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Kolloquium Stahl
Tragwerkssysteme und -typologien
Bauteile aus kaltgeformtem Stahl
Architektur Konstruieren
Kolloquium Stahl | Tragwerksysteme und -typologien, Bauteile aus kaltgeformtem Stahl | Jessica Baschong | Arnoldo Daniel Bhend Soza | Janine Brun | Robin Oberholzer | Selina Räber | Realini Mario
Tragwerkssysteme und -typologien
Bauteile aus kaltgeformtem Stahl
Architektur Konstruieren
Kolloquium Stahl | Tragwerksysteme und -typologien, Bauteile aus kaltgeformtem Stahl | Jessica Baschong | Arnoldo Daniel Bhend Soza | Janine Brun | Robin Oberholzer | Selina Räber | Realini Mario
Tragwerkssysteme und -typologien
- Reihe von Elementen Gliederung von verschiedenen Systemen durch Heino Engel
- Geometrie, Topologie, Materialeigenschaften und Mechanik
- schnittaktive Tragsysteme (a)
- vektoraktive Tragsysteme (b)
- formaktive Tragsysteme (c)
- !ächenaktive Tragsysteme (d)
a a b
c
d
Schnittaktive Tragsysteme
- lineare oder !ächige, steife Elemente
- Umlenkung von äusserer Kraft über innere Schnittkräfte
- Träger auf Stützen als Beispiel
- äussere Kräfte erzeugen Durchbiegung
- Rotationsgleichgewicht durch horizontale Scherkräfte
Träger/BalkenTräger/Balken
QuerschnittKräfte!uss im Balken
Träger/Balken
- horizontales Element auf vertikalen tragenden Elementen
- zentrierte Durchbiegung eines Trägers
- Kräfte!uss wird zum gestalterischen Thema
- Einsparungen von Material
- Reduzierung der Masse im Bereich der Stabachse
- Stabilitätsprobleme bei biegebeanspruchten Elementen „Kippen“
- Reihe von Standardquerschnitten
- Vereinfachung des Tragwerksentwurf
Doppel T-Träger
U-Träger
Platten
Platte
- ähnlich zum Balken im Bezug auf Beanspruchung
- lokale Differenzierungen im Querschnitt
- Materialkonzentrationen möglichst weit entfernt von neutraler Ebene
Roste
Rost
- zweiachsig gespannte fest verbundene horizontale Trägerraster
- mehrachsiger Lastabtrag Durchbiegung und Verdrehung erzeugen zusätzliche Tragwirkung
- lokale Differenzierungen im Querschnitt
Kräfte!uss im Rost
Vektoraktive Tragsysteme
Rost
- lineare Elemente
- können nur Kräfte in Achsenrichtung aufnehmen, kaum Biegebeanspruchungen
- gelenkige Dreiecksverbände
- Aufspaltung der äusseren Kräfte im Winkel 45° bis 60°
- Gleichgewicht durch geeignete Gegenkräfte, Vektoren
- Volle Ausnutzung des Querschnitts
- Lagerung und Querschnittsform wichtig für Knickverhalten
- vorteilhaft für senkrechte Tragsysteme
- können direkte Lasten abtragen und seitlich gegen Wind aussteifen
Dreiecksverband
Fachwerkträger
Stützen
- druck- und biegebeanspruchte lineare Tragelemente
- ermöglichen vertikalen Lastabtrag in einem Gebäude
- Querschnitt in Relation zu Lagerung wichtig für Stabilität
- einheitliche Raster für eine gleichmässige Verteilung der Stützen
Beanspruchung einer Stütze
Zugbeanspruchte Tragelemente und Seile
- gleichmässige Querschnitts!äche und gerade Systemachse
- können Kräfte über lange Strecken weiterleiten
- können auch formaktive Tragwirkung erlangen
- Seile aus Drahtlitzen
- Anordnung zueinander ist auf jeweilige Einsatzart abgestimmt
Beanspruchung Seil
Querschnitt Stahlseil
Fachwerkträger
- Tragelement zwischen vektorieller und !ächiger Tragwirkung
- wirtschaftlich
- grössere Spannweiten als mit Balkenträgern
Vierendeelträger
- entfaltet seine Tragwirkung über Biegebeanspruchungen
- werden über steif ausgebildeten Rahmenecken aufgenommen und weitergegeben
Vierendeelträger-Brücke in Grammene, Belgien
Raumfachwerke
- Ausweitung der Vorteile des Fachwerkträgers auf dritte Dimension
Formaktive Tragsysteme
- folgen mit ihrer Form dem Kräfteverlauf, es wirken ausschliesslich Normalkräfte
- erzeugen horizontale Kräfte im Au!ager
- reagieren stark auf veränderte Lasten
- ressourcenschonend, auf Grund des minimierten Materialeinsatzes
- eingeschränktes Formenrepetoir
- Zugbeanspruchte formaktive Tragsysteme: Hängeseile Membrankonstruktionen (a) pneumatische Systeme (b)
- Druckbeanspruchte formaktive Tragsysteme: Gewölbe (c) Schalen (d) Bögen
Druckbögen
- Umkehrung Kettenlinie
- ausschliesslich Druckkräfte
- Gefahr des Beulens oder Knickens
- gleichmässige horizontale Gleichstreckenlast: Parabelform
- unterschiedliche Lastfälle erfordern unterschiedliche Bogenformen
- nur Eigengewicht: Kettenlinie
- erzeugen horizontale Schubkräfte im Au!ager
La Sagrada Familia - Antoni Gaudi Hängeseilmodell
Tonnen, Schalen/Gitternetzschalen
- räumliche Krümmung verbessert Tragverhalten einer Platte
- mit Stahl meist aus linearen Bauelementen realisiert
- komplizierte Knotenpunkte mit hoher Biegebeanspruchung
- Zugseile erhöhen Schubfestigkeit: Bsp. Vierecksmaschen mit diagonalen Zugseilen
Gitterneztschale - mit diagonalen Zugseilen
Tonne
Geodätische Kuppeln
- Kugelgeometrie mit linearen Stabelementen ausgebildet
- Maschen als Drei-, Fünf- oder Achtecken
- Günstiges Verhältnis von Spannweite/Volumen zu Materialeinsatz
Geodätische Kugel
Kuppel mit reiner Druck- und ZugbeanspruchungKuppel mit reiner Druckbeanspruchung
Geodätische Kuppeln
Biosphère (Montreal) - Richard Buckminster Fuller
Freiformen
- Mitte 1990er-Jahre
- Durch Computertechnologie immer häu"ger Freiformen --> Serienproduktion nicht mehr günstiger als immer wechselnde Stablängen und Knotenwinkel
- Freiformen beein!usst durch architektonischen Entwurf
- Mischforme von Formaktiven Tragsystemen
Experience Music Project (Seattle) - Frank Gehry
Golden Terraces (Warschau) - The Jerde Partnership
Flächenaktive Tragsysteme
- Bauteile die in zwei Richtungen deutlich grösser dimensioniert sind als in die dritte
- Platte: Kraft wirkt senkrecht zur Fläche
- Scheibe: Kraftlinie verläuft parallel und in gleicher Ebene
Scheiben
- auf Zug beanspruchte Scheiben: Kastenträgern oder Stegbleche von Trägern
- voll!ächige auf Druck beanspruchte Scheiben im Stahlbau eher selten
- Knicken erfordert hohe Bauteildicke --> unwirtschaftlich
- Erhöhung der Beulstei"gkeit durch netz- oder rippenförmigen auf geschweissten Streifen
- Erhöhung der Beulste"gkeit durch Biegen
Faltwerke
- Kombinieren Tragwirkung von Platten und Scheiben
- Vergrösserung der Konstruktionshöhe
- entstehen Horizontalkräfte an den Au!agerpunkten
- im Stahlbau aus linearen Elementen und mit Plattenverkleidet
Rahmentragwerke
- Rahmen als Materialtypische Antwort auf Scheiben und Platten
- werden mit einem, zwei oder drei Gelenken ausgeführt
- desto mehr Gelenke, desto grössere Möglichkeit der Verformung
- Gelenke verhindern die Übertragung eines Moments ins nächste Bauteil
- Auskreuzung innerhalb der Rahmenebene erhöht horizontale Stabilität
- Biegefeste Verbindungen ermögliche Aufnahme von horizontalen Lasten und Reduzierung der Trägerhöhe
- Biegebeanspruchung führt zu grossen Stützenquerschnitten
- Biegesteife Rahmen sind weniger tolerant gegenüber konstruktiven Ungenauigkeiten und thermischen Verformungen
Tragwerkssysteme und -typologien
Bauteile aus kaltgeformtem Stahl
Architektur Konstruieren
Kolloquium Stahl | Tragwerksysteme und -typologien, Bauteile aus kaltgeformtem Stahl | Jessica Baschong | Arnoldo Daniel Bhend Soza | Janine Brun | Robin Oberholzer | Selina Räber | Realini Mario
Bauteile aus kaltgeformtem Stahl
- Anwendungsgebiet im Stahlleichtbau
- Fertigung von Pro"len
- Bleche
- gezielte Erhöhung der Tragfähigkeit durch präzise Gestaltung der Querschnitte
kaltgeformte Pro"le
Herstellung
- Lieferung: beschichteter Bandstahl in Form von Coils
- Achtung bei der Weiterverarbeitung, damit Beschichtung nicht beschädigt wird
- Rollverformung durch ein Anlagensystem von verschiedenen Formwerkzeugen
- Pressen, Stanzen, Prägen, Ziehen, Kanten für kleine & massgeschneiderte Produktinsserien
- Bandstahl in Dicken von 0.63 – 1.5 mm erhältlich, bedingt durch die Kaltumformung
Stahl-Coils
Rollverformen von Stah
C- und Z- Pro!le
Z-Pro"le
C-Pro"l
- Anwendung im Leichtbau für Wandstützen, Pfetten und Riegel
- materialökonomisch
- wegen geringer Materialstärke anfällig gegen Beulen & Knicken
- Lippen zur Verstärkung von Flansch und Steg verstärkt die Tragfä-higkeit
- Einwalzen von Zwischenaussteifungen (Sicke / Versatz)
- Lastabtragungstabellen: Wert der kritischen Beulspannung beach-ten
- lineare Lastabtragungselemente von Dachkonstruktionen --> führen !ächige Lasten in eine punktförmige Lastabtragung
- Interaktion Pfetten/Riegel mit der Verkleidung
Pfettensysteme- Einfaches Pfettensystem: über jedem Rahmenabschnitt eine Pfette, System für geringe Belastung
- Überlappendes Pfettensystem: ineinander verschachtelte Z-Pro"le, System für grössere Belastung
Pfetten und Riegel
einfaches Z-Pfettensystem
überlappendes Z-Pfettensystem
- Anwendung im Fassadenbau für Wand- oder Deckenbekleidung, für Paneele, Geschossdecken im Stahlverbundbau
- Aussteifung durch Pro"lierung --> verbessert zudem die Beulstei"gkeit
- Korrosionsschutzmassnahmen bereits integriert (Feuerverzinkung/Beschichtung mit Kunststoff)
- Anwendung als Hochregalsystem: Funktion als Regal und Bestandteil des Tragwerk
Trapezblech
a: einfache Form ohne Sickenbildung
b: höhere Pro"le mit zusätzlicher Sickenbildung
c, d: vergrösserte Pro"lhöhen und zusätzliche Pro"lierung im Obergurtbereich
a
b
c
d
- kaltgeformte Pro"le für Hauptragwerke
- USA ist Vorreiter im Gebiet, Europa zieht nach
- Vorteile: schneller Baufortschritt hoher Vorfertigungsgrad hochwertige Ausführung Integration Versorgungsleitungen & andere Anbauten
Tragwerksysteme für niedrige Gebäude
- Zwei Grundbautypen: Platform-Frame / Balloom-Frame
- Unterschiede: Vorfertigungsgrad Primäre Befestigungsverfahren Art der horizontalen Lastabtragung oder Aussteifungsmechanismen
- Platform-Frame: Errichtung Ebene für Ebene Wände haben keine durchgehende Konstruktion Lasten der oberen Wände werden über die Geschossdecke an untere Wand geleitet Wandständer Fuss & Kopf durch horizontale miteinander verbunden Deckenbalken liegen auf oberer Schiene an Position der Wandständer
- Balloon-Frame: Wandscheiben über zwei oder mehreren Stockwerke durchlaufend Gechossdecken liegen seitlich an Wandständern
Rahmenbausysteme
- unterschiedliche Vorfertigungsgrade möglich
- Zusammensetzen auf Baustelle
- auch Teilkonstruktionen für Wände in Werk möglich
- kann auch Wärmedämmung, Beplankung und Endausbauwerke in Unterstruktur eingebaut werden
- Modulbauweise ermöglicht ganze Räume zu erstellen
Fertigung/ Montage
- Windlasten entgegenwirken
- Eigengewicht reicht nicht immer aus, um ein Abheben zu vermeiden
Stabilität niedriger Gebäuden
- Alternative zu Ständerwandsystem
- vertikal zwischen zwei horizontalen Schienen
- gelippte Stege miteinander verbunden (Wandpfosten)
- entsteht !ache Seite
- für Baustellenmontage nicht geeignet
- Detail weniger komplex als beim Ständerbau
- Vorteile: einfache Details (schneller Baufortschritt) sofort Wasserdichte Wände auf der Baustelle Vermeidung von Stabilitätsproblemen (gegenüber dem Ständerbausystem) keine Verstrebung gegen Windlast nötig
- tiefe der Kassetten beachten
- kann mit Wärmedämmung gefüllt werden
- meist nicht Primärtragwerk
Lastabtragende Konstruktionen aus Kassettenpro!len
- in manchen Fällen schwere Konstruktion
- wesentlich zwei Grundsysteme
- Stahlträger (C oder Z-Pro"l) mit hölzernen Deckenplatten. Au!agerung der Träger auf Ständer
- Geschossdecke Trapezpro"len. Die obere Fläche dient als Nutz!äche (Holz)
- Schwingungen beachten
Leichte Geschossdeckensysteme
- tragende Struktur in der horizontale Dachebene
- erlaubt kleine Öffnungen (Haustechnik / Oblichter/ ..)
- gilt als Bestandteil des Kassettenbausystems
- Problem: grosse Öffnungen
- beachte: Einschränkung in Bezug auf zukünftige Veränderung an Gebäude
Schalenbauweise
- Rain-Screen-System
- Metallverbundplatten – Sandwichpaneelen
- Dämmstoffe
- Verbindungen
Verkleidungssysteme in Stahlleichtbau
- vorgehängte und hinterlüftete Fassadenelemente
- Kassettenpaneele aus Stahl oder Aluminium bilden die äussere Schicht
- Elemente werden auf Unterkonstruktion aus Metall montiert
- häuftig werden auch andere Materialien als äussere Haut eingesetzt (z.B Tonziegel oder Terracottakacheln)
Rain-Screen-System
- man unterscheidet zwischen 2 verschiedenen Systemen:
System mit offenen oder freien Fugen Systeme mit einem dichten Ober!ächenabschluss
Rain-Screen-System
- dünne, beschichtete Stahlbleche voll!ächig mit dämmenden Kern verbunden
- !ach oder pro"lierte Bleche --> Ein!uss auf Tragfähigkeit und somit auf die Spannweite
- Metall kann Zug- und Druckkräfte aufnehmen
- Dämmung sollte genügend Fest sein um Scherkräfte aufzunehmen
Metallverbundplatten - Sandwichpaneele
Fügung von Sandwichpaneelen
Metallverbundplatten - Sandwichpaneele
Die Auswahl des Dämmmaterials hängt von den Anforderungen an die Wärmedäm-mung, Feuerbeständigkeit, Tragfähigkeit, Eigengewicht und Kosten ab.
Meistens eingesetzt da sehr guter Dämmwert:
Polyurthan- Hartschaum (PUR) Polyisocyanurat- Hartschaum (PIR)
Bei erhöhten Anforderungen an den Brandschutz oder Schallschutz:
Mineralwolle (MW)
Dämmstoffe
Konventionelle Verbindungen:
- Schraubverbindungen- Schweissverbindungen --> Gefahr des Durchbrennens --> Zerstörung des Korrosionsschutzes --> Bei verzinkten Ober!ächen kann dies die Schweissnaht negativ beein!ussen
- Blindnieten
- selbstbohrende und gewindeschneidende Schrauben
- Clinchen / Durchsetzfügen
Verbindungen
Nieten
Selbstbohrende Schraube
gewindeschneidende Schraube
Durchsetzfügen
Tragwerkssysteme und -typologien
Bauteile aus kaltgeformtem Stahl
Architektur Konstruieren
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Stahldecken - Allgemeines
- Stahldecken bestehend aus profilierten Blechen von 0.80mm bis 1.75mm Stärke mit Aufbeton. Die Profilierung hat meist trapezförmigen Querschnitt.
- Die Bleche kommen in Bahnen von 0.30m bis 0.90m Breite in den Handel.
- Die Bleche werden unbeschichtet oder verzinkt verwendet. Unbeschichtete Bleche erhalten an der Unterseite einen Korrosionsschutz.
Vorteile der Stahlblechdecke:- Geringes Gewicht der Decke- Schneller Einbau- Die Betonplatte benötigt keine Schalung- Die Decken sind nach der Montage sofort begehbar- Schutz für Arbeiten in unteren Stockwerken gegen h abfallenden Gegenstände
Nachteile der Stahlblechdecke:- Die Stahlblechdecke ist eine im Bauwerk nur verbleibende Schalung- Wenn sie tragend ist, ist eine besondere Feuerschutz- verkleidung von unten nötig- Bei Verbunddecken wird durch den Ortsbeton Nässe in den Bau gebracht
Verbunddecken
Verbunddecke 1:- Das Stahlblech ist nur eine Schalung und ermöglicht einen schnellen Bauablauf sowie ein sofortiges Abdecken der Trägerla- gen.
- Als Bewehrung werden Rundstähle benötigt.
- Die Decke wirkt wie eine Betonrippendecke.
Verbunddecken
Verbunddecke 2:- Verbund zwischen Blech und Betonplatte. - Das Stahlblech bildet zusammen mit der Betonplatte einen Verbundquerschnitt.
- Das Stahlblech bildet die Bewehrung der Betonplatte.
- Die Übertragung der Schubkräfte von der Betonplatte in das Stahlblech erfolgt durch eingewalzte Nocken oder Rippen
Verbunddecken
Verbunddecke 3:- Verbund zwischen Betonplatte und Träger.
- Durch das aufgelegte Stahlblech hindurch werden auf den Ober- !ansch des Trägers Kopfbolzendübel geschweisst. Hierdurch bildet die Betonplatte mit dem Träger einen Verbundquerschnitt.
- Statisch wirksam ist nur die Schicht über den Rippen.
- Sehr wirtschaftliche Konstruktion.
Verbunddecken
Verbunddecke 4:- Die Holorib-Decke hat ein Blech mit eingewalzten schwalbenschwanzförmigen Rippen.
- Die Betonplatte ist selbsttragend und entsprechend zu bewehren.
- Das Blech dient nur als Schalungsträger.
- Schwalbenschwanzförmige Rippen dienen zur Befestigung von Unterdecke und Installationen.
Strukturen – Rahmen mit auskragenden Trägern
- Die Tragstruktur besteht aus einer Aneinanderreihung von Rahmen mit zurückliegenden Stützenpaaren.
- Da die Stützen unterbrochen sind, müssen die Träger zur Ableitung der Vertikallasten mit Rippen verstärkt werden.
Strukturen – Rahmen mit auskragenden Trägern
D1: - Eine Sekundärkonstruktion auf einer Balkenlage, die auf den Hauptträgern au!iegt.
- Unterschied zu den Sekundärträgern, erlaubt die Überlagerung das Führen von Leitungen in Querrichtung zu den Rahmen.
- Der Gehbelag wird je nach Anforderung ausgewählt.
D2/D3: - Keine Sekundärkonstruktion.
- Trapezbleche bilden die Konstruktion.
- Bei D2 als reine Trockenbauweise mit einer Verlegeplatte als Trä- ger für den Bodenbelag. - Bei D3 in Verbund mit einem armierten Überbeton. Deckenaufbau D1:
Bretterlage 27mmStahlträger IPE 160 160mmTotal 187mm
Deckenaufbau D2:Verlegeplatte 27mmGummitrennlage 20mmTrapezblech 160mmTotal 207mm
Deckenaufbau D3:Überbeton armiert 120mmHoloribblech 50mmTotal 170mm
Strukturen – Rahmen mit durchlaufenden Stützen
- Die Tragstruktur besteht aus einer Aneinanderreihung von Rahmen mit durchlaufenden Stützen.
- Die Stützen stehen hier direkt an der Fassade, wodurch sie den Raum kaum tangieren.
- Jedoch muss bei dieser Variante die Dimensionen der Stützen etwas stärker dimensioniert werden als bei den Rahmen mit au kragenden Trägern, da die Spannweiten grösser sind.
Strukturen – Rahmen mit durchlaufenden Stützen
D4: - Dieser Deckenaufbau basiert analog zur Variante D1.
- Jedoch ist die Sekundärkonstruktion nicht auf die Hauptträger gelegt worden, sondern liegt zwischen den Hauptträgern.
- Das Führen von Installationen senkrecht zu den Rahmen benötigt Löcher in den Trägern. Solche Löcher können auch im Sinn eines Loch- oder Wabenträgers auf die ganze Trägerlänge verteilt werden.
D5: - Eine Rippendecke, bei der Trapezbleche zwischen den Hauptträger gehängt und ausbetoniert wird.
- Aufgrund vorgängig auf die Träger geschweisster Bolzen geht die Deckenkonstruktion einen festen Verbund mit der Primärstruktur ein.
- Das Einhängen der Bleche erfolgt über Stahlknaggen, die in der Werkstatt auf die Träger geschweisst werden.
Deckenaufbau D4:Brettschichtholzplatte 27mmStahlträger IPE 160 160mmTotal 187mm
Deckenaufbau D5:Überbeton 120mmStahltrapezblech 200mmTotal 320mm
Strukturen – Rahmen mit durchlaufenden Stützen
Stahl!achdecke mit tiefenTrapezpro"len
1. Stahlverbundträger2. Kammerbeton3. Stahltrapezpro"l4. Stahlknagge (25x35mm)5. Kopfbolzendübel6. Kunststoffabdichtkappe7. Z-Abdichpro"l8. Stahlbetonrippendecke
Strukturen – Rahmen mit durchlaufenden Stützen
Beispiel Baustelle:
Strukturen – Rahmen mit durchlaufenden Stützen
Beispiel Baustelle:
Strukturen – Ungerichtetes Skelett
- Die Tragstruktur besteht aus einem ungerichteten Skelett mit Stützen aus RHS-Pro!len, die den Trägern – im Unterschied zu Doppel-T-Pro!len – allseitig die gleiche Anschlusssituation bieten.
- Die Stützen sind durchlaufend, welches ein auf beliebiger Höhe anbringen der Träger ermöglicht.
Strukturen – Ungerichtetes Skelett
D6:- Basiert auf vorfabrizierten Spannbetonhohlplatte, welche vorge- spannt sind und bis zu 12m überbrücken kännen.
- Die Hohlräume dienen allein der Gewichtseinsparung.
- Installationen müssen unterhalb der Decke angebracht werden.
- Der grosse Vorteil bei dieser Lösung liegt in der Trockebauweise.
D7:- Dieser Deckenaufbau basiert analog zur Variante D5 eine Rippen- decke.
- Es werden wiederum Trapezbleche zwischen die Hauptträger ge- legt und ausbetoniert.
- Die Leitungsführung ist hier zwischen den Rippen möglich.
- Als Verbundkonstruktion dient die Decke auch der horizontale Aussteifung des Gebäudes.
Deckenaufbau D6:Zementunterlagsboden 80mmTrittschalldämmung 20mmSpannbetonplatten 220mmTotal 320mm
Deckenaufbau D7:Überbeton 120mmStahltrapezblech 200mmTotal 320mm
Strukturen – Ungerichtetes Skelett
Stahl!achdecke mit tiefenTrapezpro"len
1. Verbundstütze2. Flachdeckenträger3. Gurtplatte4. Kopfplatte5. Schottblech6. Pro"lblech7. Kopfbolzen8. Ortbeton9. Rippen- Längsbewehrung
Strukturen – Ungerichtetes Skelett
SpannbetonhohldeckeTröger mit breiterem Untergurt alsAu!ager der Deckenplatte
Strukturen – Ungerichtetes Skelett
Beispiel Baustelle: