Aktuelle Tragwerkskonzepte und Konstruktionen im Hallenbau · TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau Fachtagung Industriebau 24.06.2010

TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen

FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau

Fachtagung Industriebau

24.06.2010

GMG – Ingenieurgesellschaft mbH

Dresden / Berlin

Aktuelle Tragwerkskonzepte und Konstruktionen im Hallenbau

Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler TU Berlin,FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau

Dr.-Ing. Peter Lieberwirth GMG - Ingenieurgesellschaft Dresden/ Berlin




24.06.2010


Dresden / Berlin

Allgemeines zum Tragwerksentwurf

Tragwerkskonzepte – Konstruktionsdetails und Beispiele

- Vollwandige Rahmen

- Quertragwerk mit Fachwerkbindern

- Tragwerk mit Fachwerkstützen

- Mehrschiffige Hallen mit Fachwerkbindern

- Hallen mit Spannbetonbindern

- Sonderkonstruktionen

Aktuelle Tragwerkskonzepte und Konstruktionen im Hallenbau




24.06.2010


Dresden / Berlin

1. Tragwerksentwurf

Hallen als Flachbauten

Vorteile

geringe Baukosten je qm

gleichmäßiges Tageslicht

weniger Gründungsaufwand

Nachteile

größerer Wärmeverlust

großer Grundstücksbedarf

Hallenhöhe durch Kranbahn bestimmt,

über KBT: ca. 2 – 3 m Bauhöhe erford.

wirtschaftliche und damit

häufige Systeme:

Vollwandrahmen,

Fachwerkbinder/ eingespannte Stützen

aus Neufert: Baukonstruktionslehre




24.06.2010


Dresden / Berlin

Unterteilung nach Baustoffen

- (Ganz-)Stahlkonstruktionen, oft als Rahmen

sehr häufig für Industriebauten

- Stahlbetonkonstruktionen

bis ca. 30m sinnvoll,

meist in Fertigteilbauweise,

bei größeren Stützweiten vorgespannte Binder

- Mischkonstruktionen

eingespannte Stahlbeton-Fertigteilstützen

mit Stahl- Fachwerkbindern

- Holzkonstruktionen

Tragsystem mit Brettschichtbindern,

für leichte Überdachungsbauten: leichte FW-Binder

1. Tragwerksentwurf




24.06.2010


Dresden / Berlin

Unterteilung nach Tragwerksystemen

vollwandige stählerne (Zweigelenk-)

Rahmen

eingespannter Rahmen

z. B. bei schwererem Kran

Variante mit Fachwerk- Binder

bei größerer Stützweite

oder hoher Schneelast

eingespannte Stahl- oder Stahlbeton-

stützen mit gelenkigem FW-Riegel

Fachwerkstützen bei schwerem

Kranbetrieb

1. Tragwerksentwurf




24.06.2010


Dresden / Berlin

Unterteilung nach Tragwerksystemen – mehrschiffige Hallen

analoge Systeme, FW-Binder auf eingespannten (Stahl- oder Stahlbeton-)Stützen

Randfelder ggf. auch

angependelt

mehrfeldriger Rahmen

z.B. bei schwerem Kran

Spannbeton-Binder auf

eingespannten Stützen

1. Tragwerksentwurf




24.06.2010


Dresden / Berlin

Vollwandige Zweigelenk- Stahlrahmen

- Stützen, Riegel vollwandige QS, tw. Vouten,

- Rahmenspannweite bis ca. 30 (35) m

- Rahmenabstände ca. 5 – 10 m

- (oft druckschlaffe) Dachverbände und

Seitenwindverbände

zur Längsaussteifung des Gebäudes

- Giebelwindstiele (für Windlast auf Giebel

und ggf. anteilige V-Last aus Dach)

- relativ einfache Gründung (aber Horizontalschub beachten)

- relativ verformungsweich gegenüber H- Lasten

z. B. bei höheren Hallen und/ oder schwerem Kran ggf. Stützen einspannen

Dreigelenkrahmen: kaum noch angewandt

- Vorteil: Unempfindlichkeit gegenüber Zwang, z. B. aus Stützensenkungen

- Nachteil: Firstgelenk, große horizontale und vertikale Verformungen

2. Vollwandige Stahlrahmen




24.06.2010


Dresden / Berlin

Details für Anschlüsse bzw. Stöße

Varianten für Rahmenecken von Hallen

Firststoß eines Rahmenriegelsoft auch kein überstehender Stirnplattenstoß, da

max. Momente im Firstbereich klein





24.06.2010


Dresden / Berlin

BV Produktionshalle Nünchritz

Zweigelenkrahmen, Riegel und Stützen gevoutet

mehrere Stirnplattenstöße im Riegel

Koppelstäbe im oberen Drittel der Binder (auch für Montage)

2. Vollwandige Stahlrahmen - Beispiele




24.06.2010


Dresden / Berlin


BV SMB Ludwigsfelde 2009

Zweigelenkrahmen mit Keilstützen, a= 6m

Trapezbleche spannen direkt über die Rahmen

(Schubfeldwirkung ausgenutzt)




24.06.2010


Dresden / Berlin


BV Höchsmann Klipphausen 2008

Rahmenstützweite 30m, Keilstützen Schweißprofile

Rahmenhöhe 9,5m

(leichter) Kran 12,5t




24.06.2010


Dresden / Berlin

2. Vollwandige Stahlrahmen – Beispiele

BV Edelstahlwerke Schmees Pirna 2007

Rahmenstützweite 26m

Keilstützen als Schweißprofile

Kran 16t




24.06.2010


Dresden / Berlin

Zur Bemessung

Maßgebende Einwirkungen

- Eigengewichte, Schnee, Wind

- Imperfektionen (insbesondere Schiefstellung des Tragwerkes; Vorkrümmung der Stützen)

- Kranlasten in den verschiedenen möglichen Kombinationen

NW im Grenzzustand der Tragfähigkeit

- Spannungsnachweise

- Stabilitätsnachweise

- Biegedrillknicken des Rahmenriegels (Riegelmitte: Obergurt; Rahmeneckbereich: UG)

- Beulen (evtl. für schlanke Riegelstegbleche, Stützenstegbleche)

- BDK der Stützen

- Abheben der Stützenfüße (EG + Wind)

NW Ermüdung der Kranbahnträger einschl.

Konsolen

NW im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

- NW der maximalen Verformungen

(vertikal und horizontal)





24.06.2010


Dresden / Berlin


Spezielle Bemessungsprobleme

Rahmenecke: Beulnachweis infolge Biegung und Schub meist kritisch

(Stützensteg hat oft nur t= 8mm)

oft einseitige Blechaufdopplung

Kippen Riegel: durch Koppelstangen (oft Rundrohre) sowie durch

Trapezblechfelder günstig beeinflusst

Anprallasten:

- nur Stützen sind nachzuweisen,

für Gründungsbauteile nicht erforderlich (Stoßlasten)

- für schlankere Stützen Anprallschutz meist erforderlich

Sinn des Anprallschutzes: Energiedissipation

z. B. einbetonierter Stützenfuß, Abweiser aus Stahl




24.06.2010


Dresden / Berlin

Zweigelenkrahmen mit biegesteif angeschlossenen

Fachwerkbindern

BV Roth und Rau Hohenstein- Ernstthal 2008

Stützweite ca. 30m

Stützen Walzprofile, Stützenfüße gelenkig

Fachwerkbinder biegesteif zu Stützen

2. Stahlrahmen – Beispiele

KBT mit Spindeln gegen BDK

Drucksteifer Längsverband




24.06.2010


Dresden / Berlin

Eingespannte Stahlrahmen

Vorteile:

- verformungsarmes Verhalten,

z. B. günstig für Kranbetrieb,

- geringerer Stahlverbrauch

Nachteil:

- größere Aufwendungen für Fußeinspannungen,

auch für Genauigkeit (Höhenlage)

- für Neubauten neben Bestandsgebäuden sind große Fundamente oft nicht

möglich

abhängig von Größe des Biegemomentes am Stützenfuß:

- einbetonierte Ankerstangen (erfordern Stützenfußschablone beim Betonieren),

- Köcherfundamente

Mittelweg:

eingespannte Stützen in Verbindung mit aufgelegten Bindern,

letztere einfach montierbar (vermeidet Aufwand für Rahmenecken)

2. Stahlrahmen




24.06.2010


Dresden / Berlin

Hallen aus eingespannten Stahl- oder Stahlbetonstützen und (oft) gelenkig

angeschlossenen Fachwerkbindern

an Stütze gelenkig angeschlossener

Fachwerkbinder

ungeeignet für leichte Dachkonstruktion

(wenn Untergurt bei Wind Druck erhält)

an Stütze biegesteif

angeschlossener Fachwerkbinder

3. Quertragwerk mit Fachwerkbindern




24.06.2010


Dresden / Berlin

Details üblicher Fachwerkträger - knotenblechlos


eher selten




24.06.2010


Dresden / Berlin

Spezielle Bemessungsprobleme

Kopfplatten für Stöße auf Querzugfestigkeit /

Dopplungsfreiheit zu prüfen

bei leichter Dachkonstruktion evtl. UG- Stabilisie-

rung für Wind erforderlich

(stehende Verbände zw. UG mit OG-Scheibe) Montageaussteifungen erforderl.





24.06.2010


Dresden / Berlin

Auszug Werkstatt-

zeichnung FW-Binder

(mit Montagestößen)


meist Versatzmoment bei Obergurtlagerung




24.06.2010


Dresden / Berlin

BV Industriehalle Schönherr Chemnitz

eingespannte Stützen, aufgesetzte

Fachwerkbinder

schwerer Kranbetrieb Schrottkran H4 / B5

(H Hubklasse, B Beanspruchungskollektiv)

3. Quertragwerk mit Fachwerkbindern - Beispiel

Detail Stützenfußeinspannung




24.06.2010


Dresden / Berlin

3. Quertragwerk mit Fachwerkbindern – Beispiel

BV Frindt Schönbach 2008

Stützweite 35m

Schweißprofilstützen, am Fuß eingespannt

Fachwerkbinder gelenkig angeschlossen

Detail Stützenfuß-

einspannung




24.06.2010


Dresden / Berlin

4. Tragwerk mit Fachwerkstützen - Beispiel

BV Niles/ Simmons Chemnitz

Stützweite 23m, Firsthöhe 13m

FW-Träger gelenkig angeschlossen

80 t- Kran Fachwerkstützen




24.06.2010


Dresden / Berlin

Spez. Bemessungsprobleme – Einwirkungen aus Kranbetrieb

V-Kräfte

„schwerer“ Kran (Hublast ca. ab 25…30 t)

weiches oder ruckartiges Anheben Hubklasse „H“: mit Haken H1, H2; mit Magnet: H3, H4

Beanspruchungskollektiv „B“ (Ermüdungsbeanspruchung)

Bsp.: - Schrott- oder Gießereikrane: ca. H4 / B6 (evtl. H4 / B5)

- übliche Werkstatt- und Montagekrane: H2 / B3

H-Kräfte

längs- u. quer aus Beschleunigen und Anfahren des Kranes:

n. Krandatenblatt (auf dem neuesten Stand der Krantechnik)

n. DIN 1055-10 eher unüblich

4. Tragwerk mit Fachwerkstützen

StapelkranQuelle Voith-Krane




24.06.2010


Dresden / Berlin

Ermüdungsbeanspruchungen aus Kranbetrieb

Verbindungsmittel für Bauteile mit Kranbetrieb:

gleitfeste Verbindungen (hochfeste Schrauben)

oder Paßschrauben

zum Nachweis:

- mittels schadenäquivalenter Spannungsdifferenzen

- Kontakt nicht ansetzbar

- Kranschiene mit unterbrochenen Kehlnähten

oft problematisch (KF 4)

- ab B4: zusätzl. Ausmitte von e= ¼ Schienenkopfbreite

aufgeschweißte Flachstahlschiene

kaum noch möglich

z. B. A- oder F- Schiene, ggf. aufgeklemmt


Ermüdungsfestigkeit

2.2.4.2- 13Welcher Stahl für welche Anforderung? Prof. Dr.-Ing. P. Schaumann

Bild 12: Normierte Ermüdungsfestigkeitskurve nach Eurocode 3

log N2*10

N C

6

N

6

ND L

5*108

10

log

C

D

L

Ermüdungsfestigkeitskurve

Dauerfestigkeitsgrenze

Schwellenwert der

Ermüdungsfestigkeit

m = 5

m = 3

1Grenzwert der Ermüdungsfestigkeit bei 2 Mio. Spannungsspielen




24.06.2010


Dresden / Berlin


BV Niles/ Simmons Chemnitz

zur Kraneinstufung:

schwerer Kran ca. 80 tBremsportal mit Hohlprofilen

Präzisionsmaschinenhersteller

Kran hebt Maschinen „sanft“

Hubklasse H1 oder H2 (typ. Werkstattkran)

Ermüdungsnachweis Kranbahnträger:

leichtes Kollektiv




24.06.2010


Dresden / Berlin

Mehrschiffige Hallen aus eingespannten Stützen mit aufgelegten Fachwerkbindern

Behr- Service 2010

zweiachsig eingespannte

Stahlstützen

Spezifik: Mittelachse muss auch in Längs-

richtung stabilisiert werden, z.B. Kreuzstützen

5. Mehrschiffige Hallen mit Fachwerkbindern

Stützenfußeinspannung

mit Köcherfundament




24.06.2010


Dresden / Berlin

Tragwerk mit eingespannten Stahlbetonstützen und gelenkig aufgelegtem FW- Binder

BV Prologis Meerane 2008 – mehrschiffige Halle

zweiachsig eingespannte Stahlbetonstützen

aufgelegte FW- Binder

Vorteil: Brandschutz Stützen, ggf. in Brandwand integriert





24.06.2010


Dresden / Berlin

BV Prologis Meerane 2008

zur Bemessung der Stützen:

meist relativ geringe Normalkräfte, Biegung ist für die Stützen maßgebend





24.06.2010


Dresden / Berlin

Tragwerk mit gelenkig angeschlossenen Bindern, Randfeld angependelt

BV Produktionshalle Schaarschuh Chemnitz

- Mischbauweise mit Stahlbetonstützen (hier in Brandwand integriert) und Fachwerkbindern

- angependeltes Randfeld, mit Stahlstützen (Bild: Außenwand ist noch nicht verkleidet)


Variante für kleinere Hallen

(keine große Höhe, kein Kran):

Mittelstützen eingespannt ,

Randstützen angependelt




24.06.2010


Dresden / Berlin

Mehrschiffige Hallen aus eingespannten Stützen mit aufgelegten Fachwerkbindern

BV Produktionshalle Grießbach, Altenberg

Mittelstützen in der mittleren Längsachse nicht in jeder Querachse möglich

Abfangträger in Mittellängsachse auf zweiachsig eingespannten Stützen





24.06.2010


Dresden / Berlin

Stahlbetonstützen mit angeformtem Fuß

5. Mehrschiffige Hallen mit Fachwerkbindern - Details

Stützenfüße haben Vergussöffnungen

Optimierung der

Schwereachsen im

Bereich Stützenkopf

Längskraftgelenk UG




24.06.2010


Dresden / Berlin

Stahlbetonstützen mit aufgelegten Fachwerkbindern

BV CIS-Line Berlin 2010

in den Innenachsen Abfangbinder zur Vergrößerung des Stützenabstandes

5. Mehrschiffige Hallen mit Fachwerkbindern – Details

Innenstützen geringere Höhe (wenn durchgehender Abfangbinder)

Binder als EFT am UG längsverschieblicher Anschluss




24.06.2010


Dresden / Berlin

Hallen aus Spannbeton-Fertigteilen auf eingespannten Stützen

Auflagerungen

für Dachbinder

(Taschen etc.

zur Kippsicherung)

System mit Dachbindern

System ohne Dachbinder

6. Hallen mit Spannbetonbindern

Verbindungen von

Stb- Fertigteilen




24.06.2010


Dresden / Berlin

- Binderstützweite bis 28m, gabelgelagert

- Stahlbetonstützen alle 12m, Höhe h=12m,

zweiachsig eingespannt (mit angeformtem Fuß),

Stützenköpfe verbunden, Koppelkraft Binder- Stützen über eingelassenen Schubdorn

- Dacheindeckung: Trapezblech

- Brandschutz: Warmbemessung der u.a. vierseitig brandbeanspruchten Stützen

Dachbinder laufen in „Taschen“ am

Abfangbinder

6. Hallen mit Spannbetonbindern - Beispiel

BV Logistikzentrum Wackler

Dresden 2008




24.06.2010


Dresden / Berlin

mit Holzbindern durchaus auch größere Stützweiten

BV Möbelwerkstätten Härtig Chemnitz

- Stabilisierung über eingespannte Stahlbetonstützen

- Binderstützweite l=30m, mit Gabellagerung

- Trapezblecheindeckung

7. Hallen mit Holzbindern




24.06.2010


Dresden / Berlin

Weitgespannte Stahlhallen

BV Flugzeughalle für EADS Dresden 2006

8. Sonderkonstruktionen

Isometrie Stabwerkmodell




24.06.2010


Dresden / Berlin

Fachwerkknoten mit Knotenblechen

Diagonalen als drucksteife Profile

oder mit Flachblechen





24.06.2010


Dresden / Berlin

Flugzeughalle Leipzig 2008

Querrichtung: Zweigelenkrahmen

in Längsrichtung: außenliegendes Dachtragwerk

mit Dreigurtbindern aus Hohlprofilen


Fachwerkknoten mit Knotenblechen




24.06.2010


Dresden / Berlin


Funktionstüchtigkeit der Rolltore

Dreigurtbinder mit Hohlprofilen




24.06.2010


Dresden / Berlin

BV Halle für Werkstätten Hellerau 2006

Dachtragwerk: in Querrichtung mit unterspannten Bindern


in Längsrichtung mit Dreigurtbindern

Stützen jeweils außen verspannt

(zur Aufnahme der Biegung)




24.06.2010


Dresden / Berlin





24.06.2010


Dresden / Berlin





24.06.2010


Dresden / Berlin

Zusammenfassung

Hallenbau durch extrem geringe Bauzeit gekennzeichnet

i.d.R. Stahlbau oder Stahlbeton-Fertigteilbauweise

wegen der hohen Montagegeschwindigkeiten

Vielzahl der Hallen einige, sich immer wieder

herauskristallisierende Tragsysteme

Entscheidung für Stahl- oder Stahlbetonkonstruktion

vor allem aus wirtschaftlichen Erwägungen

(Stahlpreis, eigenes Fertigteilwerk etc.)

Mischbauweise

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