D3 in Verbund mit einem armierten Überbeton. Deckenaufbau D1:

Bretterlage 27mmStahlträger IPE 160 160mmTotal 187mm

Deckenaufbau D2:Verlegeplatte 27mmGummitrennlage 20mmTrapezblech 160mmTotal 207mm

Deckenaufbau D3:Überbeton armiert 120mmHoloribblech 50mmTotal 170mm

Strukturen – Rahmen mit durchlaufenden Stützen

- Die Tragstruktur besteht aus einer Aneinanderreihung von Rahmen mit durchlaufenden Stützen.

- Die Stützen stehen hier direkt an der Fassade, wodurch sie den Raum kaum tangieren.

- Jedoch muss bei dieser Variante die Dimensionen der Stützen etwas stärker dimensioniert werden als bei den Rahmen mit au kragenden Trägern, da die Spannweiten grösser sind.


D4: - Dieser Deckenaufbau basiert analog zur Variante D1.

- Jedoch ist die Sekundärkonstruktion nicht auf die Hauptträger gelegt worden, sondern liegt zwischen den Hauptträgern.

- Das Führen von Installationen senkrecht zu den Rahmen benötigt Löcher in den Trägern. Solche Löcher können auch im Sinn eines Loch- oder Wabenträgers auf die ganze Trägerlänge verteilt werden.

D5: - Eine Rippendecke, bei der Trapezbleche zwischen den Hauptträger gehängt und ausbetoniert wird.

- Aufgrund vorgängig auf die Träger geschweisster Bolzen geht die Deckenkonstruktion einen festen Verbund mit der Primärstruktur ein.

- Das Einhängen der Bleche erfolgt über Stahlknaggen, die in der Werkstatt auf die Träger geschweisst werden.

Deckenaufbau D4:Brettschichtholzplatte 27mmStahlträger IPE 160 160mmTotal 187mm

Deckenaufbau D5:Überbeton 120mmStahltrapezblech 200mmTotal 320mm


Stahl!achdecke mit tiefenTrapezpro"len

1. Stahlverbundträger2. Kammerbeton3. Stahltrapezpro"l4. Stahlknagge (25x35mm)5. Kopfbolzendübel6. Kunststoffabdichtkappe7. Z-Abdichpro"l8. Stahlbetonrippendecke


Beispiel Baustelle:

Strukturen – Ungerichtetes Skelett

- Die Tragstruktur besteht aus einem ungerichteten Skelett mit Stützen aus RHS-Pro!len, die den Trägern – im Unterschied zu Doppel-T-Pro!len – allseitig die gleiche Anschlusssituation bieten.

- Die Stützen sind durchlaufend, welches ein auf beliebiger Höhe anbringen der Träger ermöglicht.


D6:- Basiert auf vorfabrizierten Spannbetonhohlplatte, welche vorge- spannt sind und bis zu 12m überbrücken kännen.

- Die Hohlräume dienen allein der Gewichtseinsparung.

- Installationen müssen unterhalb der Decke angebracht werden.

- Der grosse Vorteil bei dieser Lösung liegt in der Trockebauweise.

D7:- Dieser Deckenaufbau basiert analog zur Variante D5 eine Rippen- decke.

- Es werden wiederum Trapezbleche zwischen die Hauptträger gelegt und ausbetoniert.

- Die Leitungsführung ist hier zwischen den Rippen möglich.

- Als Verbundkonstruktion dient die Decke auch der horizontale Aussteifung des Gebäudes.

Deckenaufbau D6:Zementunterlagsboden 80mmTrittschalldämmung 20mmSpannbetonplatten 220mmTotal 320mm

Deckenaufbau D7:Überbeton 120mmStahltrapezblech 200mmTotal 320mm


Stahl!achdecke mit tiefenTrapezpro"len

1. Verbundstütze2. Flachdeckenträger3. Gurtplatte4. Kopfplatte5. Schottblech6. Pro"lblech7. Kopfbolzen8. Ortbeton9. Rippen- Längsbewehrung


SpannbetonhohldeckeTröger mit breiterem Untergurt alsAu!ager der Deckenplatte


Beispiel Baustelle:

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