Heutzutage tauchen bei Umbauten und Sanierungen von Bestandsgebäuden immer wieder Dachkonstruktionen aus Stahlleichtbau- beziehungsweise Stahlrohrbau auf. Ziel dieser Studienarbeit ist es, die unterschiedlichen Systeme dieser Bauweisen mit einer Spannweite von bis zu 16 Metern aufzuarbeiten, damit zukünftig auftretende Dachkonstruktionen einfacher zugeordnet und besser verstanden werden können.
Im Zuge dessen wird auf die Entstehung, die Einsatzmöglichkeiten beziehungsweise die Anwendungsbereiche, sowie die Vor- und Nachteile eingegangen. Des Weiteren soll auf die relevanten DIN-Normen und die Gründe für die geringe Durchsetzung des Stahlleichtbaus eingegangen werden.
Einer der wesentlichen Gründe, warum es den Stahlleichtbau und die dazugehörige DIN 4115 "Stahlleichtbau und Stahlrohrbau im Hochbau" aus dem Jahr 1950 gibt, liegt im natürlichen Bestreben des Menschen. Schon immer versucht der Mensch Abläufe und Gegenstände durch technische Innovationen zu optimieren, um mit geringeren Arbeits- oder Produktionsmitteln eine gleiche Produktionsmenge bzw. um mit gleichen Arbeits- und Produktionsmitteln eine höhere Produktionsmenge zu erstellen.
Dieser sogenannte technische Fortschritt lässt sich ebenso auf alle Fachbereiche des Bauwesens, unabhängig ob Holz-, Massiv- oder Stahlbau, übertragen. Im Bauwesen wird der technische Fortschritt häufig definiert mit einer Verringerung des Gewichtes der Baukonstruktion sowie der Fertigungs- und Montagekosten, bei einer gleichzeitigen Erhaltung oder gar Erhöhung der Tragfähigkeit und des Nutzwertes. Es war daher nur eine Frage der Zeit, bis der Mensch versuchen würde den Stahlbau mit neuen Methoden und Techniken zu verbessern bzw. effizienter zu machen.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Problemstellung und Ziel der Studienarbeit
1.2. Gang der Untersuchung
2. Allgemeines zum Stahlleicht- und zum Stahlrohrbau
2.1. Entstehung und historische Entwicklung
2.2. Einsatzmöglichkeiten bzw. Anwendungsbereiche
2.3. Vor- und Nachteile von Stahlleichtbaukonstruktionen
2.3.1. Vorteile
2.3.2. Nachteile
2.3.3. Zwischenfazit und abschließender Vergleich
2.4. Bewertungskriterien für den Stahlleichtbau
3. Stahlbaubestimmungen
3.1. Relevante DIN-Normen für den Stahl, Stahlleicht- und Stahlrohrbau
3.1.1. Berechnungsgrundlagen für Stahl im Hochbau DIN 1050
3.1.2. Vorschriften für geschweißte Stahlhochbauten DIN 4100
3.1.3. Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115
3.2. Zusammenfassung der Merkmale des Stahlleicht- und Stahlrohrbaus
4. Stahldächer
4.1. Grundbegriffe des Daches
4.2. Dachformen
4.3. Allgemeiner Dachaufbau
4.4. Dachkonstruktionen
4.5. Binderarten und Räumliche Tragwerke
4.5.1. Dreieckbinder für Satteldächer
4.5.2. Balkenbinder für Satteldächer
4.5.3. Dreieck- und Balkenbinder für Pultdächer
4.5.4. Räumliche Tragwerke
4.6. Profilarten
4.7. Konstruktionsgrundlagen
4.8. Korrosionsschutz
5. Stahlleichtbau- und Stahlrohrbau-Systeme
5.1. Dachbinder
5.1.1. Jucho-Leichtbaubinder aus Bandstahlprofilen
5.1.2. Dachsparren-Binder veränderlicher Stützweite der Fa. Jucho
5.1.3. Leichtbau-Rahmenbinder aus Bandstahlprofilen
5.1.4. R-Träger aus T-Gurten mit Rundstahlaussteifung
5.1.5. Binder des Wuppermann Systems
5.1.6. Stran-Steel-System
5.1.7. Metsec-Binder
5.1.8. Typendachbinder der Deutschen Röhrenwerke aus geschweißten Stahlrohren
5.1.9. Stall-Typenbinder aus geschweißten Stahlrohren
5.1.10. Doppelwandiger Leichtbaubinder
5.1.11. Polonceau-Binder
5.1.12. Typisierte Konstruktion einer LKW-Garage
5.1.13. Filigran-Binder
5.1.14. Fachwerkbinder nach dem Mannesmann-System
5.1.15. Geschweißte Rundstahlkonstruktionen der Mannesmannröhren-Werke AG
5.2. Räumliche Tragwerke und Skelettkonstruktionen
5.2.1. Tezet-Fertighalle der Fa. Wuppermann
5.2.2. Unistrut-System
5.2.3. Kipszer-Tragwerk
5.2.4. Dolesta-Rahmenbinder
5.2.5. Metsec-Technique-Halle
5.3. Dachdecken
5.3.1. LKT-Decke
5.3.2. Fenestra-Dachplatte Typ Holorib-Decke
5.3.3. Mahon-Dachplatte
5.3.4. Tektal-Dach der Hoesch AG
5.3.5. Stahl-Gips-Dachplatte
5.4. Träger mit Aussparungen
5.5. Sonderkonstruktionen und Sonderlösungen
5.5.1. Leichtbauträger des Herstellers Alexander Siegel
5.5.2. Punktgeschweißter Hohlträger mit X-Querschnitt - Hrst. Alexander Siegel
5.5.3. Kaltprofile mit gelochten Wänden (Dexion-Profile)
5.5.4. X-Träger der Fa. Filigranbau
5.5.5. Dolesta Verbunddachsparren
5.5.6. Einwinkelfachwerk (M.E. Binder)
5.6. Zwischenfazit
6. Mögliche Gründe für eine geringe Durchsetzung des Stahlleichtbaus
7. Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Internet Verzeichnis
Patentverzeichnis
Anhang
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Leichtträgervergleiche @ und @
Abbildung 2: Leichtbaukennzahlen schlanker Hohlstäbe
Abbildung 3: Benennung der Dachteile
Abbildung 4: Dachformen
Abbildung 5: Allgemeiner Dachaufbau
Abbildung 6: Konstruktionsarten von Dächern im Überblick
Abbildung 7: Dreieckbinder für Satteldächer
Abbildung 8: Balkenbinder für Satteldächer
Abbildung 9: Dreieck- und Balkenbinder für Pultdächer
Abbildung 10: Räumliche Tragwerke
Abbildung 11: Mögliche Einfache Profile
Abbildung 12: Mögliche Zusammengesetzte Profile
Abbildung 13: Zusammenstellung der Korrosionsgeschwindigkeiten
Abbildung 14: Vergleich der Korrosionsbeständigkeit
Abbildung 15: Jucho-Leichtbaubinder, aus Bandstahlprofilen
Abbildung 16: Jucho-Leichtbaubinder im Detail mit 10 Meter Spannweite
Abbildung 17: Jucho-Leichtbaubinder im Detail mit 12,5 Meter Spannweite
Abbildung 18: Sparrenbinder aus Normalprofilen, zirkelartig verstellbar
Abbildung 19: Dachsparren-Binder veränderlicher Stützweite - Ansicht
Abbildung 20: Dachsparren-Binder veränderlicher Stützweite - Detail
Abbildung 21: Dachsparren-Binder veränderlicher Stützweite - Abmessungen
Abbildung 22: Eiserne Dachlattung - Detail
Abbildung 23: Dachsparren-Binder veränderlicher Stützweite - fertiger Dachstuhl
Abbildung 24: Leichtbau-Rahmenbinder, aus Bandstahlprofilen
Abbildung 25: Leichtbau-Rahmenbinder - Gesamtansicht und Obergurtschnitt
Abbildung 26: Hallendachbinder mit Pfetten aus R-Trägern
Abbildung 27: Hallendachbinder aus R-Trägern
Abbildung 28: R-Träger im Detail mit Bimsbetoneindeckung
Abbildung 29: Varianten des R-Trägers
Abbildung 30: R-Träger, aus T-Gurten mit Rundstahlaussteifung
Abbildung 31: R-Träger Auflager und First - Detail
Abbildung 32: Binder des Wuppermann-Systems
Abbildung 33: Profile des Stran-Steel-Systems
Abbildung 34: Beispiele von Stran-Steel-Bindern
Abbildung 35: Traufknoten eines Stran-Steel-Binders
Abbildung 36: Firstknoten eines Stran-Steel-Binders
Abbildung 37: Auflagerknoten eines Sattelbinders aus C 52 Profilen
Abbildung 38: Metsec-Binder - Auflagerteil und Gurtquerschnitt
Abbildung 39: Dachbinder aus geschweißten Stahlrohren
Abbildung 40: Dachbinder aus geschweißten Stahlrohren - Querschnitt Traufe
Abbildung 41: Dachbinder aus geschweißten Stahlrohren - Querschnitt First
Abbildung 42: Stall-Typenbinder, aus geschweißten Stahlrohren
Abbildung 43: Stall-Typenbinder - Auflager und Knoten
Abbildung 44: Stall-Typenbinder als offene Feldscheune mit seitlichem Anbau
Abbildung 45: Stall-Typenbinder als offene Feldscheune
Abbildung 46: Doppelwandiger Leichtbaubinder
Abbildung 47: Konstruktionsprinzip Polonceau-Binder
Abbildung 48: exemplarischer Polonceau-Binder I
Abbildung 49: exemplarischer Polonceau-Binder II
Abbildung 50: Ansicht eines Polonceau-Binders
Abbildung 51: Typisierte Konstruktion einer LKW-Garage
Abbildung 52: Typisierte Konstruktion einer LKW-Garage - Profile
Abbildung 53: Filigran-Binder
Abbildung 54: Filigran-Binder - Dach Fachwerknetz und Binderausschnitt
Abbildung 55: Typisierte Dachbinder nach dem Mannesmann-System
Abbildung 56: Querschnitt eines Mannesmann-Binders mit 20 m Stützweite
Abbildung 57: Dachquerschnitt eines Mannesmann-Binders
Abbildung 58: Normaler Dachstuhl mit Zugband in der Decke
Abbildung 59: Mansarddachstuhl mit Zugband in der Kehlbalkendecke
Abbildung 60: Weitere Exemplarische Dachkonstruktion I
Abbildung 61: Binderauflagerung
Abbildung 62: Dachkonstruktion eines Krankenhauses
Abbildung 63: Dachkonstruktion mit einer Abwalmung - Außenansicht
Abbildung 64: Weitere Exemplarische Dachkonstruktion
Abbildung 65: Wuppermann-Tezet-Tonnendach
Abbildung 66: Wuppermann-Tezet-Tonnendach - Frontansicht und Seitenansicht
Abbildung 67: Wuppermann-Tezet-Tonnendach - Knoten
Abbildung 68: Wuppermann-Tezet-Tonnendach - Aufbau
Abbildung 69: Unistrut-System - Überdachung einer Schule in den USA
Abbildung 70: Unistrut-System - Ansicht a) sowie Einzelheiten b) und c)
Abbildung 71: Kipszer-Tragwerk im Aufbau
Abbildung 72: Kipszer-Tragwerk - Knoten
Abbildung 73: Dolesta-Binder - Übersicht des Zweigelenkrahmens
Abbildung 74: Dolesta-Binder - Querschnitt und Knotenpunktgestaltung
Abbildung 75: Dolesta-Binder - Patentzeichnung
Abbildung 76: Dolesta-Binder - Riegelteil
Abbildung 77: Konstruktives System einer Metsec-Technique-Halle
Abbildung 78: Querschnitt der Metsec-Technique Bauteile
Abbildung 79: Querschnitt der LKT-Decke 79 Abbildung 80: Fenestra-Dachplatte Typ Holorib-Decke - Querschnitt 80 Abbildung 81: Ausschnitt aus dem Produktkatalog des Holorib Steel Roof Decks
Abbildung 82: Verschweißung des Holorib Steel Roof Decks 81 Abbildung 83: Fenestra-Dachplatte Typ Holorib-Decke - Rohrbefestigung 81 Abbildung 84: Mahon-Dachplatte - Querschnitt
Abbildung 85: Mahon-Dachplatte - Schichtenaufbau
Abbildung 86: Tektal-Dach der Hoesch AG - Querschnitt 84 Abbildung 87: Stahl-Gips-Dachplatte - Querschnitt
Abbildung 88: Im Steg zickzackförmig aufgetrennter Träger
Abbildung 89: Beispiele für Träger mit Aussparungen
Abbildung 90: Träger mit Aussparungen im eingebauten Zustand
Abbildung 91: Leichtbauträger - Querschnitt 88 Abbildung 92: Leichtbauträger - Dachziegel- und Dachplattenbefestigung 89 Abbildung 93: Punktgeschweißter Hohlträger mit X-Querschnitt
Abbildung 94: Gelochte Dexion-Profile mit beispielhafter Anordnung der Löcher 91 Abbildung 95: Binder einer Lagerüberdachung aus Dexion-Profilen 91 Abbildung 96: X-Träger - Querschnitte und Seitenansicht
Abbildung 97: Anwendungsmöglichkeiten des X-Trägers
Abbildung 98: Dolesta Verbunddachsparren - Querschnitt
Abbildung 99: Einwinkelfachwerk - Querschnitt 95 Abbildung 100: Einwinkelfachwerk - Innenknoten im Obergurt
Abbildung 101: Erzeugerpreis wichtiger Waren
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Abschließender Vergleich der Vor- und Nachteile
Tabelle 2: Vorschriften für Stahlleichtbauteile nach DIN 4115
Tabelle 3: Unterschiede Stahlleicht- bzw. Stahlrohrbau und herkömmlicher Stahlbau 18 Tabelle 4: Korrosionsgeschwindigkeit unter bestimmten Angriffsatmosphären
Tabelle 5: Ausschnitt - Anzahl Arbeitsstätten und die darin beschäftigten Personen
Tabelle 6: Ausschnitt - Erzeugerpreis wichtiger Waren,
1. Einleitung
1.1. Problemstellung und Ziel der Studienarbeit
„Der technische Fortschritt im Bauwesen ist durch Verringerung des Gewichtes der Baukonstruktion sowie ihrer Fertigungs- und Montagekosten bei Erhaltung oder gar Erhöhung ihrer Tragfähigkeit und ihres Nutzwertes gekennzeichnet. [-]“1
Um den technischen Fortschritt im Bauwesen voranzutreiben wurde bereits im frühen 20. Jahrhundert versucht, den herkömmlichen Stahlbau wirtschaftlicher bzw. effizienter zu machen. In den Anfängen des noch nicht existierenden bzw. definierten „Stahlleichtbaus“ wurden dünnwandige Bauteile zu vorteilhaften Profilen geformt.
Dafür wurden die Ideen aus dem Flugzeug-, Schiffs-, Waggon- und Kraftwagenbau auf Bauteile übertragen. Diese neuen Konstruktionen wurden immer weiterentwickelt, sodass mit der Zeit der Begriff des Stahlleichtbaus entstand, entsprechende DIN-Normen entwickelt wurden und die verschiedensten Stahlleichtbau bzw. Stahlrohrbau-Systeme auf den Markt kamen.2 Eine breitenwirksame Durchsetzung des Stahlleichtbaus in Dachtragwerken fand allerdings nicht statt, weshalb die meisten Konstruktionen lediglich in der Literatur sowie aus Patenten hervorgehen.
Heutzutage tauchen bei Umbauten und Sanierungen von Bestandsgebäuden immer wieder Dachkonstruktionen aus Stahlleichtbau- bzw. Stahlrohrbau auf. Ziel dieser Studienarbeit ist es, die unterschiedlichen Systeme dieser Bauweisen mit einer Spannweite von bis zu 16 Metern aufzuarbeiten, damit zukünftig auftretende Dachkonstruktionen einfacher zugeordnet und besser verstanden werden können.
Im Zuge dessen werden die Entstehung, die Einsatzmöglichkeiten bzw. die Anwendungsbereiche sowie die Vor- und Nachteile eingegangen. Des weiteren soll auf die relevanten DIN-Normen und die Gründe für die geringe Durchsetzung des Stahlleichtbau eingegangen werden.
1.2. Gang der Untersuchung
Zu Beginn erfolgt eine allgemeine Erläuterung des Stahlleicht- und Stahlrohrbaus. Dabei wird die Entstehung und die historische Entwicklung des Stahlleichtbaus aufgezeigt, sowie die häufigsten Einsatzmöglichkeiten bzw. Anwendungsbereiche. Außerdem werden die allgemeinen Vor- und Nachteile beschrieben, die sich durch den Stahlleichtbau ergeben. Auf besonders vorteilhafte oder nachteilige Stahlleichtbau- und Stahlrohrbau-Konstruktionen, wird in Kapitel fünf bei der genauen Erklärung der einzelnen Systeme eingegangen.
Daraufhin wird die DIN 4115 „Stahlleichtbau und Stahlrohrbau“ erklärt. Es werden unter anderem grundlegende Begriffsbestimmungen, Verwendungsbereiche, Herstellernachweise, die Ausführung, die Abnahme und der Einbau beschrieben. Dabei sollen die Unterschiede zum herkömmlichen Stahlbau und die charakteristischen Merkmale für Stahlleichtbau aufgezeigt werden.
In Kapitel vier werden zunächst die Grundbegriffe des Daches, die verschiedenen Dachformen, der allgemeine Dachaufbau sowie die im Stahlbau am häufigsten Verwendeten Binderarten ebener Tragwerke und Räumlicher Tragwerke vorgestellt, damit die Stahlleichtbau-Systeme im nachfolgenden Kapitel einfacher beschrieben, erklärt, sowie dem jeweiligen Bindertyp direkt zugeordnet werden können. Außerdem werden die am häufigsten verwendeten Profilarten, die Konstruktionsgrundlagen und Korrosionsschutzmaßnahmen vorgestellt.
Nachdem anhand der DIN 4115 die Begriffe Stahlleichtbau- und Stahlrohrbau erläutert und die verschiedenen Binderarten und Räumliche Tragwerke vorgestellt wurden, sollen darauf aufbauend gängige Stahlleichtbau- und Stahlrohrbau-Systeme verschiedener Firmen bzw. Hersteller aufgezeigt und genauer erklärt werden.
Im Anschluss darauf soll die Frage geklärt werden, warum sich der Stahlleichtbau trotz der in Kapitel 2 beschriebenen Vorteile nicht breitenwirksam durchsetzen konnte und daraufhin vom Markt verschwand.
Zuletzt werden die Ergebnisse in einem Fazit zusammengefasst und ein möglicher Ausblick in die Zukunft wird gegeben.
Grundlagen für den Gang der Untersuchung war vorwiegend Literaturrecherche sowie Patentrecherche.
2. Allgemeines zum Stahlleicht- und zum Stahlrohrbau
2.1. Entstehung und historische Entwicklung
Bereits im frühen 20. Jahrhundert ist in Deutschland zu beobachten, dass in verstärktem Maße Bestrebungen unternommen wurden, Leichtkonstruktionen im Stahlbau umzusetzen bzw. auszuführen. Auf die Entwicklung und den Grund für die Entstehung des Stahlleicht- und Stahlrohrbaus wird im Folgenden eingegangen.
Einer der wesentlichen Gründe, warum es den Stahlleichtbau und die dazugehörige DIN 4115 „Stahlleichtbau und Stahlrohrbau im Hochbau“ aus dem Jahr 1950 gibt, liegt im natürlichen Bestreben des Menschen. Schon immer versucht der Mensch Abläufe und Gegenstände durch technische Innovationen zu optimieren, um mit geringeren Arbeitsoder Produktionsmitteln eine gleiche Produktionsmenge bzw. um mit gleichen Arbeits- und Produktionsmitteln eine höhere Produktionsmenge zu erstellen. Dieser sogenannte technische Fortschritt lässt sich ebenso auf alle Fachbereiche des Bauwesens, unabhängig ob Holz-, Massiv- oder Stahlbau, übertragen. Im Bauwesen wird der technische Fortschritt häufig definiert mit einer Verringerung des Gewichtes der Baukonstruktion sowie der Fer- tigungs- und Montagekosten, bei einer gleichzeitigen Erhaltung oder gar Erhöhung der Tragfähigkeit und des Nutzwertes. Es war daher nur eine Frage der Zeit, bis der Mensch versuchen würde den Stahlbau mit neuen Methoden und Techniken zu verbessern bzw. effizienter zu machen.3
Besonders auf Grund der Sparzwänge durch die Kriegswirtschaft wurden Formen von leichten Rohrbauten bereits 1940 durch den Artikel von Fritz Leonhard erwähnt, der ebenso wie E. Neufert und M. Mengeringhausen erhebliches Einsparpotential durch die Übertragung von Leichtbauformen aus anderen Bereichen, wie z.B. der Natur oder der Luftfahrtindustrie, gesehen hat. Er leitete aus dem Querschnitt eines einfachen Strohhalms aus der Natur eine enorme Tragfähigkeit ab und stellte daraufhin in diversen Versuchen verschiedene Querschnitte herkömmlicher Stahlprofile den Rundrohren gegenüber und konnte erhebliche Stahleinsparungen nachweisen. Ebenso beschäftigte sich M. Mengeringhausen schon frühzeitig mit der Bewertung der Effizienz von konstruktiven Systemen.4
Von welcher Bedeutung die zunehmende Werkstoffverknappung von Stahl und Holz infolge des zweiten Weltkrieges wirklich war, wird beim Betrachten der Aussage von Albert Speer in der Bauordnungslehre von E. Neufert aus dem Jahr 1943 deutlich.
„Der [...] Krieg zwingt zur Konzentration aller Kräfte auch im Bauwesen. Weitgehende Vereinheitlichung zur Einsparung technischer Kräfte und zum Aufbau rationeller Serienfertigung ist die Voraussetzung zu einer Leistungssteigerung, die zur Bewältigung unserer großen Bauaufgaben erforderlich ist.“5
Der Stahl wurde so kontingentiert, dass die Bauwirtschaft gezwungen wurde möglichst sparsam mit dem zur Verfügung stehenden Material umzugehen. Teilweise wurden in Deutschland Sparvorschläge in behördlichen Anordnungen vorgeschrieben. Erstmals wurde von sog. „stahlsparenden“ Konstruktionen gesprochen und Versuche zu verschiedenen Systemen durchgeführt.6 7
Weitere umfangreiche Untersuchungen, um Stahlkonstruktionen leichter und damit effizienter zu gestalten, wurden durch E. Neufert in der Bauordnungslehre von 1943 veröffentlicht. Dabei wurden insgesamt sechs verschiedene „Leichtträger“ mit einer Trägerspannweite von 10 Metern Länge im Bezug auf Gewicht pro Laufmeter und der Profilhöhe in cm verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass der Rundstahlschlangenträger @ (genaue Erklärung des R-Trägers in Kapitel 5.1. „Profil- und Bandstahlkonstruktionen“), oder auch R-Träger genannt, das günstigste Gewicht gegenüber allen anderen Trägern hat und etwa die Hälfte vom Normalprofil @ wiegt (siehe Abbildung 1: Leichtträgervergleiche ® und ®).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Leichtträgervergleiche © und @ 7
Des weiteren wird in der Bauordnungslehre noch der U-Träger vorgestellt, bei dem es sich um einen geschweißten Fachwerkträger mit Füllungsstäben aus einfachen U-Stäben und einem Gurt aus Doppelstäben beliebiger Form wie bspw. L- oder U-Profile handelt.8 9 10
Es ist zu erkennen, dass schon im Jahr 1943 versucht wurde, mit den bereits bekannten Profilen neue Konstruktionen zu erschaffen, um Ressourcen zu sparen und damit effizienter zu bauen. Die Grundansätze des R- und U-Trägers finden sich abgewandelt in verschiedenen Stahlleichtbaukonstruktionen wieder und waren damit enorm wichtig für die weitere Entwicklung des Stahlleichtbaus.
Nachdem E. Neufert in den 1940er Jahren die ersten Versuche mit „leichten“ Stahlträgern durchgeführt hatte, wurden viele Fachleute aus der Betriebspraxis angeregt, neuartige Fertigungen aus Leichtmetall und Stahlblechen aus unterschiedlichen Industriezweigen, wie bspw. aus dem Flugzeug-, Schiffs-, Waggon- und Kraftwagenbau, auf den Stahlbau zu übertragen. Besonders gute Ergebnisse wurden mit der Verwendung dünnwandiger Bauteile, die in vorteilhafte Profile geformt wurden, und Verbundformen mit Kunststoff erzielt.9,10 Auf den Bauausstellungen der nachfolgenden Jahre, wie z.B. die Arnsberger Ausstellung 1943, wurde eine Vielzahl von Stahlleichtkonstruktionen in Modellen und Mustern gezeigt. Nicht wenige dieser Konstruktionen wurden ohne erforderliche Stahlbaukentnisse entwickelt, was dazu führte, dass diese zum Teil nicht vollständig ausgereift waren und bspw. statische und bauliche Mängel aufwiesen. Es entstanden andererseits auch Dachkonstruktionen, die sich baulich bewährten und in Serie gefertigt werden konnten.
Ein weiterer Schritt zur Entwicklung des Stahlleichtbaus bzw. zur Förderung und Zusammenfassung der Stahlleichtbaubestrebungen erfolgte im Jahr 1946 mit den neu entstandenen Fachverband Stahlbau, Deutscher Stahlbau-Verband durch den Ausschuss „Stahlsparende Konstruktionen“. Damit konnten in einer Zeit, als weder Fachzeitschriften noch sonstige Möglichkeiten für den Gedankenaustausch existierten, aufgeschlossene Fachkräfte der Stahlindustrie zusammengeführt werden. Außerdem kamen von den Zulassungsausschüssen der Länder, die vermehrt Anträge von Stahlleichtbaukonstruktionen zu bearbeiten hatte, weitere Anregungen. Auf Basis dieser Unterlagen konnte vom Ausschuss „Stahlsparende Konstruktionen“ Anfang 1947 ein erster Entwurf der Richtlinie für Stahlleichtbau im Hochbau entwickelt werden. Vier Jahre und zahlreiche Entwürfe später wurde im August 1950 die DIN 4115 „Stahlleichtbau und Stahlrohrbau im Hochbau, Richtlinien für die Zulassung, Ausführung, Bemessung“ vom deutschen Institut für Normung veröffentlicht.11
Ab diesem Zeitpunkt kamen immer mehr Stahlleichtbau- und Stahlrohrbau-Systeme verschiedenster Hersteller auf den Markt, da die DIN 4115 genau vorgab wie z.B. der Verwendungsbereich, die geschweißten Verbindungen oder der Korrosionsschutz aussehen musste (dazu mehr in Kapitel 3.2 „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115“), damit die Systeme in der Praxis ohne Zustimmung im Einzelfall verbaut werden konnten.
2.2. Einsatzmöglichkeiten bzw. Anwendungsbereiche
Die Einsatzmöglichkeiten bzw. Anwendungsbereiche des Stahlleichtbaus sind in keiner Weise eingeschränkt gegenüber dem herkömmlichen Stahlbau. In der Literatur werden für die Anwendung von Stahlleichtbauteilen zwei Hauptgebiete unterschieden. Zum Ersten gehören Stahlleichtbauteile für Details im Ausbau und zum zweiten gehören tragende Teile von Konstruktionen kleiner und mittlerer Spannweite oder für untergeordnete Bauteile aller Stahlkonstruktionen.
Beispiele für Details im Ausbau sind Tür- und Fensterrahmen, Tore, umstellbare Trennwände, Bauteile von nichttragenden Außenwänden, Aufzugsschächten, Arbeitsbühnen und dergleichen.
Die zweite Gruppe kann nochmals unterteilt werden in Tragkonstruktionen ausschließlich aus Stahlleichtbauteilen, leichte Teilkonstruktionen herkömmlicher Stahlkonstruktionen und Verbundkonstruktionen.
Bei Tragkonstruktionen die ausschließlich aus Stahlleichtbauteilen bestehen handelt es sich zum Beispiel um Skelettbauten, Hallenbauten, räumliche Tragwerke und Schalentragwerke. Zu den leichten Teilkonstruktionen herkömmlicher Stahlkonstruktionen zählen Bauwerkselemente, wie Dachbinder, Decken in Wohn- und Gemeinschaftsbauten und für Lagerhäuser, Dachplatten und Pfetten für Hallenbauten, Oberlichter, Arbeitsbühnen und Fahrbahnen, Aussteifungen und Fachwerkwände von Hallen- und Skelettbauten, Spundwände und Teile verstellbarer Decken- und Wandschalungen. Verbundkonstruktionen stellen eine besondere Gruppe dar und treten sehr selten beispielsweise in Freileitungsmasten, Brücken, Decken und Bauteilen von Kränen und Montageräten auf.
Zur Anwendung kam damit der Stahlleichtbau in Wohnhäusern, Lager- und Industriehallen, Schulen, Gebäuden für die Landwirtschaft, Treibhäusern, Überdachungen, Flugzeughallen usw.
Aus den zahlreichen Beispielen wird ersichtlich, dass die Einsatzmöglichkeiten bzw. Anwendungsbereiche des Stahlleichtbaus sehr vielseitig sind . Allerdings sollten bei der Verwendung von Stahlleichtbauteilen stets alle vorherrschenden Umwelteinflüsse und Faktoren, wie zum Beispiel Korrosionsschutz, Festigkeit, Spannweiten, wirtschaftliche Kennwerte, Nutzung, etc. berücksichtigt werden, um sicherstellen zu können, dass der Stahlleichtbau eine gleichwertige oder bessere Alternative zum herkömmlichen Stahlbau darstellen kann.12
Da sich die Studienarbeit lediglich mit Stahlleichtbauträgern für kurze bis mittlere Spannweiten von Dachtragwerken beschäftigt, wird auf die Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsbereiche im weiteren Verlauf nicht genauer eingegangen.
2.3. Vor- und Nachteile von Stahlleichtbaukonstruktionen
Konstruktionen des Stahlleichtbaus weisen sowohl Vor- als auch Nachteile gegenüber herkömmlicher Stahlbaukonstruktionen, die mit allgemein üblichen konstruktiven und technischen Lösungen gebaut wurden, auf. Betrachtet werden hauptsächlich messbare Bewertungskriterien wie Stahlverbrauch, Montagezeit, Baukosten und Herstellkosten. Zu erwähnen ist, dass es sich bei den Zahlenwerten bloß um prozentuale Durchschnittswerte handelt, so dass manche Systeme unter guten Bedingungen höhere bzw. unter schlechten Bedingungen niedrigere Werte erreichen können. Sollte ein System in einer bestimmten Eigenschaft besonders vorteilhaft oder nachteilig sein, wird darauf in Kapitel 5 beim vorstellen der einzelnen Systeme genauer eingegangen.
2.3.1. Vorteile
Einer der wesentlichen Vorteile bei der Verwendung von Stahlleichtbaukonstruktionen ist die Verminderung des Stahlverbrauchs und damit des Gewichtes. In der Praxis konnte der Stahlverbrauch aufgrund der Dünnwandigkeit um 25 bis 50% gesenkt werden. Die Gewichtsreduzierung hat zusätzlich positive Auswirkungen auf die Transportkosten, sodass insgesamt die Wirtschaftlichkeit steigt. Grundsätzlich ist es zwar möglich das Gewicht noch weiter, also um mehr als 50%, zu verringern, allerdings wird dies aufgrund der unverhältnismäßigen Steigerung der Kosten und der Fertigungsschwierigkeiten in der Praxis nicht durchgeführt.
Weiterhin bringt der Stahlleichtbau gegenüber dem herkömmlichen Stahlbau in der Regel eine Verkürzung der Montagezeiten auf der Baustelle, bspw. bei einer Halle, um bis zu 30% mit sich. Für bestimmte Anwendungsfälle bzw. in bestimmten Situationen kann sogar eine Einsparung um bis zu 60% erreicht werden.
Außerdem sind vorteilhafte Größen der festigkeitstechnischen Kennwerte bezogen auf die Querschnittsfläche, insbesondere bei geschlossenen Profilen, im Stahlleichtbau vorhanden. Dazu zählen vor allem Widerstandsmoment und Trägheitsradius.
In mancher Literatur wird dem Stahlleichtbau als Vorteil ein günstiges ästhetisches Aussehen zugesprochen. Da es sich dabei aber um keine wirklich messbare Größe handelt und das Aussehen nur schwer objektiv bewertet werden kann, wird darauf in dieser Studienarbeit nicht weiter eingegangen.13
2.3.2. Nachteile
Den Vorteilen des Stahlleichtbaus stehen aber auch einige Nachteile gegenüber wie zum Beispiel die höheren Preise des Rohstoffs und Herstellungskosten. In der Regel werden für den Stahlleichtbau nicht genormte Baustähle mit hochwertigerer Festigkeit verwendet, die im Einkauf teurer sind. Zusätzlich benötigen die Bauteile des Stahlleichtbaus durch besondere Schweißverfahren und Biegemethoden deutlich mehr Zeit in der Werkstatt und sind damit nochmals teurer gegenüber herkömmlichen Stahlbaukonstruktionen. Aus damaliger Sicht sei es mit weiterer Entwicklung hin zu einer serienmäßigen Herstellung möglich die Kosten wesentlich herabzusetzen.
Ein weiterer Nachteil der mit Stahlleichtbaukonstruktionen einhergeht, ist der höhere Aufwand für den Korrosionsschutz. Die meisten Profile der verschiedenen Systeme haben größere Oberflächen die meist nur schwer zugänglich sind. Zudem müssen aufwendigere Verfahren angewandt werden, damit die Schutzschicht der dünnen Bauteile eine größere Widerstandsfähigkeit gegen die Atmosphäre besitzt. Mit welchen Methoden und Verfahren der Korrosionsschutz zu erbringen ist, wird in Kapitel 4.8 „Korrosionsschutz“ genauer beschrieben.
Aber nicht nur der höhere Preis, die höheren Herstellungskosten und der aufwendigere Korrosionsschutz sind Nachteile des Stahlleichtbaus. Der Entwurf und die Planung einer Stahlleichtbaukonstruktion verlangen einen deutlich größeren Arbeitsaufwand. Dies hat hauptsächlich mit der freien Wahl der Profilgeometrie und der damit fehlenden vorliegenden Berechnungstafeln zu tun. Aber auch hier bestand damals das Potential zur Senkung des Aufwandes für den einzelnen Entwurf durch eine mögliche Vereinheitlichung der Elemente.
Durch das geringere Gewicht des Stahlleichtbaus sind zwar, wie zuvor in den Vorteilen erwähnt, die Transportkosten bzw. Kosten der Beförderung geringer, aber der Montage, der Umlagerung und vor allem dem Transport muss deutlich mehr Sorgfalt gewidmet werden. Grund dafür sind die leichten, besonders die dünnwandigen, Bauteile, die deutlich anfälliger für örtliche Beschädigungen sind. Schon leichte Schäden an den Kanten von dünnen Profilen können die Stabilität drastisch senken, wenn die Biege- und Knicksicherheit dadurch vermindert wird.14
2.3.3. Zwischenfazit und abschließender Vergleich
Abschließend überwiegen die Vorteile dennoch leicht den Nachteilen. In der Praxis können durch Verwendung von Stahlleichtbaukonstruktionen die gesamten Baukosten durchschnittlich um bis zu 10 bis 25% gesenkt werden. Selbst bei ungünstigen Bedingungen können noch Einsparungen mit bis zu 5% erzielt werden. Um dies zu erreichen und die Vorteile des Stahlleichtbaus, wie bspw. verkürzen der Montagezeiten, voll ausschöpfen zu können, muss von Beginn an sorgfältig geplant und in allen Stadien zweckmäßig verfahren werden.15 In der nachfolgenden Tabelle (Tabelle 1: Abschließender Vergleich der Vor- und Nachteile) werden nochmals alle Vor- und Nachteile zusammengefasst dargestellt.
Tabelle 1: Abschließender Vergleich der Vor- und Nachteile
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.4. Bewertungskriterien für den Stahlleichtbau
Neben E. Neufert und F. Leonhardt gab es weitaus mehrere Namenhafte Ingenieure, Architekten und Wissenschaftler wie z.B. M. Mengeringhausen, B. Fuller, F. Otto, R. Le Ri- colais sowie A. Bell, die sich schon sehr früh mit sparsamen und damit gleichzeitig auch leichten Konstruktionen beschäftigten.
Max Mengeringhausen befasste sich vor allem mit der Frage, ob es möglich sei den „Grad der Sparsamkeit“ von konstruktiven System mit einer Formel zu ermitteln und damit in einer Kennzahl darzustellen. Bisher existierten lediglich erste Ansätze Boschs mit einer Profilzahl p, dargestellt in der nachfolgenden Formel (2.1), wobei J dem Flächenträgheitsmoment, e dem Abstand der Schwerachse zur äußersten Faser und F der Querschnittsfläche entspricht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Mit diesem Wert konnte lediglich eine Auswahl aus mehreren Lösungen unter Berücksichtigung der Festigkeiten getroffen werden. Für Mengeringhausen war dies aber nicht ausreichend. Er schrieb, dass er eine Kennzahl suche, die in verschiedenen Gebieten der Technik, also nicht nur im Baubereich, anwendbar war und Auskunft über die Stoffverwendung oder die Stoffausnutzung gab, ähnlich dem Wirkungsgrad, wie er bspw. für die Energienutzung verwendet wurde. Gleichzeitig hätte mit dieser Kennzahl eine Aussage über die Frage, wann der Stahlleichtbau beginnt bzw. endet getroffen werden können.
Mengeringhausen führte die grundlegende Leichtbaukennzahl ZL ein, die sich aus dem Quotienten der Gesamtlast PG, also der aufnehmbaren Last in Kg, und der Eigenlast PE ergibt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Außerdem konnte die Formel (2.2) erweitert und für die Beanspruchungen Zug, Biegung sowie Druck verwendet werden, wobei bei einer Druckbelastung in die Fälle mit (ZLK) und ohne (ZLD) Knickung unterschieden wurde. Für Zugbeanspruchung existiert ebenfalls eine Leichtbau-Kennzahl (ZLZ). Die Werte l ergeben sich aus der Baulänge in cm, während y die Wichte des Werkstoffs in kg/cm3 ist. w beschreibt die Knickzahl des Bauteils und oDzul bzw. oZzul gibt dabei die Werkstoffestigkeit in Kg/cm2 an.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Rahmen von Versuchen mit Stahlrohren von 200 cm Länge, bei denen er die Außendurchmesser, die Wandstärken sowie die Stahlsorte variierte, ermittelte Mengeringhausen mit Hilfe der oben dargestellten Formeln verschiedene Leichtbaukennzahlen und verglich sie anschließend mit der zulässigen Tragkraft. Besonders die beiden Stäbe „a“ und „e" aus herkömmlichen Stahl St.37 mit einem geringen Rohrdurchmesser von 1,5 mm stellten, wie sich zeigte, eine günstige Bauform dar, da sie im Vergleich zu anderen Rohren mit wenig Material eine hohe zulässige Tragkraft sowie Leichtbaukennzahl besaßen (vgl. Abbildung 2: „Leichtbaukennzahlen schlanker Hohlstäbe“). Im herkömmlichen Stahlbau konnten diese dünnwandigen Rohre jedoch noch nicht eingesetzt werden, da die DIN 4115 „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau“ erst im Jahre 1950 veröffentlicht wurde, welche erstmals dünnwandige Profile zuließ (genauere Erläuterung in Kapitel 3.1.3. „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115“).16,17
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Leichtbaukennzahlen schlanker Hohlstäbe 18
Neben Mengeringhausen beschäftigte sich weiterhin F. Otto und seine Forschergruppe einige Jahre später mit den Bewertungskriterien des Stahlleichtbaus. Die Forschungsgruppe ging von einer gegenseitigen Abhängigkeit zwischen From, Kraft und Masse in Natur und Technik aus. Infolge dessen definierte die Forschungsgruppe die relative konstruktive Schlankheit 2 mit der Einheit [m/^N].
Dieser Wert ergibt sich aus der Übertragungsstrecke s einer Kraft [m] und einer Grenzlast (Bruchkraft) Kraft F [N], durch einen Körper mit der Formel (2.4):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Anhand dieser relativen konstruktiven Schlankheit konnten Stäbe mit unterschiedlichen Radien, Längen und Bruchkräften miteinander verglichen werden. Bei kurzen Objekten mit großer Last ist die relative Schlankheit 2 demnach klein, während sie bei langen Objekten mit kleiner Last groß ist.19,20 Weiterführend untersuchte F. Otto Objekte auf ihre Fähigkeit, Kräfte aufnehmen und weiterleiten zu können. Dafür orientierte er sich vorerst an einem standardisierten Kraftübertragungsweg T, der sich aus dem Produkt der Strecke und der übertragenden Kraft ergibt. Im Falle der Grenztragfähigkeit eines Körpers spricht man von T ra [Nm]. Um aber eine Aussage über die Leistungsfähigkeit im Bezug auf die Masse bei einer gegebenen Belastungsart treffen zu können, muss die Masse des kraftübertragenden Körpers mit dem Tra ins Verhältnis gestellt werden. Daraus ergibt sich das Bic [g/Nm]:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Damit konnte F. Otto die relative konstruktive Schlankheit 2 von Körpern ins Verhältnis mit der Leistungsfähigkeit auf Druck- und Biegebeanspruchung Bic setzen und in ein sogenanntes Bic - 2 - Diagramm eintragen. Ein aussagekräftiger Vergleich der Bic -Werte ist jedoch nur bei Körpern mit einer gleichen relativen Schlankheit gegeben.21,22 Es zeigt sich, dass zum Teil schon sehr frühzeitig ausführliche Untersuchungen zu den Fragen der Effizienz sowie der Bewertung von leichten Konstruktionen durchgeführt wurden mit jeweils unterschiedlichen Ansätzen.
3. Stahlbaubestimmungen
Für jegliche Bauarten, unabhängig ob Holz-, Stahl- oder Massivbauten, existieren in Deutschland bauliche Bestimmungen in DIN-Normen. Im folgenden wird auf die relevanten DIN-Normen des herkömmlichen Stahlbaus und des Stahlleicht- bzw. Stahlrohrbaus eingegangen, um die Unterschiede zwischen diesen aufzuzeigen und um Stahlleicht- bzw. Stahlrohrbauwerke in der heutigen Zeit besser identifizieren zu können.
Die verwendeten Bezeichnungen der DIN-Normen entsprechen denen der 1940er und 1950er Jahren zum zeitlichen Höhepunkt des Stahlleicht- und Stahlrohrbaus. Die heutigen DIN-Normen können, auf Grund mehrmaliger Überarbeitungen über die Jahre, von den damaligen DIN-Normen abweichen und werden im folgenden nicht weiter betrachtet.
3.1. Relevante DIN-Normen für den Stahl, Stahlleicht- und Stahlrohrbau
Im wesentlichen gibt es für den herkömmlichen Stahl-, Stahlleicht- und Stahlrohrbau drei wichtige DIN-Normen. Dabei handelt es sich um die DIN 1050 „Berechnungsgrundlagen für Stahl im Hochbau“, die DIN 4100 „Geschweißte Stahlhochbauten“ und die DIN 4115 „Stahlleichtbau und Stahlrohrbau im Hochbau“, auf die in den folgenden Kapiteln 3.1.1 bis Kapitel 3.1.3 genauer eingegangen wird, um wesentliche Inhalte der verschiedenen Normen und die einzelnen Unterschiede zwischen dem herkömmlichen Stahlbau und dem Stahlleicht- bzw. Stahlrohrbau aufzuzeigen. Durchaus gibt es noch innerhalb der DINNormen unzählige Verweise untereinander oder Normen, wie zum Beispiel die DIN 2448, welche von der Stahlbaufirma Mannesmann zusätzlich zur Hilfe genommen wurden, um das Gewicht von möglichen Rohrkombinationen anhand von Außendurchmesser und Wanddicke zu bestimmen16. Auf diese im weiteren jedoch nicht genauer eingegangen, da sie mit dem Stahlleicht- und Stahlrohrbau nicht unmittelbar in Verbindung stehen.
3.1.1. Berechnungsgrundlagen für Stahl im Hochbau DIN 1050
Die DIN 1050 „Berechnungsgrundlagen für Stahl im Hochbau“ enthält alle nötigen Angaben bzw. Bestimmungen des Stahlbaus und gilt somit für sämtliche Bauteile aus Stahl im Hochbau, sowie für Bauten zu vorübergehenden Zwecken (fliegende Bauten, Gerüste, Schalungen und Aufzuggerüste). Für Bauten wie beispielsweise Brücken, Funktürme, Fördergerüste für den Bergbau oder Kranbahnen gilt die DIN 1050 nicht. Dafür müssen speziellere Normen herangezogen werden. Soweit in der DIN 4115 nichts anderes bestimmt ist, gilt die DIN 1050 auch für den Stahlleicht- und Stahlrohrbau.
Innerhalb der DIN 1050 werden Angaben zu Festigkeitsberechnungen, also Elastizitätsmodul, Schubmodul, Wärmedehnzahl, Berechnung, sowie zu zulässigen Spannungen, Spannungsermäßigungen und Bemessungsregeln gegeben.
Darüber hinaus wird in §7 der DIN 1050 „Baustoffe und zulässige Spannungen“ genau festgelegt, welche Stähle mit welcher Güteklasse für den Stahlbau verwendet bzw. nicht verwendet werden dürfen.17 Dies ist einer von den drei wesentlichen Punkten in denen der herkömmlichen Stahlbau vom Stahlleicht- und Stahlrohrbau abweicht (genauere Erläuterung in Kapitel 3.1.3 „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115“).
Weiterhin beinhaltet § 9 der DIN 1050:
„ Mindestquerschnitte. Ergeben sich rechnerisch sehr kleine Blech- oder Profildicken, so gilt für Haupttragteile mind 4 mm Dicke und hinreichende Anschlußbreiten für Vernietung, Verschraubung oder Verschweißung. Dicken unter 4 mm in Haupttragteilen für untergeordnete Bauwerke wie Gewächshäuser, Gartenzelte, Vorgartenüberdachungen u a.“18
Dabei unterscheidet sich der herkömmliche Stahlbau zum zweiten Mal vom Stahlleicht- und Stahlrohrbau (genauere Erläuterung in Kapitel 3.1.3 „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115“).19
3.1.2. Vorschriften für geschweißte Stahlhochbauten DIN 4100
Die zweite wichtige DIN-Norm für den herkömmlichen Stahlbau sowie dem Stahlleicht- und Stahlrohrbau ist die DIN 4100 „Vorschriften für geschweißte Stahlhochbauten“. Sie gilt ebenso wie die DIN 1050 für den Stahlleicht- und Stahlrohrbau, falls in DIN 4115 nichts anderes bestimmt ist.
Neben Bestimmungen zur Prüfung der Schweißer, werden in der DIN 4100 zulässige Spannungen, Berechnungen, sowie Ausführung, Überwachung und Abnahme der Schweißnähte vorgegeben.
Außerdem wird in § 2 der DIN 4100 „Werkstoffe“ ebenso wie in der DIN 1050 festgelegt, welche Werkstoffe zu verwenden sind und zusätzlich wie diese zu verschweißen sind.20 Dies bedeutet, dass der herkömmliche Stahlbau auch in der DIN 4100 vom Stahlleicht- und Stahlrohrbau abweicht (genauere Erläuterung in Kapitel 3.1.3. „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115“).
Zusätzlich bestimmt die DIN 4100 in § 3:
„ Schweißverfahren. Anwendbar ist Lichtbogenschweißung mit Gleich- oder Wechselstrom, elektr Widerstands-, Gasschmelz- oder gaselektrische Schweißung.
In diesem Punkt unterscheidet sich der der herkömmliche Stahlbau zum dritten Mal vom Stahlleicht- und Stahlrohrbau (genauere Erläuterung in Kapitel 3.1.3. „Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115“).
3.1.3. Stahlleicht- und Stahlrohrbau im Hochbau DIN 4115
Bei der DIN 4115 handelt es sich um eine speziell entwickelte Richtlinie für die Zulassung, Ausführung und Bemessung von Stahlbauteilen für den Stahlleicht- und Stahlrohrbau. Dennoch gelten, falls nicht anders angegeben, weiterhin die DIN 4100 sowie die DIN 1050 als allgemeine Berechnungsgrundlagen.
Bei Stahlleichtbauteilen handelt es sich laut Abschnitt 1 „Begriffsbestimmung“ um Bauteile, die auf Grund von Stahleinsparungen in einem oder mehreren der Abschnitte 1.1 bis 1.3 der DIN 4115 von der DIN 1050 „Berechnungsgrundlagen für Stahl im Hochbau“ und der DIN 4100 „Vorschriften für geschweißte Stahlhochbauten“ abweichen und die gegen Korrosion sorgfältiger geschützt sein müssen als herkömmliche Stahlhochbauten.21 22 Die Abschnitte 1.1 bis 1.3 der DIN 4115 enthalten:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1.1 Die Dicke der tragenden Bauglieder ist mindestens 1,5 mm.
1.2 Zur Verbindung der Einzelteile miteinander dienen neuartige Mittel oder Verfahren, z.B. die Punktschweißung.
1.3 Es wird auch nichtgenormter Baustahl höherer Festigkeit verwendet. [^]“23
Das bedeutet, dass die Mindestquerschnitte des herkömmlichen Stahlbaus, die laut DIN 1050 4 mm betragen, nun um 2,5 mm unterschritten werden dürfen auf 1,5 mm. In Sonderfällen ist eine Herabsetzung auf 1 mm möglich.24 25 26
Des weiteren dürfen im Stahlleicht- und Stahlrohrbau neuartige Mittel und Verfahren zur Verbindung von Bauteilen genutzt werden. Bisher wurde in DIN 4100 genau festgelegt, welche Schweißverfahren zur Verfügung standen.
Zuletzt ist es beim Stahlleicht- und Stahlrohrbau möglich, nichtgenormte Baustähle mit höherer Festigkeit zu verwenden. Nach DIN 1050 und DIN 4100 gibt es beim herkömmlichen Stahlbau genaue Vorgaben, welche Baustähle verwendet werden dürfen und welche Materialeigenschaften diese besitzen müssen.
Die Verwendung von dünneren Mindestquerschnitten, neuen Verbindungsmittel bzw. -arten und nichtgenormten Baustählen hat allerdings zufolge, dass der Stahlleicht- und Stahlrohrbau einen eingeschränkten Verwendungs- bzw. Anwendungsbereich sowie höhere Anforderungen an den Korrosionsschutz besitzt. Grundsätzlich dürfen Stahlleichtbauteile, sofern keine besondere Zulassung vorliegt, nur für vorwiegend ruhend belastete Bauteile angewendet werden. Im einzelnen hängt der Einsatzbereich von Stahlleicht- und Stahlrohrbauteilen, wie aus Tabelle 2: „Vorschriften für Stahlleichtbauteile nach DIN 4115“ ersichtlich ist, von Faktoren wie der Mindestdicke der Querschnitte, der Querschnittsausbildung als offener oder geschlossener Querschnitt und der Art des Korrosionsschutzes ab.
Bis auf die Vorgabe, dass Hohlräume von Bauteilen mit geschlossenen Querschnitten zum Schutz gegen innere Korrosion durch Verschweißen aller Nähte und Öffnungen luftdicht abzuschließen sind, gibt es bezüglich der Formgebung der Tragsysteme und der Baukörper bzw. Bauteile keine weiteren Einschränkungen.32,33 Damit können die verschiedenen Hersteller neue und innovative Konstruktionen schaffen und umsetzten, die mit dem herkömmlichen Stahlbau nicht möglich sind.
Tabelle 2: Vorschriften für Stahlleichtbauteile nach DIN 4115 34
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Weitere Punkte, die neben der Begriffsbestimmung und dem Verwendungsbereich in der DIN 4115 geregelt werden, sind Ausführung, also Korrosionsschutz, zulässige Spannungen, gedrückte Bauteile, Verbindungen, Bauteile aus Röhren, Verbände und bauliche Ausbildung, sowie Abnahme, Einbau und Nachweis der Eignung des Herstellwerkes, auf die nicht weiter im Detail eingegangen wird, da dies über den Rahmen dieser Studienarbeit hinausgehen würde.27 28
3.2. Zusammenfassung der Merkmale des Stahlleicht- und Stahlrohrbaus
Abschließend können die charakteristischen Merkmale des herkömmlichen Stahl- und des Stahlleicht- bzw. des Stahlrohrbaus in drei Punkten zusammengefasst werden. Zum einen zeichnen sich Stahlleichtbaukonstruktionen durch ihre Dünnwandigkeit und ihre räumliche Bauweise aus, bei der der Stahl in werkstoffsparende Konstruktionsformen gebracht wird. Zum anderen sind neuartige, häufig nichtgenormte, Stähle zulässig, die eine höhere Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Zuletzt sind beim Stahlleicht- und Stahlrohrbau fortschrittliche Fertigungsarten bei der Verbindung der Bauteile erlaubt, wie z.B. die Punktschweißung. Bedeutend ist außerdem, dass die DIN 1050 „Berechnungsgrundlagen für Stahl im Hochbau“ und die DIN 4100 „Vorschriften für geschweißte Stahlhochbauten“ weiterhin gelten, soweit in der DIN 4115 nichts anderes bestimmt ist.29
In der nachfolgenden Tabelle (Tabelle 3: Merkmale Stahlleicht- und Stahlrohrbau) werden nochmals die Unterschiede zwischen dem herkömmlichen Stahlbau und dem Stahlleicht- bzw.30 Stahlrohrbau aufgelistet.31
Tabelle 3: Unterschiede Stahlleicht- bzw. Stahlrohrbau und herkömmlicher Stahlbau
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4. Stahldächer
Stahldächer sind vom Grundprinzip wie Holzdächer aufgebaut, indem sie eine Dachhaut, also eine Dachdeckung, und eine Dachkonstruktion bzw. ein Tragwerk besitzen.32 Im folgenden wird das Dach zuerst von außen und anschließend von innen betrachtet. Somit werden als erstes die Grundbegriffe bzw. verschiedenen Dachteile sowie die unterschiedlichen Dachformen erklärt. Daraufhin wird auf die unterschiedlichen Konstruktionsarten von Dächern, der allgemeine Aufbau von Stahl- bzw. Holzdächern und die im Stahlbau am häufigsten verwendeten Binderarten bzw.33 räumlichen Tragwerke eingegangen. Auf Grundlage dessen können die im nachfolgenden Kapitel 5 vorgestellten Stahlleichtbau-Systeme einfacher beschrieben, erklärt, sowie dem jeweiligen Bindertyp direkt zugeordnet werden.34
4.1. Grundbegriffe des Daches
Bevor auf das eigentliche, innenliegende Tragwerk des Daches genauer eingegangen wird, sollten zuerst alle Begrifflichkeiten des Dachäußeren erklärt werden.35 Zur Veranschaulichung der einzelnen Bezeichnungen wird im folgenden auf Abbildung 3: „Benennung der Dachteile“ Bezug genommen.36
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bei den Dachflächen handelt es sich um die von außen sichtbaren Flächen eines Daches. Die obere Schnittkante bzw. der obere Abschluss, an dem geneigte Dachflächen waagerecht zusammenstoßen, wird als First bezeichnet. Den Gegensatz dazu bildet die Traufe die untere Kante bzw. den unteren Abschluss einer Dachfläche. Da an dieser Stelle eine Tropfkante entsteht, findet in der Regel hier die Dachentwässerung mit Hilfe einer 37 Stahr / Hinz, Sanierung und Ausbau von Dächern. Grundlagen - Werkstoffe - Ausführung, 2011, S. 9 Regenrinne statt. Als Giebel wird die abschließende Wandfläche eines Gebäudes im Bereich des Daches bezeichnet. Der Ortgang bildet den seitlichen Abschluss der Dachfläche und verbindet Traufe und First. Gleichzeitig begrenzt dieser den Giebel nach oben.37 Sobald zwei Dachflächen nicht in der Waagerechten, sondern in der Schräge zusammentreffen, handelt es sich im Falle einer Außenkante um einen Grat und im Falle einer Innenkante um eine Kehle. Stoßen an einem Punkt drei oder mehr Dachflächen aufeinander, bezeichnet man dies als Anfallspunkt. Zuletzt ist eine Differenzierung zwischen Dachgeschoss und Dachboden wichtig. Bei einem Dachgeschoss handelt es sich um einen Dachraum im Obergeschoss und bei einem Dachboden um einen unausgebauten Raum im gleichen Be- reich.38
4.2. Dachformen
Nachdem nun die einzelnen Begriffe bzw. Elemente des Daches erläutert wurden, wird nun auf die im Stahl- und Stahlleichtbau am häufigsten anzutreffenden Dachformen eingegangen. In Abbildung 4 „Dachformen“ ist zur Illustration eine Auswahl an Dachformen dargestellt, auf die im Folgenden Bezug genommen wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Dachformen39
Bei der einfachsten und gleichzeitig am weitesten verbreiteten Dachform in Deutschland handelt es sich um das Satteldach, das gleichbedeutend mit dem Giebeldach ist. Dieses besteht aus zwei geneigten Dachflächen sowie einem Dachfirst und zeichnet sich durch seine konstruktive Einfachheit und Stabilität aus.
Eine weitere häufig gewählte Dachform ist das Walmdach. Der Unterschied zum Satteldach besteht darin, dass neben der Dachfläche auf der Traufseite auch die Giebelseite geneigt ist, die „Walm“ genannt wird. Das Walmdach ist gegenüber dem Satteldach aufwendiger in der Konstruktion und somit teurer.
Neben dem Sattel- und Walmdach gibt es noch das im Stahl- und Stahlleichtbau eingesetzte Pultdach. Dieses besitzt nur eine einzige geneigte Dachfläche mit einem geringen Neigungswinkel, bei der die obere Kante der Dachfläche den First und die untere die Traufe bildet.40
Das Sheddach, oder auch Sägezahndach genannt, wird Hauptsächlich in Industrie- und Fabrikhallen verwendet, da es sich durch einen natürlichen Lichteinfall und eine einfache Konstruktion auszeichnet.
Wie in Abbildung 4: „Dachformen“ zu sehen ist, existieren weitere Dachformen neben den oben erläuterten. Diese werden nicht weiter betrachtet, da es sich dabei in der Regel um konstruktive Sonderlösungen handelte, die nicht für die Serienfertigung im Stahl- und Stahlleichtbau bestimmt waren.
4.3. Allgemeiner Dachaufbau
Nachdem nun in den Kapiteln 4.1 und 4.2 die Grundbegriffe des Daches sowie die verschiedenen Dachformen erklärt wurden, wird im Folgenden auf den allgemeinen Dachaufbau im Inneren eines Daches eingegangen. Die wichtigsten Begriffe im Zusammenhang mit dem Dachinneren sind die Lattung, der Sparren, die Pfette und der (Dach-)Binder (vgl. Abbildung 5: Allgemeiner Dachaufbau).
Die äußere Schicht der Konstruktion unter der Dachhaut bildet die (Dach-)Lattung. Diese trägt die spätere Dachdeckung und ist parallel zur Traufe bzw. zum Dachfirst auf dem Sparren befestigt.
Falls es sich um ein Pfettendach handelt, verlaufen die Sparren senkrecht zur Traufe bzw. parallel zum Ortgang auf der First-, Mittel- und Fußpfette und bilden damit die Verbindung zwischen den Pfetten und der Lattung (genauere Erklärung des Pfettendachs in Kapitel 4.4. „Dachkonstruktionen“).
Die Pfetten wiederum liegen auf dem Mauerwerk des Giebels, dem Mauerwerk des obersten Geschosses oder dem Dachbinder bzw. auch Fachwerkbinder genannt auf. Bei einem Sparrendach, entfallen die Pfetten, da sich die Sparren in diesem Fall gegenseitig stützen (genauere Erklärung des Sparrendachs in Kapitel 4.4. „Dachkonstruktionen“).41
Bei einem Dachbinder handelt es sich, wie aus der nachfolgenden Abbildung ersichtlich wird, um ein ein vertikal tragendes Bauteil im Dachtragwerk. Dieser kann sowohl den Abschluss des Dachtragwerks bilden, als auch bei größeren Spannweiten oder einem Binderdach im inneren des Tragwerks als aussteifendes Bauteil dienen (genauere Erklärung des Binderdachs in Kapitel 4.4. „Dachkonstruktionen“). Häufig wird der Dachbinder auch als Binder, Träger, Fachwerkträger oder Fachwerkbinder bezeichnet.42 43
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Allgemeiner Dachaufbau43
4.4. Dachkonstruktionen
Bevor die verschiedenen Binderarten und räumlichen Tragwerke im nächsten Kapitel vorgestellt werden, wird auf die möglichen Dachkonstruktionsarten bzw. das tragendenden Elemente eingegangen. Im Wesentlichen gibt es vier verschiedene Dachkonstruktionsarten. Dabei handelt es sich um das Sparren-, das Kehlriegel- bzw. Kehlbalken-, das Pfetten-, sowie das Binderdach (vgl. Abbildung 6: “Konstruktionsarten von Dächern im Überblick“).
Die Dachkonstruktion eines Sparrendachs kommt ohne zusätzliche Stützen im Dachraum aus. Die Sparren stützen sich in einer Dreiecksform gegenseitig ab und benötigen deshalb keine Pfetten. Allerdings ist die Spannweite aus statischen Gründen begrenzt.
Eine erweiterte Form des Sparrendaches bildet das Kehlbalken- bzw. Kehlriegeldach. Der Unterschied zum Sparrendach besteht dabei in einem waagerechten Balken unterhalb des Dachfirstes, dem sog. Kehlbalken bzw. Kehlriegel, der die Sparren zusätzlich gegeneinander abstützt. Damit ist eine größere Spannweite möglich als bei einem einfachen Sparren- dach.44 Zusätzlich ist zu erwähnen, dass bei dem Sparren- und Kehlbalkendach immer zwei gegenüberliegende Sparren zu einem Sparrendreieck verbunden sind und damit einen (Dach-)Binder sowie zugleich einen gleichschenkligen Dreigelenkrahmen bilden.45
Bei dem Pfettendach hingegen stützen sich die Sparren nicht gegenseitig, sondern liegen auf der Firstpfette sowie den Mittel- und Fußpfetten auf. Damit nehmen die Pfetten die gesamte Dachlast auf, sodass die Sparren auch versetzt aufgestellt werden können.
Dagegen handelt es sich bei einem Binder- bzw. Fachwerkbinderdach um ein vorgefertigtes Dachgerüst, das teilweise oder komplett im Stahl- oder Sägewerk hergestellt wird und nur noch mittels Kran auf den Rohbau des Hauses gesetzt werden muss. Die Binder werden mit einem definierten Abstand hintereinander aufgestellt und bilden somit ein Tragwerk, auf welches direkt die Lattung sowie die Dachhaut aufgebracht werden kann.46 47
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Konstruktionsarten von Dächern im Überblick47
In der Literatur wird eine genaue Abgrenzung häufig nicht vorgenommen weshalb auch von Sparrenbindern oder Ähnlichem gesprochen und lediglich der jeweilige Querschnitt der Binder gezeigt wird. Dies bedeutet im konkreten Fall, dass Dachkonstruktionen gleichzeitig wie ein Sparrendach und ein Binderdach aufgebaut sein können, wobei die sich jeweils abstützenden Sparren in Form von Dreigelenkrahmen die vertikal hintereinander stehenden Binder darstellen. Im Stahl- und Stahlleichtbau wird deshalb häufig nur von Bindern gesprochen, unabhängig ob Sparren-, Kehlbalken-, Pfetten- oder Binderdach.
4.5. Binderarten und Räumliche Tragwerke
Zuletzt werden die gängigen Binderarten und räumlichen Tragwerke im Stahl- sowie Stahlleichtbau vorgestellt. Neben den unten abgebildeten Binderarten existieren in der Literatur noch der Vordachbinder, der Bogenbinder, Shedbinder für Sheddächer und Binder für Großraumhallen sowie verschiedene Kuppeln, die als räumliche Tragwerke erstellt werden. Auf diese wird jedoch nicht weiter eingegangen, da im Rahmen dieser Arbeit lediglich Dächer aus Stahlleichtbaukonstruktionen für Wohn- und Zweckbauten mit kurzer bis mittlerer Spannweite betrachtet werden und Kuppeldächer nicht für eine serienmäßige Produktion vorhergesehen waren.
4.5.1. Dreieckbinder für Satteldächer
Bei den Dreieckbindern handelt es sich um die einfachste Form von Bindern, welche sich üblicherweise aus mehreren Dreiecken zusammensetzen, da das Dreieck mitunter als stabilste zweidimensionale Form gilt. Wie man in Abbildung 7: „Dreieckbinder für Satteldächer“ sehen kann, nimmt die Spannweite und damit auch die Stabilität der Binder mit wachsender Anzahl von Dreiecken zu. Die Spannweiten reichen von 5 Metern bei einem einfachen Dreieckbinder (Q) und bis zu 24 Metern bei einem belgischen Dachbindern mit Entlüftungs-Laterne (©). Des Weiteren ist deutlich, dass, wie bereits in Kapitel 4.4.: „Dachkonstruktionen“ beschrieben, das Sparrendach und das Kehlbalkendach (® und @) in der Literatur auch als Binder kategorisiert werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Dreieckbinder für Satteldächer48
4.5.2. Balkenbinder für Satteldächer
Der Balkenbinder unterscheidet sich grundsätzlich nur marginal vom Dreieckbinder. Anstelle der dreieckigen Grundform besteht der Balkenbinder aus einem Untergurt und zwei in der Mitte zusammenlaufenden schrägen Obergurten (vgl. Abbildung 8: „Balkenbinder für Satteldächer“). Der Balkenbinder ist für Spannweiten von 8 - 30 Metern einsetzbar, wobei er allerdings durch die geringe Neigung der Dachflächen eher für den Einsatz in Industriehallen vorgesehen ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
(5) bis (?) Balkenbinder mit steigenden und fallenden Diogonalen für ca 5 m Pfettenabstand; (7), (ß) mit Laterne
Abbildung 8: Balkenbinder für Satteldächer 49
4.5.3. Dreieck- und Balkenbinder für Pultdächer
Während in Satteldächern die zuvor beschriebenen Dreieck- und Balkenbinder zur Anwendung kommen, existieren diese auch für Pultdächer. Dabei wurden die Binder der Satteldächer gedanklich in der Hälfte geteilt. Beispielsweise ist der zweifache Dreieck-Pultdachbinder (®) aus Abbildung 9: „Dreieck- und Balkenbinder für Pultdächer“ die linke Hälfte des zweifachen englischen Dachbinders (@) aus Abbildung 7: „Dreieckbinder für Satteldächer“. Die Spannweiten der Pultdächer fallen im Gegensatz zu den anderen Bindern mit 5 - 12 Metern relativ gering aus.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Dreieck- und Balkenbinder für Pultdächer50 51
4.5.4. Räumliche Tragwerke
Zuletzt werden nun die räumlichen Tragwerke vorgestellt. Dabei handelt es sich, wie in Abbildung 10: „Räumliche Tragwerke“ dargestellt ist, nicht mehr um einen zweidimensionalen Binder, sondern um ein dreidimensionales Tragwerk, das weiterhin aus verschiedenen Dreiecken zusammengesetzt wird. Im Gegensatz zu den ebenen Dachbindern weisen die räumlichen Tragwerke eine größere Seitensteifigkeit auf, da sie sich im dreidimensionalen Raum gegenseitig abstützen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Räumliche Tragwerke51
4.6. Profilarten
Aus dünnen Blechen können beliebig viele Profile durch Knicken, Biegen und Ziehen (Kaltverformung) erzeugt werden. Ziel dieser Verformungen ist es stabilere Strukturen zu erschaffen, um ein Vielfaches an höherer Last aufnehmen zu können bei gleichbleibendem Ausgangsgewicht. In der Regel besitzen die Profile konstante Wanddicken, die zusätzlich in bestimmten Teilstücken verdoppelt werden können. Abbildung 11: „Mögliche Einfache Profile“ zeigt eine Auswahl dieser Profile.
Zusammengesetzte Profile, welche in Abbildung 12: „Mögliche Zusammengesetzte Profile“ abgebildet sind, entstehen durch neuartige Verbindungsmethoden, wie Punkt- schweißen, Lichtbogenschweißen und Kleben einfacher Profile. Da die Tragwirkung dünnwandiger Bauteile von der jeweiligen Profilart abhängt, können durch das Zusammenbrin- gen der verschiedenen einfachen Profile sehr Stabile Träger und Konstruktionssysteme entstehen, welche die Vorteile der einzelnen Profile zusammen vereinen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Mögliche Einfache Profile52
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Mögliche Zusammengesetzte Profile53
Die hergestellten Profile können Grundsätzlich in zwei Gruppen unterteilt werden. Zum einen in standardisierte Profile, die von den jeweiligen Unternehmen serienmäßig auf Lager hergestellt werden und zum anderen in nicht standardisierte Profile, die erst nach einer individuellen Bestellung gefertigt werden.
Geschlossene Profile mit Quadrat- und Rechteckquerschnitt sind besonders für diejenigen Konstruktionen geeignet, die unter Verwendung von standardisierten Sortimenten entworfen werden. Profilformen, die von den oben beschriebenen Formen abweichen, werden in der Regel nur für eine bestimme Aufgabe oder ein bestimmtes Bauteil benötigt, weshalb sie nicht standardisiert werden können und auf Bestellung herzustellen sind.
Damit der Profilquerschnitt an die vorgesehene Tragwirkung bestmöglich angepasst werden kann, sind die zuvor vorgestellten Profile, bevor sie in einem bestimmten Bauteil oder einer bestimmten Konstruktion verwendet werden sollen, zweckentsprechend zu entwerfen. Bei der Wahl und Gestaltung der einzelnen Profilquerschnitte sollte zu Beginn einer jeden Konstruktion der genaue Zweck, die Nutzung sowie die maximal auftretenden Lasteinwirkungen festgelegt sein.
Grundsätzlich wurde angestrebt dünnwandige geschlossene Hohlkörper zu verwenden, da diese bei Druck-, Biege- und Drehbeanspruchung statisch vorteilhafter als andere Profile sind. Außerdem haben Hohlkörper den Vorteil, dass die Innenflächen bei geschlossenen Enden nicht der Korrosion ausgesetzt sind (genauere Erklärung des Korrosionsschutzes in Kapitel 4.8. „Korrosionsschutz“). Bei Fachwerkkonstruktionen ist eine einwandige Ausbildung anzustreben, um die Anwendung der Punktschweißung zu ermöglichen.54,55
4.7. Konstruktionsgrundlagen
In der Literatur werden häufig die Stahlleicht- und Stahlrohrbaukonstruktionen in die zwei Kategorien „Bauteile aus kaltgeformten Profilen“ und „Bauwerksteile aus warmgewalzten Profilen“ unterteilt.
Kaltgeformte Stahlteile werden ausschließlich aus hochwertigen Stahlblechen hergestellt und mittels Biegen, Knicken, Walzen, etc. in endgültige Formen gebracht. Bei diesen Vorgängen wird keine Hitze benötigt. Der größte Vorteil der kaltgeformten Stahlteile liegt im geringeren Gewicht im Vergleich zu den warmgewalzten, weshalb die Bauteile in der Regel dünner, leichter, einfacher herzustellen und kostengünstiger sind als warmgewalzte Teile. Diese hingegen werden unter Zugabe von Hitze und Walzen in die endgültige Form gebracht. Zu diesen Profilen gehören klassischerweise I-Profile sowie Rohre und dergleichen, die aus soliden Stahlblöcken hergestellt werden.
Leichte Konstruktionen, die ausschließlich aus kaltgewalzten Blechen hergestellt werden, ergeben für Spannweiten zwischen 6 m und 15 m den kleinsten Stahlverbrauch. Dieser kann bis zu 60 % geringer sein als bei vollwandigen Trägern und bis zu 40 % im Gegensatz zu Fachwerken aus warmgewalzten Profilen. Dahingegen sind warmgewalzte Profile bei Spannweiten von 12 m bis 21 m besonders wirtschaftlich. Der Grund für diese beson- Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 36 - 37 ders effizienten Spannweiten ist, dass bei größeren Spannweiten der Umfang von Werkstattarbeiten derart zunimmt, dass die Gesamtkosten der Konstruktion höher werden. Bei den kaltgeformten Profilen kommt hinzu, dass die dünnen Bleche ab einer gewissen Spannweite nicht mehr ausreichend Last aufnehmen können und somit mehr Blechen zur Verstärkung notwendig wären, was wiederum zu einem unwirtschaftlichen Gewicht sowie hohem Stahlverbrauch führen würde.
Da allerdings auch Hybrid-Konstruktionen exisiterten, wie z.B. der in Kapitel 5.1.4. vorgestellte „R-Träger, aus T-Gurten mit Rundstahlaussteifung“, und die Art der Profilherstellung zum Teil nicht mehr festzustellen ist, wird im Folgenden keine Unterscheidung zwischen den Herstellungsarten gemacht.
Für die Dacheindeckung von leichten Konstruktionen wurden hauptsächlich Falt-, Welloder Rippenbleche, Wellasbestzementplatten, Platten aus holzartigen Stoffen (z.B. Holzspanplatten) und Leichtbetonplatten verwendet. In Ausnahmefällen kamen auch mehrschichtige Kunststoffplatten, Schaumglas oder Pappe auf Brettern zum Einsatz. Bei Sparren- und Kehlbalkendächern konnten ebenso Dachziegel, Dachschiefer oder Asbestzement-Dachplatten verwendet werden. Schwere Baustoffe sind auf Grund des daraus resultierenden höheren Stahlverbrauchs nicht zu empfehlen. Allerdings ist zu beachten, dass bei der Verwendung von Betonplatten wiederum auf die Pfetten in der Regel verzichtet werden kann, da die Platten für ausreichend Versteifung des Daches sorgen.
Auf besonders vorteilhafte Dacheindeckungen bei bestimmten System, wird beim vorstellen der einzelnen Konstruktionen in Kapitel 5: „Stahlleichtbau- und StahlrohrbauSysteme“ eingegangen.56,57,58
4.8. Korrosionsschutz
Ein angemessener Korrosionsschutz ist auf Grund der geringen Werkstoffdicke bei den leichten Konstruktionen besonders wichtig. Korrosion sorgt für eine Schwächung des Querschnitts, was bei den empfindlichen dünnwandigen Bauteilen in kurzer Zeit zur Zerstörung führen kann.
An Stahlkonstruktionen entsteht Korrosion in der Regel infolge elektrochemischer Reaktionen. Die Korrosion kann entweder durch Elementbildung zwischen Stahl und nichtmetallischen Bestandteilen (z.B. Schlackeneinschlüsse) sowie zwischen Stahl und edleren Materialen eingeleitet werden. Bedingung für die chemische Reaktion und damit die Rost- Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 36 - 37 bildung ist ein Elektrolyt, dass in der Regel in Form von Wasser vorhanden ist. Für die Ablagerung von Wasser auf Stahlbauteilen ist die relative Luftfeuchtigkeit maßgebend, die allerdings stark temperaturabhängig ist. Verstärkt wird die Korrosion insbesondere durch staubförmige Ablagerungen oder aggressive Gase wie z.B. Schwefeldioxyd oder Kohlendioxyde.
Die nachfolgende Tabelle zeigt ungefähre Korrosionsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von den verschiedenen Angriffsatmosphären. Beispielsweise ist die Korrosionsgeschwindigkeit in Seeluft um das 15 bis 40-fache höher als in einer ländlichen Umgebung. Es wird deutlich, dass die Anforderungen an den Korrosionsschutz in der DIN 4115 nicht unbegründet sind, weshalb diese besonders bei aggressiven Atmosphären wie Industrie- und Seeluft erfüllt werden müssen.
Tabelle 4: Korrosionsgeschwindigkeit unter bestimmten Angriffsatmosphären54
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zum Schutz gegen Korrosion können Stahlleichtbaukonstruktionen mit verschiedenen Maßnahmen gesichert werden. Zum einen können mit Hilfe von Legierungselementen wie z.B. Nickel oder Kupfer rostfreie Stähle hergestellt werden. Da die Herstellung des rostfreien Stahls allerdings mit hohen Kosten verbunden ist wird er im Stahlbau kaum verwendet.
Eine weitere Methode zur Verhinderung einer schnellen Korrosion ist die richtige und zweckentsprechende Gestaltung von Stahlkonstruktionen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der baulichen Durchbildung sowie der Profilwahl und der Korrosionsbeständigkeit, wie auch die Versuchsergebnisse in Abbildung 13: „Zusammenstellung der Korrosionsgeschwindigkeiten“ zeigen. Die relative Korrosionsgeschwindigkeit S 0 wird anhand der Formel (4.1) beschrieben.
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1 Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 9
2 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 9
3 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 9
4 Vgl. Leonhardt, Leichtbau - eine Forderung unserer Zeit. Anregungen für den Hoch- und Brückenbau, S. 413 - 423
5 Neufert, Bauordnungslehre, 1943, Vorwort
6 Vgl. Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 5
7 Neufert, Bauordnungslehre, 1965, S. 140
8 Vgl. Neufert, Bauordnungslehre, 1965, S. 140
9 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 9
10 Vgl. Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 5
11 Vgl. Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 5-6
12 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 10
13 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 12-13
14 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 12-13
15 Vgl. Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 12-13
16 Vgl. Mannesmann-Röhrenwerke Aktiengesellschaft, Stahlrohrbau, 1955, S. 198-199
17 Vgl. Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 268-271
18 Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 272
19 Vgl. Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 268-271
20 Vgl. Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 279
21 Vgl. Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 280
22 Vgl. Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 286
23 Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 286
24 Vgl. Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 7
25 Vgl. Mittag, Baukonstruktionslehre, 1971 S. 161
26 Vgl. Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 7
27 Mittag, Baukonstruktionslehre, 1971 S. 161
28 Vgl. Deutscher Stahlbau-Verband, Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 286-292
29 Vgl. Fachverband Stahlbau, Abhandlungen aus dem Stahlbau. Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 7-8
30 Stahr / Hinz, Sanierung und Ausbau von Dächern. Grundlagen - Werkstoffe - Ausführung, 2011, S. 12
31 Vgl. Wikipedia, Dach
32 Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 268-271
33 Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 279
34 Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 12-13
35 Stahlbau-Handbuch, 1952, S. 286
36 Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 12-13
37 Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 9
38 Heft 4 - Stahlleichtbau, 1950, S. 5
39 Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 10
40 Vgl. Bauratgeber-Deutschland, Dachformen
41 Vgl. Wikipedia, Dachkonstruktion
42 Vgl. Wikipedia, Dachbinder
43 Vgl. Wikipedia, Dachbinder
44 Vgl. ZBO - Zentrale Bauorganisation, Dachkonstruktion
45 Vgl. Wikipedia, Dachbinder
46 Vgl. ZBO - Zentrale Bauorganisation, Dachkonstruktion
47 Mittag, Baukonstruktionslehre, 1971 S. 174
48 Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 12-13
49 Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 9
50 Mittag, Baukonstruktionslehre, 1971 S. 158
51 Mittag, Baukonstruktionslehre, 1971 S. 159
52 Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 20
53 Brodka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 20
54 Bródka / Lubinski, Leichte Stahlkonstruktionen, 1977, S. 48
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