Tragwerkskonstruktionen im Hallenbau

Ein Tragwerk hat die Aufgabe, einwirkende Kräfte an Auflagerpunkte zu transportieren, um diese dort abzuleiten. Der Hallenbau zeichnet sich dabei für gewöhnlich durch Tragwerkskonstruktionen aus Stützen und Bindern sowie Rahmentragwerke aus, auf die Wand- und Deckenelemente zur weiteren Versteifung aufgebracht werden. Besonders effizient ist dabei die Nutzung von Stahlkonstruktionen, wobei auch Stahlbetonstützen oder Holzbinder zum Einsatz kommen können.

Bemessung der Traglasten

Um die Dimension der Tragwerkskonstruktion zu ermitteln, bedarf es der Berücksichtigung einiger Aspekte, damit das Gebäude den Beanspruchungen dauerhaft standhält.

  • Auf Dach und Wände wirken Schnee- und Windlasten ein, die unter anderem von der Fläche und der Dachneigung abhängen und sich auf das Tragwerk übertragen.
  • Das Eigengewicht der Konstruktion muss bei der Berechnung berücksichtigt werden.
  • Die Vorkrümmung von Stützen, eine eventuell vorhandene Schiefstellung selbiger ist ebenfalls zu berücksichtigen.
  • Durch die Nutzung entstehende Lasten (z. B. an Dachträger montierter Hallenkran), Biegemomente und Querlasten treten auf.

Dabei unterscheidet man die Grenzzustände der Tragfähigkeit, welche die Sicherheit des Tragwerks oder von Personen betreffen, sowie Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit, die Aussagen über die Beanspruchung im normalen Gebrauch betreffen. Bei der Bemessung der Tragfähigkeit werden sowohl ständige Bemessungssituationen berücksichtigt, die den regulären Gebrauch betreffen, als auch außergewöhnliche Situationen wie Aufprälle oder Explosionen. Auch die Gebrauchstauglichkeit wird durch unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten ermittelt.

Die Bemessung von Stahlbauten erfolgt in der Regel nach Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten (EN 1993). Allgemeine Grundlagen zur Tragwerksplanung sind der DIN EN 1990, „Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung“ zu entnehmen, die Bemessung von Tragwerken nach den Einwirkungen erfolgt gemäß DIN EN 1991 „Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke“. Regeln zur Kombination von Einwirkungen sind in DIN EN 1990 angegeben. Daneben sind bei der Ausführung von Stahltragwerken die Regeln der DIN EN 1090 „Ausführung von Stahltragwerken und Aluminiumtragwerken“ zu beachten.

Der Bauteilnachweis erfolgt dabei in vier Schritten:

  1. Ermittlung der Beanspruchung (Einwirkung),
  2. Klassifizierung des Querschnitts,
  3. Ermittlung der Beanspruchbarkeit (Widerstand),
  4. Nachweis des Bauteils durch Gegenüberstellung von Beanspruchung (Einwirkung) und Beanspruchbarkeit (Widerstand, ggf. mit Interaktionen).

Stahlbauprofile

Im Stahlbau gibt es verschiedene standardisierte Stahlprofile in jeweils verschiedenen Dimensionierungen:

  • I-Träger
  • IPE – insbesondere für Träger
  • HE (HEA, HEB, HEM) – vor allem für Stützen
  • halbierte I-Träger, u.a. für Waben- oder Cellform-Träger
  • U-Stahl (U, UAP, UPE)
  • Winkelstahl (L) gleich- und ungleichschenklig, T-Stahl, Z-Stahl
  • Profile für Spundwände
  • Rund- und Vierkantstahl (Vollprofile)
  • Quadrat-, Rechteck- und Kreishohlprofile (warm- oder kaltgefertigt)
  • Trapezprofile aus Stahlblech für Wand und Decke
  • Kaltprofile aus flachgewalztem Stahl
  • Träger aus Grobblech für besondere Beanspruchungen

Querschnittsklassifizierungen

Im Stahlbau werden vier Querschnittsklassen unterschiedliche berechnet:

• QKL1: Querschnitte können plastische Gelenke mit ausreichendem Rotationsvermögen für plastische Bemessung ausbilden.

• QKL2: Querschnitte können die plastische Momenttragfähigkeit entwickeln, haben aber aufgrund örtlichen Beulens nur eine begrenzte Rotationskapazität.

• QKL3: Querschnitte erreichen die Streckgrenze bei Druckbeanspruchung in der ungünstigsten Querschnittsfaser, können aber wegen örtlichen Ausbeulens die plastischen Reserven nicht nutzen.

• QKL4: Querschnitte, die nicht den Klassen 1 bis 3 zugeordnet werden können. Momenten- und Drucktragfähigkeit müssen unter Berücksichtigung des örtlichen Ausbeulens bestimmt werden. B

ei Klasse 1 darf neben der Plastizitätstheorie außerdem die Fließgelenktheorie angewandt werden, wohingegen die Klassen 3 und 4 meist wirtschaftliche Dimensionierungen zulassen, da sie durch ihre Schlankheit effizientere Hebelarme bei kleinerem Querschnitt zulassen.

Korrosions- und Brandschutz

Stahl ist ohne zusätzlichen Schutz nicht vor Witterungseinflüssen geschützt.

Damit bedarf es eines Korrosionsschutzes gegen die die Bildung von Rost, der in den Normen der Reihe EN ISO 12944, EN ISO 14713 bzw. in EN ISO 1461 geregelt ist. Möglich sind dabei zwei verschiedene Schutzarten:

  • Beschichtung
  • metallische Überzüge

Die Beschichtung besteht dabei aus einer Grundbeschichtung aus pigmentierten Kunstharzbeschichtungen wie Zinkstaub oder Zinkphosphat sowie einer Deckbeschichtung aus Pigmenten, Bindemitteln und Füllstoffen zum Schutz gegen Feuchtigkeit und UV-Strahlen. Bei metallischen Überzügen trägt eine metallische Schutzschicht - bei Baustahl in der Regel Feuerverzinkung in Tauchbädern - zum Korrosionsschutz bei.

Als drittes ist die Kombination beider Systeme für besonders dauerhaften Schutz zu nennen. Dieses sogenannte Duplex-System kombiniert eine Feuerverzinkung oder Sherardisieren mit einer anschließenden Beschichtung.

Bei Stahlseilen hingegen verfüllt man die Hohlräume während der Herstellung mit einer Leinöl-Bleimennige-Paste und stellt den Außenschutz anschließend über elastomere Kunststoffe her, die die Biegungen und Bewegungen unbeschadet überstehen.

Insgesamt bietet jedoch als erstes bereits die Konstruktion einen Schutz, indem Wasser- und Schmutzablagerungen entweder auf ein Minimum reduziert oder Stahlteile luft- und wasserdampfdicht verschlossen werden.

Neben dem fehlenden Korrosionsschutz ist auch kein für Tragwerkskonstruktionen hinreichender Brandschutz gegeben, der im Falle von Hitzeeinwirkung einen Schutz vor der Verformung des Stahls bietet. Hier bieten sich einerseits bauliche Maßnahmen wie die Ummantelung der Träger in Form eines Stahlverbundes (Stahlbeton) oder aber eine Oberflächenbehandlung der Träger an, durch die sich trotz der Eigenschaften von Stahl ein F90-Brandschutz erzielen lässt.

Stahlkonstruktionen im Hallenbau

Für die Tragkonstruktion nutzt man gewalzte Stahlträger, Bleche und Rohre, die verschraubt, verschweißt oder genietet werden. Das sogenannte Knotenblech dient dabei als zentraler Punkt, an dem die einzelnen Stäbe miteinander verbunden sind. So lassen sich Schweißnähte vermeiden, Kraftfluss und Dauerfestigkeit steigen. Die wichtigste Funktion ist damit das punktgenaue Zusammenführen von Schwerelinien der Profile, um letztlich eine Versteifung der Gebäudehülle in Längs- und Querrichtung zu erzielen. Die Dicke des mit Bohrungen versehenen Stahlbleches kann dabei mehrere Zentimeter betragen.

Dachtragwerkskonstruktionen aus Stahl

Die Aufgabe des Dachtragwerks ist die Aufnahme und das Weiterleiten von Schnee und Windlasten in andere tragende Gebäudeteile sowie das Tragen der Dachdeckung, welche das Gebäude vor Feuchtigkeit und Niederschläge schützt. Die Ausformung des Dachtragwerks wird dabei durch die Spannweite, die Dachneigung und die Art der Dacheindeckung bestimmt.

Während im Hausbau meist Sparren- und Pfettendächer genutzt werden, kommen im Hallenbau in der Regel Binder und Fachwerkträger zum Einsatz, die große Spannweiten überbrücken können. Da hier neben den Normalkräften in der Regel auch Biegemomente und Querkräfte auftreten, ist die Berechnung relativ komplex. Als Material stehen dabei Rohre, Profilträger aus Stahl, Aluminium, Edelstahl sowie aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder Holz zur Auswahl. Die Knoten sind bei Schmiede- und Gussteilen aus Stahl, bei Drehteilen aus Aluminium oder Edelstahl gefertigt.

Die Ausformung von Fachwerken kann dabei unterschiedliche Verbände wie z. B. Andreaskreuze, K-Verbände, Pfosten oder Streben aufweisen. Neben diesen Stabfachwerken weisen sogenannte Raumfachwerke keine biegefesten Verbindungen der Stäbe untereinander, sondern eine Anordnung der Stäbe in mehreren Lagen oder im Raum auf.

Auch Binder gibt es in verschiedenen Formen, die zusammen mit Stützen zum Einsatz kommen. Daneben ist im Hallenbau vor allem das Rahmentragwerk als biegesteife Verbindung von Rahmenstiel und Rahmenriegel verbreitet, wodurch sich im Gegensatz zur Konstruktion aus Stützen und Bindern eine Verteilung der Biegebeanspruchung ergibt, was sich positiv auf das Tragverhalten auswirkt. Eine ausführliche Beschreibung zu unterschiedlichen Tragwerkskonstruktionen findet sich im Planungsleitfaden Hallen aus Stahl.

Vorteile von Tragkonstruktionen aus Stahl

Stahl ist ein extrem stabiler, hoch belastbarer Baustoff. Dadurch lassen sich vergleichsweise leichte und schlanke Konstruktionen errichten. Gleichzeitig sind durch einen hohen Vorfertigungsgrad kurze Bauzeiten möglich. Damit amortisiert sich der leicht erhöhte Kostenfaktor in der Regel schnell wieder.

Im Zuge der steigenden Bedeutung von Nachhaltigkeit verfügt Stahl ebenfalls über Vorteile. So sind durch die hohe Festigkeit und das geringe Konstruktionsgewicht filigrane Tragwerkkonstruktionen möglich. Bei einem späteren Rückbau von Gebäuden lässt sich Stahl durch Magnete aus dem Bauschutt holen und vollständig recyceln oder direkt wieder verbauen.

Da Stahl ohne zusätzlichen Schutz nicht hitzebeständig ist und durch die Witterungseinflüsse korrodiert, bedarf es eines zusätzlichen Schutzes durch Oberflächenbeschichtungen oder Verzinkungen beziehungsweise entsprechender Brandschutzverkleidung oder Brandschutzbeschichtungen.

Insbesondere bei großen Spannweiten, d. h, dort, wo hohe Ansprüche an die Festigkeit gestellt werden, und im Falle ästhetischer Gestaltungswünsche eignet sich Stahl besonders gut als Tragkonstruktion - und damit perfekt für Ihre individuelle Stahlhalle.

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