Schnee- und Windlasten im Stahlhallenbau

Auf eine Stahlhalle wirken jahreszeitenbedingt große Kräfte durch Wind und Schnee ein, die bei der Dimensionierung der Tragkonstruktion eingeplant werden müssen. Während Wind sich vor allem an den Wänden bemerkbar macht, drückt Schnee im Winter von oben auf das Gebäude und verursacht unter Umständen enorme Drucklasten.
 

Schneelast


Schnee bleibt im Winter auf dem Dach liegen und erzeugt große Kräfte, die senkrecht als Schneelast auf die Tragkonstruktion einwirken. Ist die Tragfähigkeit des Gebäudes nicht ausreichend dimensioniert, drohen Langzeitschäden durch Drucklasten, schlimmstenfalls stürzt das Dach ein.


Als gefrorener Niederschlag hängen Dichte und Gewicht des Schnees von der Temperatur ab: Während ein Meter Pulverschnee etwa einer Wassersäule von 6-10 cm entspricht, steigt diese bei feuchtem Schnee auf ca. 20 cm an. 
 

Schneelastzonen in Deutschland


Bekanntermaßen fällt nicht überall gleich viel Schnee. Ein Gebäude in Niedersachsen muss also höchstwahrscheinlich nicht den gleichen Lasten standhalten wie ein Haus am Alpenrand. Um hier Richtwerte vorzugeben, bildet eine Schneelastkarte nach DIN 1055-5 drei Zonen ab, die sich an der Höhenlage üNN orientieren. Zusätzlich geben die Zonen 1a und 2a Auskunft über eine im Verhältnis zur Höhenlage überproportionale Schneemenge, bei denen die Werte aus Zone 1 und 2 jeweils um den Faktor 1,25 erhöht wurden. Je höher die Zahl, desto höher auch die zu erwartende Schneelast. 


Eine Übersicht über Wind- und Schneelasten findet sich hier, eine exakte Karte mit einer Auflistung der Schneelastzonen für alle Orte in Deutschland stellt die Seite des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) bereit. 
 

Berechnung der Schneelasten


Grundsätzlich verfügen die drei Zonen über charakteristische Schneelasten:
 

Darüber hinaus gelten für die Berechnung der Lasten folgende Formeln für Standorte, die höher liegen als in der Tabelle angegeben:
 

Besondere Regelungen gelten für das Harz, wo grundsätzlich eine Lastannahme von 5,5 kN/m² gilt, sowie für die Norddeutsche Tiefebene, in der die ermittelten Werte mit dem Faktor 2,3 multipliziert werden.

Außergewöhnliche Einwirkungen durch Schneelasten, die sich außerhalb der Norm bewegen, sind zudem in DIN 1055-100 erfasst. Darüber hinaus gibt es eine Liste mit weiteren Orten im Alpenvorland, die einen Faktor zwischen 1,15 und 1,4 zugrunde legen. Ein hilfreiches Tool zum Ermitteln der Schneelasthöhe findet sich hier.

Bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden können die Menge und Verteilung der Last durch Verwehungen sowie Dichte, Vereisungsgrad und Wassergehalt des Schnees. Hier sind im Zweifel aktuelle Proben und Berechnungen erforderlich, die im schlimmsten Fall eine Räumung des Daches nach sich ziehen, um ein Einstürzen zu vermeiden.
 

Berücksichtigung der Dachneigung


Auswirkungen auf die Schneelast hat neben der Region auch die Dachform: Je steiler das Dach, desto eher rutscht Schnee von der Dachfläche ab, die Last verringert sich. 
Die genannten Tabellen und Listen geben zunächst die Schneelast am Boden an. Um bei der Berechnung auch die Dachschräge einzubeziehen, nutzt man weitere Formeln zur Ermittlung des sogenannten Formbeiwertes:


α ≤ 30 °: Sk(Dach) = Sk(Boden) * 0,8
30° < α  ≤  60°: Sk(Dach) = Sk(Boden) * [0,8 * ( 60° - α) / 30°]


Bei einer Dachneigung von mehr als 60° geht man von einer Schneelast gleich Null aus:
α > 60°: Sk(Dach) = 0 kN/m²


Multipliziert man das Ergebnis mit dem Faktor 100, erhält man die Schneelast nicht mehr in kN/m² sondern in kg/m².
 

Windlasten bei Stahlhallen


Räumliche Unterschiede bei der Luftdruckverteilung führen zu Wind - ein Massenstrom, der eine Gleichverteilung der Teilchen im Raum anstrebt - Wind tritt in unterschiedlichen Geschwindigkeiten, die in m/s oder km/h angegeben werden, aus unterschiedlichen Himmelsrichtungen auf. 

Dieser Wind wirkt als Flächenlast auf sämtliche Teile der Gebäudehülle ein - anders als die Schneelast - parallel zur Grundfläche, nicht senkrecht nach unten. Die Strömung erzeugt einen Winddruck am Gebäude, der sich vor allem aus Sog- und Druckwirkung zusammensetzt - Überdruck auf der zugewandten, Unterdruck auf der windabgewandten Seite sowie an den Dach- und Seitenflächen, an deren Gebäudekanten sich die Luftströmung bricht. 

Dabei nimmt die Kraft, die der Wind auf Bauwerke ausübt, quadratisch zur Windgeschwindigkeit zu: Bei einer doppelten Windgeschwindigkeit treten also die vierfachen Kräfte auf.
 

Berechnung der Windlast


Berechnungen von Windlast und Winddruck berücksichtigen unter anderem auch die Gebäudefläche und die Dichte der Luft, die ebenfalls einen Einfluss auf die Kräfte hat. Für den Winddruck WD und die Windlast w gelten:

WD = cp * p/2 * v² (in N/m²)
und 
w = A * WD (in N)
oder
pStau = p/2 * v²
und
w = cp * A * pStau
A = Bezugsfläche in m2
cp = Druckbeiwert (dimensionslos)
v = Windgeschwindigkeit in m/s
p = Dichte der Luft in kg/m3

Die Dichte der Luft ist 1,293 kg/m3 bei 0 °C und 1,204 kg/m3 bei 20 °C bei mittlerem Druck auf Meereshöhe von 1013,25 hPa = Millibar = 760 Torr = mmHg.

Regionale Unterschiede bei Windlasten


Einflussfaktoren auf die Stärke der Windlast sind der örtliche Standort, Windklima und topografische Lage - nicht überall in Deutschland herrscht hier eine vergleichbare Ausgangslage. Spezielle Windlastzonenkarten - über einen längeren Zeitraum gemessene Mittelwerte - treffen Aussagen über Windwiderstandsklassen, Geländekategorien und jeweilige Lastannahmen.

Je nachdem, in welcher Region man also seine Stahlhalle errichtet, sind unterschiedliche Lasten maßgeblich:
 

Darüber hinaus spielen verschiedene Geländeformen eine Rolle bei der Berechnung. Hier sind ebenfalls vier Differenzierungen vorgegeben:

  • offene See
  • > 5km freies Gelände aus Windrichtung vor dem Gebäude
  • Vorstädte, Wälder und Industrie- oder Gewerbegebiete
  • Stadtgebiet
Bedeutung der Bauwerksgeometrie


Auch die Form des Bauwerks entscheidet über die auftretenden Windlasten. Während der Winddruck direkt am Boden gleich Null ist, steigt er mit zunehmender Gebäudehöhe an. Auch die aerodynamische Form des Gebäudes entscheidet über Sog- und Druckwirkung von Wind.

Ein hilfreiches Tool zur Berechnung der Windzone und des Basisgeschwindigkeitsdrucks findet sich auf dieser Seite.
 

Um durch Lasten auftretende Schäden beim Bau einer Stahlhalle zu vermeiden, bedarf es der Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten sowie der Gebäudekonstruktion. Die Planung und Durchführung des Baus der Stahlhalle in die Hände eines Experten zu legen, der diese komplexen Berechnungen fachmännisch berücksichtigt, lohnt sich - nicht zuletzt, da Versicherungsleistungen im Schadensfall  nicht oder nur eingeschränkt übernommen werden, wenn die anerkannten Regeln der Technik nicht vollständig in die Planung eingeflossen sind.

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