Stahlbau

Berechnung von Stahlbauten mit zahlreichen Beispielen

Jörg Laumann, Christian Wolf, Wolfram Lohse
25., überarb. und akt. Auflage.
2016, XIII, 572 S., Literaturverz. 24 cm, Hardcover
Vieweg+Teubner
ISBN 978-3-8348-0867-7

Inhalt

Erfolgreiches Bauen setzt neben dem Wissen von Werkstoffeigenschaften und Korrosions- und Brandverhalten fundierte Kenntnisse in der Statik und Festigkeitslehre, aber auch eine gründliche Ausbildung in den wesentlichen Konstruktionsprinzipien dieser speziellen Bauweise voraus. Das Buch widmet sich diesen Konstruktionsprinzipien und vermittelt das hierfür notwendige Grundwissen. Es werden die wichtigsten Konstruktions- und Bemessungsregeln für Vollwandträger, Fachwerkträger, Fachwerke, Kranbahnen, Rahmentragwerke sowie für Tragelemente mit dünnwandigen Querschnittsteilen behandelt. Neben der ausführlichen zeichnerischen Dokumentation der Konstruktionen werden in verständlicher und umfassender Weise die zugehörigen Nachweise in Form vieler Berechnungsbeispiele dargestellt. Basis aller Berechnungen sind nun die neuen deutschen (DIN 18800-1 bis -2) und europäischen Normen (EC 3 (Stahlbau)). Die Verbundkonstruktionen aus Stahl und Beton werden auf der Grundlage des EC 4 (Verbundbau) in einem eigenen Abschnitt behandelt. Ebenfalls sind Dauer- und Betriebsfestigkeit des Stahls bei dynamischer Beanspruchung mit den zugehörigen Nachweisen ein ausführliches Thema innerhalb des Buches.

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Inhaltsverzeichnis

Werkstoffe, Ausführung und Schutz der Stahlbauten - Berechnung der Stahlbauten - Verbindungstechnik - Zugstäbe - Hochfeste Zugglieder - Druckstäbe, Knicken von Stäben und Stabwerken - Stützen - Trägerbau - Literatur - Anhang - Formeln und Begriffe nach DIN 18800-1 bis -2

Autoreninfo

Professor Dr.-Ing. Wolfram Lohse, Beratender Ingenieur und Schweißfachingenieur, lehrte an der Fachhochschule Aachen Stahl- und Verbundbau, Baustatik und Schweißtechnik. Er ist Prüfingenieur für Baustatik im Metallbau und bautechnische Nachweise im Eisenbahnbau.

Professor Dr.-Ing. Jörg Laumann lehrt in Aachen Stahl- und Verbundbau, ist Partner des Ingenieurbüros Laumann und Partner mit Niederlassungen in Emsdetten und Ahaus, ist Prüfingenieur für Baustatik für die Fachrichtungen Metall- und Massivbau, ist staatlich anerkannter Sachverständiger für die Prüfung der Standsicherheit sowie Schall- und Wärmschutz, ist in zahlreichen Ausschüssen im Bereich des Bauwesens und der Normenentwicklung tätig.

Professor Dr.-Ing. Christian Wolf, Beratender Ingenieur und Schweißfachingenieur (IWE), lehrt an der HTW Dresden Stahl- und Verbundbau

Publikationslisten zum Thema:
Stahlbau, Bemessung, Eurocode, Konstruktionsprinzip, Bemessungsregel, Vollwandträger, Fachwerkträger, Fachwerk, Kranbahn, Rahmentragwerk, Nachweisführung, Berechnungsbeispiel, Norm, Eurocode 3, Eurocode 4, Dauerhaftigkeit, Betriebsfestigkeit,

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Handbuch Eurocode 3 - Stahlbau, 7, Kranbahnen
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Von DIN konsolidierte Fassung
2., Aufl.
2020, 68 S., 297 mm, Softcover
Beuth

Um die Arbeit mit den Eurocodes zu erleichtern, wurden die Inhalte der einzelnen Normteile mit den jeweils zugehörigen nationalen Anhängen so zusammengefügt, dass der Anwender die jeweils relevanten Textpassagen an einer Stelle und auf einen Blick findet. Dieses Handbuch zum Eurocode 3 Stahlbau - Kranbahnen enthält folgende Dokumente im konsolidierten Originaltext: DIN EN 1993-6:2010-12 Kranbahnen und DIN EN 1993-6/NA:2010-12 Nationaler Anhang.

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2., Aufl.
2020, XIV, 504 S., 333 SW-Abb., 65 Tabellen. 244 mm, Softcover
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Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird seit vielen Jahren im Stahlbau als Standardverfahren zur Berechnung und Bemessung von Tragwerken benutzt. Nach einer Einführung in die Methodik und Erläuterungen zum Verständnis konzentriert sich das Buch auf die Ermittlung von Schnittgrößen, Verformungen, Verzweigungslasten und Eigenformen für Stahlkonstruktionen. Neben linearen Berechnungen für Tragwerke bilden die Stabilitätsfälle Biegeknicken, Biegedrillknicken und Plattenbeulen mit der Ermittlung von Verzweigungslasten und Berechnungen nach Theorie II. Ordnung wichtige Schwerpunkte. Hinzu kommt die Untersuchung von Querschnitten, für die Berechnungen mit der FEM zukünftig stark an Bedeutung gewinnen werden. Für praktisch tätige Ingenieure und Studierende gleichermaßen werden alle notwendigen Berechnungen für die Bemessung von Tragwerken auf Grundlage der europäischen Normen (Eurocode 3) anschaulich dargestellt. Dabei wird auch die Ermittlung der Grenztragfähigkeit stabilitätsgefährdeter Stützen und Träger nach der Fließzonentheorie eingehend behandelt, da zu erwarten ist, dass diese Berechnungsmethode zukünftig vermehrt in der Baupraxis verwendet werden wird. Darüber hinaus wurden für die 2. Auflage insbesondere die Berechnungsbeispiele ergänzt und vertieft.

Thomas Bauer, Thomas M. Hensel, Thomas M. Holze
Straßenbrücken in Stahlbauweise nach Eurocode
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Beispiele prüffähiger Standsicherheitsnachweise Bemessung einer stählernen Stabbogenbrücke nach Eurocode 0, 1 und 3
2., Aufl.
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Beuth

In dem Band wird die Bemessung einer stählernen Straßenbrücke anhand eines praxisnahen Beispiels vorgestellt. Das Beispiel ist so aufbereitet, dass sich der Leser schnell und effektiv in die neue Normengeneration der Eurocodes einarbeiten und alle wesentlichen Nachweise mit Handrechnungen nachvollziehen kann. Die prüffähige statische Berechnung umfasst alle wesentlichen Standsicherheitsnachweise des Überbaus einer Stabbogenbrücke. Grundlage der Berechnung sind die Eurocodes mit den Ergänzungen in den Einführungsschreiben des Bundesministers für Verkehr und digitaler Infrastruktur (ARS 22/2012). Aus dem Inhalt: - Prüffähige komplette Standsicherheitsnachweise einer stählernen Stabbogenbrücke nach Eurocode; - Einwirkende Last- und Weggrößen auf Straßenbrücken nach Eurocode; - Schnittgrößenermittlung; - Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nach Eurocode.

Claus Goralski
Hochfeste Kammerbetonierte Verbundträger
Berechnungsgrundlagen, numerische und experimentelle Untersuchungen, neue Bemessungskonzepte für den Verbundquerschnitt und die Verbundfuge
2008, 308 S., 220 mm, Softcover
VDM Verlag Dr. Müller

Im Verbundbau werden Teilquerschnitte aus bewehrtem Beton und Baustahl schubfest miteinander verbunden. Durch den gezielten Einsatz von Kammerbeton kann die Biege- und Querkrafttragfähigkeit von Verbundquerschnitten, insbesondere beim Einsatz hochfester Materialien, nennenswert gesteigert werden. Damit Kammerbeton und Stahlprofil zusammenwirken, ist eine ausreichende Verbundsicherung des Kammerbetons erforderlich. Neben dem Traganteil der Verbundmittel treten zwischen Stahl und Beton verschiedene Reibverbundmechanismen auf, die eine zusätzliche Verbundwirkung hervorrufen. Die Einflüsse aus dem Zusammenwirken von Kammerbeton und Stahlprofil auf das Trag- und Verformungsverhalten hochfester Verbundquerschnitte werden in der Arbeit grundlegend untersucht. Anhand eigener experimenteller Untersuchungen und umfangreicher nichtlinearer Finite-Elemente-Berechnungen wurden Bemessungsregeln hergeleitet. Die rechnerischen Verfahren zur Bestimmung der plastischen Momententragfähigkeit und zur Verdübelung des Betons unter Berücksichtigung der Reibverbundanteile ermöglichen es, die Verbundfuge zwischen Kammerbeton und Stahlprofil sicher und wirtschaftlich zu bemessen.

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Forschungsberichte

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Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger durch die Schubsteifigkeit zweiseitig gelagerter Trapezbleche

Helmut Saal, Markus Dürr
Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger durch die Schubsteifigkeit zweiseitig gelagerter Trapezbleche
Bauforschung, Band T 3114
2006, 31 S., 25 Abb., 8 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

Durch den Ansatz der stabilisierenden Wirkung angrenzender Bauteile (wie zum Beispiel Stahltrapezprofile), die den stabilitätsgefährdeten Druckgurt stützen, kann die Grenztragfähigkeit biegedrillknickgefährdeter Profile gesteigert werden. DIN 18800-2:1990-11 gibt eine Bedingung für die erforderliche Schubsteifigkeit angrenzender Trapezprofile, bei deren Einhaltung die Anschlussstelle als in Trapezblechebene unverschieblich gehalten angesehen werden darf. Der Beuth-Kommentar zur DIN 18800-2 hebt hervor, dass eine Schubsteifigkeit S nur dann vorliegt, wenn das Schubfeld an allen Randträgern befestigt ist und die aus der Schubfeldwirkung resultierenden Kräfte aufgenommen werden können. Da eine allseitige Befestigung der Trapezbleche konstruktiv sehr aufwendig ist und zum Teil nicht der durch die Profilierung bestimmten einachsigen Lastabtragung dieser Bauteile entspricht, werden Stahltrapezprofile in der Praxis jedoch nur an den zur Lastabtragungsrichtung rechtwinkligen Rändern an die Unterkonstruktion angeschlossen. Aufgrund dieser konstruktiven Ausbildung darf die stabilisierende Wirkung mangels Kenntnissen nicht in Rechnung gestellt werden. Als Ergebnis des Forschungsvorhabens liegt eine Regel für die Ermittlung der Schubsteifigkeit von nur an den Querrändern gelagerten Trapezblechscheiben vor. Damit kann für diesen in der Praxis am häufigsten anzutreffenden Fall die Schubbettung der Trapezbleche für die Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger angesetzt werden. Auf diese Weise kann künftig eine sehr vorteilhafte Tragwirkung beim Tragfähigkeitsnachweis genutzt werden, die bisher nur mangels der entsprechenden Rechenhilfsmittel nicht genutzt wurde. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten parametrischen FE-Berechnungen mit ihrer experimentellen Verifikation gehen weit über das bei konkreten Einzelprojekten mögliche hinaus. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wirken auch dem unzulässigen Ansatz unbegründeter, möglicherweise zu großer Schubsteifigkeiten und den damit verbundenen Gefahren entge

Peter Schaumann, Florian Kettner, Alexander Heise
Tragwerksbemessung für den Brandfall bei Verbundtragwerken
Schlussbericht
Bauforschung, Band T 3089
2005, 63 S., m. 33 Abb. 30 cm,
Fraunhofer IRB Verlag

Bei der Überführung der Eurocodes für die brandschutztechnische Bemessung von Stahlverbundbauteilen von der ENV- in die EN-Version sind neue Kennwerte für die Berechnung der Erwärmung definiert und einige Bemessungsverfahren verändert worden oder neu hinzugekommen. Darüber hinaus enthält die EN-Fassung einige Angaben, die in den einzelnen Mitgliedsländern im Rahmen der National Determined Parameter dem nationalen Sicherheitsniveau entsprechend festzulegen sind. Insgesamt ist sicherzustellen, dass das derzeitige Bemessungsniveau allgemein und die bestehenden Bemessungstafeln und vereinfachten Berechnungsverfahren speziell im Bemessungsergebnis nicht spürbar verändert werden. Dazu ist in einer Studie anhand signifikanter Beispiele der Vergleich zwischen den bestehenden Regelungen und denen nach EN-Fassung durchzuführen und zu werten. Die identifizierten Änderungen werden anhand der einzelnen Nachweisebenen des Eurocodes (Level 1 bis 3) gegliedert und analysiert. Abschließend werden die Änderungen in den einzelnen Nachweisebenen ganzheitlich betrachtet und das Sicherheitsniveau der EN-Version im Vergleich zur ENV-Fassung beurteilt. Auf der Ebene der Bemessungstabellen haben sich Änderungen für Verbundstützen aus kammerbetonierten 1-Profilen oder betongefüllten Rundrohren ergeben. Die Änderungen können als wissenschaftlich abgesichert und das Sicherheitsniveau im Vergleich zur ENV-Fassung als eingehalten betrachtet werden. Für den Nachweis von Verbunddecken im Brandfall ist in der EN-Fassung ein neues vereinfachtes Bemessungsverfahren implementiert worden. Ein Vergleich mit den in Deutschland vorliegenden Zulassungen des Deutschen Instituts für Bautechnik zeigt, dass das Eurocode-Verfahren besonders bei positiver Momentenbeanspruchung zu konservativen Ergebnissen führt und ein Nachweis der Längsschubtragfähigkeit fehlt. Bei dem Nachweis von ungeschützten Verbundträgern ist in der EN-Fassung ein erhöhter Emissionsbeiwert und ein Abschaffungseffekt zu berücksichtigen. Insgesamt führt die Berechnung zu etwas geringeren

Ermüdungssicherheit imperfekter vorgespannter Ringflanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Stahlbauten

Herbert Schmidt, Alexander Jakubowski
Ermüdungssicherheit imperfekter vorgespannter Ringflanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Stahlbauten
Bauforschung, Band T 2978
2002, 170 S., Abb., Tab., Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

Die Montagestöße turmartiger, kreiszylindrischer oder konischer Stahlbauten (Windenergietürme, Maste, Schornsteine) werden häufig als planmäßig vorgespannte geschraubte L-Ringflanschverbindungen ausgebildet. Der Bericht untersucht den Einfluss von Flanschklaffungen auf das innere Kräftespiel in L-Flansch-Stößen unter Rohrbiegung und analysiert die daraus resultierende Ermüdungsbeanspruchung der Schrauben. Das hierfür aufzubauende FE-Modell wurde experimentell validiert, indem großmaßstäbliche Rohrbiegeversuche an Ringflanschstößen durchgeführt wurden. Beschrieben werden die insgesamt vier Experimente, welche an einem perfekten Prüfflanschstoß, einem planmäßig imperfekten Stoß mit flanschseitiger Winkelklaffung, einem planmäßig imperfekten Stoß mit rohrseitiger Winkelklaffung sowie an einem planmäßig imperfekten Stoß mit Parallelklaffung durchgeführt wurden. Erläutert werden der Aufbau des FE-Modells mit Hilfe des Programmsystems ANSYS, dessen Validierung anhand der Versuchsergebnisse sowie eine numerische Parameterstudie, die an Ringflanschen mit zwei ausgewählten baupraktischen Ringflanschgeometrien durchgeführt wurde. Die Imperfektionsparameter wurden variiert und die damit berechneten Schraubenbeanspruchungsfunktionen miteinander verglichen. Der Forschungsbericht zieht aus den Untersuchungsergebnissen Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis und gibt Ausführungsempfehlungen.

A. Rusch
Grenz-(b/t)-Verhältnisse in Abhängigkeit der Belastung unter besonderer Berücksichtigung von Imperfektionen. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2952
2000, 68 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

Die Beulkurven, die derzeitig in DIN 18 800 und Eurocode 3 festgelegt sind, bestimmen die Tragfähigkeit von beulgefährdeten Querschnitten (Querschnittsklasse 4). Aus den Beulkurven ergibt sich gleichzeitig der Grenzfall, ab dem ein örtliches Beulen nicht mehr rechnerisch zu berücksichtigen ist. Den Grenzwerten für das Verfahren Elastisch-Plastisch (bzw. Querschnittsklasse 2) ist dabei besonderes Augenmerk zu widmen, da diese einzuhalten sind, um die vereinfachten Stabilitätsnachweise nach DIN 18 800-2 führen zu dürfen. Die derzeit in den maßgebenden Regelwerken vorgesehenen Beulkurven können auf der unsicheren Seite liegen, sofern geometrische Imperfektionen in Anlehnung an die in DIN 18 800-3 festgelegten Höchstwerte der unvermeidbaren Herstellungsungenauigkeiten angesetzt werden. Eigene Untersuchungen, bei denen auch Eigenspannungen berücksichtigt wurden, zeigten einen Widerspruch zwischen numerisch ermittelten Traglasten und empirischen Erfahrungswerten. Dieser konnte nur dadurch aufgelöst werden, daß statt schlimmstmögliche, nur anregende Imperfektionen in Ansatz gebracht wurden. Eine Verschärfung der in den Normen verwendeten Beulkurven wird dann nicht als notwendig erachtet. Bezüglich der Grenz-(b/t)-Verhältnisse werden z.T. deutlich strengere Grenzwerte gefordert, weil sich für auf die derzeitigen (b/t)-Verhältnisse optimierten Querschnitte zu hohe Traglasten ergeben würden. Numerische Rechnungen zeigen zwar gewisse Unzulänglichkeiten der derzeitigen Regelungen auf, geben jedoch nicht genügend Anlass, die derzeitigen Grenzwerte zu verschärfen.

Joachim Lindner, A. Rusch
Interaktionsgleichungen für das Biegeknicken bei Druck und zweiachsiger Biegung. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2895
1999, 90 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

Für stabilitätsgefährdete Bauteile und Bauwerke ist generell eine Berechnung nach Elastizitätstheorie 11. Ordnung möglich. Bei der praktischen Anwendung dominiert aber in Deutschland und auch international immer noch die Verwendung von Interaktionsgleichungen. Bei Diskussionen zur europäischen Normung wurden Zweifel laut, ob die im Eurocode 3, Abschn. 5.5. vorhandenen Interaktionsgleichungen für den Fall von Druck und Biegung hinreichend sicher sind. Es wurden Parameterstudien durchgeführt, die aus Traglastberechnungen bestehen. Diese Traglastberechnungen wurden unter Berücksichtigung des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens, von Eigenspannungen, von geometrischen Imperfektionen und der Ausbreitung plastischer Zonen in Stablängsrichtung durchgeführt. Die vorhandenen Interaktionsgleichungen des Eurocode 3 weisen ein hinreichendes Sicherheitsniveau auf, sind zum Teil aber etwas unwirtschaftlich. Zum anderen erwies sich ein gemeinsam mit Prof. Greiner/Graz erarbeitetes Nachweisformat sowohl als sicher als auch als wirtschaftlich.

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Lüddecke, Falk; Zipfel, Bernadette; Schwedler, Michael; Al Otaibi, Walid
Vibrationsinstallierte Monopfahlgründungen von Offshore-Windenergieanlagen. Herausforderungen für eine ermüdungssichere Bemessung
Stahlbau, 2021

Kettler, Markus; Unterweger, Harald; Ebner, Dieter
Lokale Spannungen in Kranbahnträgern mit Längssteifen. Experimentelle und numerische Untersuchungen
Stahlbau, 2021

Geiger, Martin; Twiehaus, Thorsten; Klingschat, Sven; Geffers, Christoph
Vergleich der statischen Festigkeit von Lichtbogen- und Laserschweißverbindungen. Anwendungen aus unlegiertem Baustahl am I-Stoß und T-Stoß im Dünnblechbereich
Stahlbau, 2021

Javidmehr, Sara; Empelmann, Martin
Schrägrissbildung von Stahlbetonbalken unter zyklischer Querkraftbeanspruchung
Bauingenieur, 2021

Unterweger, Harald; Derler, Christoph
Ermittlung von Inspektionsintervallen für Rissprüfungen an historischen genieteten Eisenbahnbrücken auf Basis der Bruchmechanik. Teil 2
Stahlbau, 2021

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