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Stahltragwerke im Industriebau

Stahltragwerke im Industriebau

Hartmut Pasternak, Hans-Ullrich Hoch, Dieter Füg

ISBN: 978-3-433-60053-5

Sep 2010

304 pages

Description

The book deals with a significant area of steel construction ? industrial building. The eight chapters describe all the important aspects of this field. A reference book for daily tasks and for rapid introduction into new fields of work.
Vorwort 7

1 Entwicklung der Eisen- und Stahlbauweise 8

1.1 Eisen- und Stahlbauweise – ein historischer Abriss 8

1.2 Geschichtliche Entwicklung der Stahlbaunormung 12

1.3 Tragwerkselemente in der historischen Entwicklung 13

1.3.1 Gewalzte und genietete Trager 13

1.3.2 Stutzen 13

1.4 Verbindungsmittel in der historischen Entwicklung 14

1.4.1 Nietverbindungen 14

1.4.2 Bolzen- und Schraubenverbindungen 14

1.4.3 Schweisen 15

1.5 Entwicklungen in der Industriebauweise 15

1.6 Literatur 19

2 Bauteile des Stahlhochbaus 20

2.1 Bemessungsgrundlagen 20

2.1.1 Grenzzustande 20

2.1.2 Modellbildung fur den rechnerischen Nachweis 21

2.1.3 Semiprobabilistisches Sicherheitskonzept 21

2.1.4 Einwirkungen und deren Kombinationen 22

2.1.5 Widerstand und Beanspruchbarkeit 23

2.2 Flachenartige Stahlbauteile 23

2.2.1 Allgemeines, Bedeutung 23

2.2.2 Herstellung und Korrosionsschutz 23

2.2.3 Formen und Abmessungen 24

2.2.4 Bemessung fur den Fall von senkrecht zur Blechebene einwirkenden Lasten 24

2.2.5 Verbindungstechnik 25

2.2.6 Einsatz beim Bau von Dachern 30

2.2.7 Einsatz beim Bau von Wanden 33

2.2.8 Hinweis auf Zubehor 35

2.2.9 Beispiel B 2.1: Lichtkuppelauswechselung 35

2.3 Pfetten und Wandriegel 37

2.3.1 Allgemeines 37

2.3.2 Querschnitte fur Pfetten 38

2.3.3 Einteilung nach statischen Systemen 38

2.3.4 Pfetten fur geneigte Dacher – Problem des Dachschubes 40

2.3.5 Befestigung der Pfetten auf der Unterkonstruktion 41

2.4 Vollwandtrager 43

2.4.1 Allgemeines 43

2.4.2 Gewalzte Biegetrager 43

2.4.3 Anpassung an den Verlauf der Biegemomente oder lokale Verstarkungen 43

Beispiel B 2.2: Durchlauftrager 44

2.4.4 Verformungen infolge von Querkraften 45

Beispiel B 2.3: Frei aufgelagerter Einfeldtrager mit Einzellast in der Mitte 45

2.4.5 Geschweiste Trager 45

2.4.6 Geschraubte oder genietete Trager 46

2.4.7 Konstruktion 46

Beispiel B 2.4: Bemessung von Lasteinleitungsrippen 48

2.4.8 Waben- und Lochstegtrager 49

2.5 Stutzen 50

2.5.1 Einteilige Stutzen aus Walzprofilen 50

2.5.2 Einteilige Stutzen aus Schweisprofilen 55

2.5.3 Mehrteilige Stutzenquerschnitte 56

2.6 Fachwerktrager 56

2.6.1 Allgemeines 56

2.6.2 Fachwerkformen 56

2.6.3 Fachwerksysteme – Anordnung der Fullstabe 57

2.6.4 Wahl der Querschnittsformen und Knotenpunktausbildung 57

2.6.5 Berechnung 60

2.6.6 Konstruktion 60

2.7 Stahlverbundbauweise 62

2.7.1 Einfuhrung 62

2.7.2 Tragwerkselemente im Stahlverbundbau 64

2.7.2.1 Stahlverbundtrager 64

2.7.2.2 Verbundstutzen 64

2.7.2.3 Verbunddecken 64

2.7.3 Flachdeckensysteme 65

2.7.3.1 Grundsatze 65

2.7.3.2 Additivdecken 66

2.7.3.3 Stahlflachdecke mit tiefen Trapezprofilblechen 66

2.7.4 Berechnungsgrundlagen fur Verbundtrager 66

2.7.4.1 Grundsatzliches zur Nachweisfuhrung 66

2.7.4.2 Elastische Biegemomententragfahigkeit 67

2.7.4.3 Plastische Biegemomententragfahigkeit 68

2.7.4.4 Verbundmittel, Verbundsicherung 69

2.7.4.5 Querkrafttragfahigkeit, Interaktion Biegung/Querkraft 70

2.7.4.6 Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 71

2.7.5 Beispiel B 2.5: Nachweis eines Stahlverbundtragers nach DIN 18800

Teil 5 [2.57] 71

2.7.5.1 Nachweis im Grenzzustand der Tragfahigkeit 71

4.2.4 Statische Systeme und Schnittkrafte 119

4.3 Nachweise der Tragsicherheit 120

4.3.1 Allgemeines 120

4.3.2 Allgemeiner Spannungsnachweis 120

4.3.3 Stabilitatsnachweise 122

4.3.3.1 Biegedrillknicken 122

4.3.3.2 Beulsicherheitsnachweise 122

4.3.4 Betriebsfestigkeitsnachweis 122

4.4 Gebrauchstauglichkeitsnachweise 123

4.5 Konstruktive Grundlagen 123

4.5.1 Kranbahntragerquerschnitte 123

4.5.2 Horizontalverband 124

4.5.3 Kranschienen 124

4.5.4 Kranbahntragerauflager 125

4.5.5 Langsstabilisierung 126

4.6 Freikranbahnen 127

4.7 Beispiel B 4.1: Kranbahn 128

4.7.1 Aufgabenstellung 128

4.7.2 Schnittkrafte (siehe Kapitel 4.2.4) 129

4.7.2.1 Grundsatzliches 129

4.7.2.2 Maximale Feldmomente MF (charakteristische Werte) 130

4.7.2.3 Maximale Stutzmomente MSt 130

4.7.2.4 Maximale Querkraft an der Mittelstutze 130

4.7.2.5 Auflagerkrafte 131

4.7.3 Nachweis des Kranbahntragers 131

4.7.3.1 Querschnittswerte 131

4.7.3.2 Nachweis der Formanderungen

(Gebrauchstauglichkeit) 132

4.7.3.3 Allgemeiner Spannungsnachweis (vgl. Kapitel 4.3.2) 132

4.7.3.4 Biegedrillknicknachweis (vgl. Kapitel 4.3.3.1) 133

4.7.3.5 Beulsicherheitsnachweis fur das Stegblech unter der Radlast (siehe Kapitel 4.3.3.2) 134

4.7.3.6 Statischer Nachweis der Kehlnahte zur Schienenbefestigung 135

4.7.3.7 Betriebsfestigkeitsnachweise (vgl. Kapitel 4.3.4) 136

4.8 Literatur 138

5 Mehrgeschossige Bauwerke 140

5.1 Uberblick 140

5.2 Stabilisierung 142

5.2.1 Stabstabilisierung 142

5.2.2 Scheibenstabilisierung 142

5.2.3 Kernstabilisierung 143

5.3 Konstruktive Gestaltung 144

5.3.1 Allgemeines 144

5.3.2 Profilgestaltung 144

5.3.3 Verbindungen zwischen horizontalen Elementen

untereinander (Haupttrager – Nebentrager) und zwischen Horizontal- und Vertikalelementen (Stutzen – Riegel) 145

5.3.3.1 Beispiel B 5.1: Nachweis eines Trageranschlusses 146

5.3.3.2 Beispiel B 5.2: Nachweis eines biegesteifen Tragerstoses 146

5.3.3.3 Beispiel B 5.3: Nachweis einer Rahmenecke mit Stirnplatte 147

5.3.4 Stutzen 149

2.7.5.2 Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 73

2.8 Literatur 75

3 Hallen und Überdachungen 78

3.1 Rahmen 78

3.1.1 Einfeldrige Rahmensysteme 78

3.1.2 Mehrfeldrige Rahmensysteme 78

3.1.3 Temperaturzwang 78

3.1.4 Rahmenkonstruktionen 80

3.1.4.1 Anpassung der Querschnitte an die auftretenden Schnittgrosen 80

3.1.4.2 Ausbildung von Rahmenecken 81

3.1.5 Beispiele 85

3.1.5.1 Beispiel B 3.1: Geschraubte Rahmenecke mit Zuglasche 85

3.1.5.2 Beispiel B 3.2: Geschweiste Rahmenecke mit Voute 88

3.1.5.3 Beispiel B 3.3: Firststos 90

3.2 Eingeschossige Bauwerke 90

3.2.1 Aussteifungen – Moglichkeiten und Beispiele 90

3.2.2 Ausgefuhrte Beispiele 91

3.2.3 Berechnung 93

3.2.4 Trapezprofile zur Verhinderung des Biegedrillknickens 95

3.2.4.1 Behinderung der seitlichen Verschiebung 95

3.2.4.2 Beispiel B 3.4: Behinderung der seitlichen Verschiebung 95

3.2.4.3 Behinderung der Verdrehung durch ausreichende Drehbettung 97

3.2.4.4 Beispiel B 3.5: Ermittlung der Drehbettung 99

3.2.5 Bemessung eines Trapezprofils als Schubfeld 99

3.2.5.1 Grundlegendes 99

3.2.5.2 Beispiel B 3.6: Schubfeld 101

3.3 Ausgefuhrte Beispiele weit gespannter Hallenbauten 102

3.3.1 Halle fur Papierlager 102

3.3.2 Halle fur ein Hochregallager 104

3.3.3 Schiffswerfthalle 107

3.3.4 Uberdachung einer Sondermulldeponie 108

3.3.5 Cargolifter-Werfthalle 109

3.4 Literatur 113

4 Kranbahnen 114

4.1 Einleitung, Begriffe, Bauarten 114

4.2 Berechnungsgrundlagen 116

4.2.1 Normensituation 116

4.2.2 Einwirkungen auf Kranbahntrager nach DIN 4132 116

4.2.2.1 Einstufung der Krananlage 116

4.2.2.2 Vertikale Einwirkungen (Lasten) 117

4.2.2.3 Veranderliche Einwirkungen (Lasten) quer zur Fahrbahn 117

4.2.2.4 Veranderliche Einwirkungen (Lasten) in Richtung der Fahrbahn 119

4.2.2.5 Sonstige veranderliche Einwirkungen [DIN 15018, Kapitel 4.2] 119

4.2.2.6 Ausergewohnliche Einwirkungen 119

4.2.3 Einwirkungskombinationen (EK) 119

6.2.3 Bandbrucken 210

6.3 Lastannahmen 210

6.3.1 Besonderheiten fur Lastannahmen bei Rohrleitungsbrucken 210

6.3.1.1 Technologische Lasten 210

6.3.1.2 Windlasten 213

6.3.2 Besonderheiten fur Lastannahmen bei Bandbrucken 213

6.3.2.1 Technologische Lasten 213

6.3.2.2 Windlasten 213

6.4 Schnittkrafte / Bemessung 213

6.4.1 Allgemeine Grundsatze 213

6.4.2 Sicherheitskonzept 213

6.5 Beispiele 214

6.5.1 Beispiel B 6.1: Schragbandbrucke mit V-Stutzen nach [6.33] 214

6.5.1.1 Aufgabenstellung 214

6.5.1.2 Belastungsstruktur und Lastfaktoren 214

6.5.1.3 Lastannahmen 214

6.5.1.4 Nachweise 215

6.5.1.5 Konstruktive Gestaltung 215

6.5.2 Beispiel B 6.2: Schragbandbrucke mit Unterspannung nach [6.36] 217

6.5.2.1 Konstruktive Gestaltung 217

6.5.3 Beispiel B 6.3: Schragbandbrucke in Fachwerkbauweise mit V-Stutzen nach [6.35] 218

6.5.4 Beispiel B 6.4: Bandbrucke in Fachwerkbauweise auf Pendel- / Festpunktstutzen [6.43] 219

6.5.4.1 Aufgabenstellung 219

6.5.4.2 Zusammenstellung der Lasten 219

6.5.4.3 Profile und Materialgute fur ausgewahlte Stabe 219

6.5.4.4 Lagerbedingungen 220

6.5.4.5 Lastannahmen 220

6.5.4.6 Ausgewahlte Nachweise fur die Fachwerkbrucke 221

6.5.4.7 Ausgewahlte Nachweise fur eine Pendelstutze 221

6.5.4.8 Konstruktive Gestaltung 223

6.5.5 Beispiel B 6.5: Rohr- und Kabelbrucke mit Unterkonstruktion 224

6.6 Literatur 224

7 Industrieschornsteine, Maste, Windenergieanlagen 226

7.1 System und Wirkungsweise 226

7.2 Konstruktive Gestaltung und Nachweise von Details der Industrieschornsteine, Maste, Windenergieanlagen 226

7.2.1 Stosausbildungen 226

7.2.1.1 Konstruktive Gestaltung 226

7.2.1.2 Nachweis von Verbindungen (Anschlusse, Stose) 227

7.2.2 Offnungen im Schaft 231

7.2.2.1 Konstruktive Gestaltung 231

7.2.2.2 Hinweise zur Berechnung 231

7.2.3 Fusausbildung 231

7.2.3.1 Konstruktive Gestaltung 231

7.2.3.2 Rechnerische Nachweise 233

7.2.4 Ubergangsbereiche 234

7.2.4.1 Arten und Wirkungsweise 234

5.3.4.1 Allgemein 149

5.3.4.2 Stutzenfusausbildung 150

5.3.4.3 Beispiel B 5.4: Berechnung eines gelenkig angenommenen Stutzenfuses 152

5.3.4.4 Beispiel B 5.5: Stutzeneinspannung im Kocherfundament 155

5.3.4.5 Beispiel B 5.6: Fuseinspannung mithilfe von Ankerschrauben 156

5.3.5 Vertikalverbande 157

5.3.6 Decken 157

5.3.6.1 Deckenbelage 157

5.3.6.2 Deckenkonstruktion 159

5.3.7 Dacher / Pfetten / Riegel 159

5.4 Allgemeine Berechnungshinweise 160

5.4.1 Besonderheiten fur Lastannahmen bei Industriebauten und Industriegerusten 160

5.4.1.1 Allgemeines 160

5.4.1.2 Verminderung von Verkehrslasten 160

5.4.1.3 Schwingbeiwerte, Stoszahlen 161

5.4.1.4 Lasten aus Gabelstaplerverkehr (DIN 1055 Teil 3 [5.9]) 161

5.4.1.5 Horizontale Nutzlasten nach DIN 1055-3 [5.9] 162

5.4.1.6 Horizontallasten fur Hubschrauberlandeplatze auf Dachdecken 162

5.4.1.7 Anpralllasten 162

5.4.2 Besonderheiten der Berechnung (Tragsicherheit) 162

5.4.3 Beispiel B 5.7: Ermittlung der Knicklangenbeiwerte b und Nachweis eines verschieblichen

Stockwerkrahmens nach Theorie I. Ordnung 165

5.5 Anwendungsgebiete und Ausfuhrungsbeispiele 167

5.5.1 Mehrgeschossige Industriegebaude 167

5.5.1.1 Allgemeine Angaben 167

5.5.1.2 Werkstattgebaude / Fabrikgebaude 173

5.5.1.3 Mehrgeschossige Gebaude der Textilindustrie, der Lederverarbeitung und der

Nahrungsmittelindustrie 174

5.5.1.4 Parkbauten in Stahlbauweise 175

5.5.2 Industriegeruste 182

5.5.2.1 Anforderungen an Industriegeruste 182

5.5.2.2 Kesselgeruste (Dampferzeugergeruste) 182

5.5.2.3 Hochofengeruste 188

5.5.2.4 Apparategeruste 191

5.5.2.5 Bunker-, Silo- und Behaltergeruste 193

5.5.2.6 Lagergeruste / Hochregallager 196

5.6 Literatur / Normen / Rechenprogramme 202

6 Tragwerke von Industriebrücken (Rohrleitungs- und Bandbrücken) 204

6.1 Funktion, Systeme, technologische Ausrustung, Trassierung 204

6.1.1 Rohrleitungsbrucken 204

6.1.2 Bandbrucken 207

6.2 Konstruktive Gestaltung 208

6.2.1 Aufbau der Gesamtbrucken 208

6.2.2 Rohrleitungsbrucken 208

6.2.2.1 Bruckengestaltung 208

6.2.2.2 Endquerscheiben von Brucken 209

6.2.2.3 Stutzen 210

8 Behälter, Bunker, Silos 290

8.1 Begriffe 290

8.2 Behalterbauarten 290

8.2.1 Oberirdische zylindrische Flachbodentanks 290

8.2.2 Oberirdische zylindrische Mehrkammerbehalter 290

8.2.3 Oberirdische, liegende zylindrische Behalter 290

8.2.4 Erduberschuttete, liegende zylindrische Behalter 291

8.2.5 Kugelbehalter 291

8.3 Silobauarten 291

8.4 Berechnungsgrundlagen 294

8.4.1 Einwirkungen 294

8.4.1.1 Zusammenstellung der Einwirkungen 294

8.4.1.2 Statische Lasten aus Fullgut, Innendruck, Wandreibung (Schuttgutlasten) 294

8.4.1.3 Windlasten 294

8.4.2 Spannungs- und Stabilitatsnachweis 295

8.4.2.1 Spannungsarten 295

8.4.2.2 Beulsicherheitsnachweis von Silos und Behaltern 295

8.5 Beispiel B 8: Bemessung Blechsilo 296

8.5.1 Allgemeines 296

8.5.2 Lastannahmen (Zustand Silo gefullt) 296

8.5.2.1 Lasten aus dem Silodach 296

8.5.2.2 Eigengewicht Mantelblech, Standzarge und Auslauftrichter 297

8.5.2.3 Lasten in der Silozelle (Fullzustand) 297

8.5.2.4 Lasten auf Silotrichter 299

8.5.2.5 Lasten aus der Trichterfullung (fur Nachweis Standzarge) 299

8.5.2.6 Windlasten auf Siloschaft, Unterkonstruktion und Siloabsetzpunkte [8.8] 299

8.5.2.7 Zusammenstellung der masgebenden Belastungen, Einwirkungskombinationen 300

8.5.3 Spannungsnachweise (Fullzustand) 300

8.5.4 Beulsicherheitsnachweis des Silomantels (Silo gefullt) 301

8.5.5 Beulsicherheitsnachweis Standzarge (Kreiszylinderschale mit konstanter Wanddicke) 301

8.5.6 Weitere Ingenieurmodelle zur Erfassung der Axialspannungen bei konzentrierter Auflagerung 303

8.6 Literatur 304

7.2.4.2 Konstruktive Gestaltung und Berechnungshinweise 235

7.2.5 Berechnungsbeispiele 235

7.2.5.1 Beispiel B 7.1: Nachweis einer Ringflanschverbindung mit einem innen liegenden Flansch 235

7.2.5.2 Beispiel B 7.2: Nachweis einer Ringflanschverbindung mit ausen liegendem Flansch 237

7.2.5.3 Beispiel B 7.3: Fuspunkt mit Verankerung 240

7.3 Antennentragwerke aus Stahl 242

7.3.1 Allgemeine Angaben / Konstruktion 242

7.3.2 Lastannahmen (Einwirkungen) 243

7.3.3 Besonderheiten der Berechnung 244

7.3.3.1 Nachweis der Tragsicherheit 244

7.3.3.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 244

7.3.3.3 Nachweis der Betriebsfestigkeit 244

7.3.3.4 Besonderheiten der Schnittkraftermittlung 245

7.3.4 Beispiel B 7.4: Nachweis eines 60 m hohen Antennenturms 245

7.3.4.1 Ermittlung der Lasten 245

7.3.4.2 Schnittkrafte und Bemessung (auszugsweise) 249

7.3.5 Ausgefuhrtes Beispiel: Antennenturm in Fachwerkbauweise 250

7.4 Industrieschornsteine aus Stahl 250

7.4.1 Allgemeine Angaben 250

7.4.2 Besonderheiten bei Lastannahmen (Einwirkungen) 252

7.4.3 Schnittkrafte 252

7.4.4 Bemessung 253

7.4.4.1 Tragsicherheit (Lastfall 1 und 2) und Beulsicherheit 253

7.4.4.2 Nachweis der Betriebsfestigkeit (Lastfall 4) 253

7.4.5 Beispiele 253

7.4.5.1 Beispiel B 7.5: Berechnung und Gestaltung eines frei stehenden Industrieschornsteins mit einer Hohe von 80 m 253

7.4.5.2 Beispiel B 7.6: Querschwingungsnachweis eines frei stehenden Industrieschornsteins, 70 m hoch, mithilfe einer uberschlaglichen Handrechnung nach einem Vorschlag von [7.47] 260

7.5 Windenergieanlagen mit Stahlturm 263

7.5.1 Allgemeine Situation – Hinweise fur die konstruktive Ausbildung 263

7.5.2 Lastannahmen (Einwirkungen) 264

7.5.3 Schnittgrosenermittlung 267

7.5.4 Nachweise / Sicherheitskonzept 267

7.5.5 Berechnungsbeispiele 268

7.5.5.1 Beispiel B 7.7: Berechnung eines Rohrturms fur eine 2,0 MW-Windenergieanlage mit 80 m Nabenhohe 268

7.5.5.2 Beispiel B 7.8: Berechnung einer Windenergieanlage als Gitterturmkonstruktion 279

7.6 Literatur 288

Die Betrachtungen und Darstellungen erfolgen weitestgehend normenunabhängig. Es werden vorwiegend die zur Zeit noch gültigen nationalen Normen zitiert; an vielen Stellen wird auf die neue Europäische Normung verwiesen. Der Leser wird mit diesem Buch auch in
die Lage versetzt, die zukünftige Europäische Normung in der Praxis richtig einsetzen zu können. Ausführliche Literaturhinweise am Ende der einzelnen Kapitel geben dem Leser die Möglichkeit, weitere vertiefende Informationen zu erhalten. Mit diesem Fachbuch wird
sowohl den Studierenden als auch den in der Praxis tätigen Ingenieuren ein gutes und anwenderfreundliches Nachschlagewerk für die tägliche Arbeit zur Verfügung gestellt.
Dipl.-Ing. Christian Wadewitz, Leipzig
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