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Profilstahl im Kraftwerksbau
EuropeSections and Merchant Bars
Effiziente Lösungen für Kraftwerke mit Walzprofilen
Bild 1: Kraftwerk Walsum
Inhaltsverzeichnis
1. Kraftwerke 52. Baustähle von ArcelorMittal 83. Walzprofile und ihre Vorteile 114. Vorteil der Markenstähle HISTAR® gegenüber
herkömmlichen Baustählen 135. Optimierte Bauteile im Kraftwerksbau 216. Gründungen für hohe Lasten 247. Nachhaltiges Bauen mit warmgewalztem Profilstahl 27Anhang A1 28
Vergleich Walzprofile S235 mit HISTAR 460 28Anhang A2 29
Vergleich Walzprofil gegenüber ACB - Trägern 29Anhang 3 30
Vergleich Hohlkastenprofil mit Kreuzprofilstütze 30Technische Beratung & Anarbeitung der Träger 32Referenzen 34Ihre Partner 35
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Bild 2: Kesselgerüst eines Kohlekraftwerkes mit Kesselhausunterteil
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1. Kraftwerke
EinleitungDie immer weiter wachsende Nachfrage nach Energie und die über viele Jahre verschobenen Investitionen in neue Kraftwerke haben in jüngster Zeit zu einem bemerkenswerten Aufschwung im Kraftwerksbau geführt. Damit verbunden ist auch ein enormer Einsatz von Stahl und, in nicht unbeträchtlichem Maße, von Walzprofilen aus Stahl. Im Bereich der Kohlekraftwerke beträgt der Anteil der Walzprofile am gesamten Stahlvolumen in etwa 60%.
Möglichst kurze Bauzeiten und steigende Lohnkosten machen den Einsatz von gewalzten Profilstählen attraktiv. ArcelorMittal bietet mit einer breiten Produktpalette an Walzprofilen für jedes Problem die passende Lösung.
KohlekraftwerkeIn Bild 3 sind die Funktionseinheiten eines Kohlekraftwerks zu sehen. Am auffälligsten sind bei einem solchen Kraftwerk die großen Kühltürme sowie die Kesselgerüste, die allerdings später vom Kesselhaus umhüllt werden.
Aber nicht nur diese großen Bauwerke machen ein Kraftwerk aus. Eine Vielzahl von Nebenbauwerken ist notwendig, um alle erforderlichen Einheiten aufzunehmen, wie beispielsweise das Maschinenhaus, in welchem sich die Stromerzeuger befinden oder das Bunkerhaus, in dem die Kohle zwischengelagert wird.
Auf Bild 2 ist das Kesselgerüst eines modernen Kohlekraftwerkes zu sehen. Die Treppenhäuser sind in Massivbauweise erstellt worden und dienen dem späteren Zugang zu allen Bereichen. Im oberen Teil des Kesselgerüstes sind die bereits vor-montierten Bandagen, die im Betrieb den Kessel aussteifen, zu erkennen. Im unteren Bereich steht vor dem Kesselgerüst das Kesselhausoberteil, welches später, nach-dem es im Litzenhub in seine endgültige Lage gebracht wurde, zusammen mit dem Kesselhausunterteil das komplette Kesselgerüst umgeben wird. Hier werden in großer Menge Walzprofile eingesetzt.
Bild 3: Übersicht Kohlekraftwerk in Neurath
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Um den Kessel herum werden, je nach Größe des Dampferzeugers, zwischen 20 und 40 Arbeitsbühnen benötigt. Zu deren Erstellung wird die gesamte Palette an lieferbaren Walzprofilen verwendet. Wie auf Bild 4 zu erkennen ist, kommen sowohl für die Stützen als auch für die Haupt- und Nebenträger der Bühnen fast ausschließlich Walzprofile zum Einsatz.
Zur Lagerung der Kohle wird ein Bunkerhaus benötigt. Während das Bunkergerüst meist aus schweren I- oder Kastenquerschnitten besteht, werden für die Hauskonstruktion sowie für die Bedienungsbühnen in der Regel Walzprofile eingesetzt.
Im Luvo-Haus, welches an das Kesselhaus angegliedert ist, wird die Frischluft durch den Rauchgasstrom vorgewärmt. Auch hier werden für die Hauskonstruktion und die Bedienungsbühnen Walzprofile verarbeitet.
Schließlich bleiben noch das Maschinenhaus und die Nebengebäude zu nennen, bei deren Errichtung hauptsächlich Walzprofile einge-setzt werden.
Neben der Verwendung als Biegträger und Stützen in Bühnen, Fassaden und Gerüst-konstruktionen werden gewalzte I-Profile auch häufig als drucksteife Verbände verwendet.
Bild 4: Arbeitsbühnen
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Kombi- und ErsatzbrennstoffkraftwerkeGas- und Dampf-Kombikraftwerke sowie Ersatzbrennstoffkraftwerke (EBK, z.B. mit Holzhackschnitzeln befeuert) werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads bzw. der Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen und Restprodukten in zunehmendem Maße gebaut. Die dezentrale Errichtung solcher Kraftwerkseinheiten sorgt sowohl bei den Energieträgern als auch bei der Energie selbst für möglichst kurze Lieferwege. Bei diesen Kraftwerken werden nicht nur für die umhüllenden Tragwerke sondern auch für Einbauten (Bühnen und Stützgerüste) Walzprofile gewinnbringend eingesetzt.
Bild 6: SIEMENS Combined Cycle Power Plant - Stahlbaustruktur des Maschinenhauses
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Bild 5: Stahlbau eines Ersatzbrennstoff-Kraftwerkes
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ArcelorMittal Commercial SectionsArcelorMittal Commercial Sections, einer der 3 Geschäftsbereiche von ArcelorMittal • • •• • • • • • • • •Long • •• • • • •••••••••• mit Werken in Luxemburg, Polen, Rumänien, Spanien und der Tschechischen Republik, ist der größte europäische Hersteller warmgewalzter Stahlprofile und verfügt in der Erzeugung und Anwendung dieser Produkte über weltweite Erfahrung.
ArcelorMittal Commercial Sections vertreibt I-Profile, T-Profile, U-Profile, Winkel und Stabstahl. Die Produktpalette umfasst alle Dimensionen der europäischen Normreihen und einen großen Teil der britischen, amerikanischen, russischen und japanischen Normreihen. Der höchste Walzträger der serienmäßigen Produktpalette von ArcelorMittal beträgt 11• •8 mm. Das schwerste gewalzte Stützenprofil hat derzeit eine Flanschdicke von 140 mm. Zusätzlich können auf Wunsch Profile nach Werksnormen und Profile „nach Maß” hergestellt werden.
Eine graphische Übersicht über das Abmessungsspektrum an lieferbaren Walzprofilen ist in Bild 7 dargestellt.
11001000
900800700600500400300200100
Höhe (mm)
Flanschdicke (mm)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Bild 7: Abmessungsspektrum der Walzprofile
Walzprofile werden von ArcelorMittal Commercial Sections in Stahlsorten nach europäischen, amerikanischen, russischen und japanischen Normen vertrieben. Andere Güten (z.B. kanadische CSA Normen) können auf Anfrage geliefert werden. Die für Baustähle maßgebende, vereinheitlichte Deutsche Gütenorm ist die DIN EN 10025:2005, welche auf Basis der Bauproduktenrichtlinie 89/106/EG ausgearbeitet und alle Bestimmungen bezüglich der EG-Konformitätskennzeichnung oder CE-Kennzeichnung zusammenfasst.
Die Baustähle werden im Normalfall mit einem Siliziumgehalt von 0,14% - 0,25% geliefert. Sie sind daher zum Aufbau einer Zinkschicht beim Feuerverzinken geeignet. Der Gehalt an Phosphor liegt gewöhnlich unter 0,035% und hat bei den betrachteten Si-Werten keinen Einfluss auf die Endstärke des Überzugs.
2. Baustähle von ArcelorMittal Commercial Sections
Bild 8: Walzung eines Trägers in HISTAR Qualität auf der Grey – Walzstraße von ArcelorMittal in Differdingen, Luxemburg
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Thermomechanisch gewalzte BaustähleMit steigender Tendenz fordert der Markt Stahlgüten mit hohen Festigkeiten, verbunden mit gleichzeitig guter Zähigkeit, guter Schweißeignung und einer Feinkörnigkeit des Gefüges. Diese Anforderungen werden von den thermomechanisch gewalzten Langprodukten (Lieferzustand +M/M nach DIN EN 10025-2: 2005 und DIN EN 10025-4: 2005) von ArcelorMittal erfüllt.
Die Stahlgüte dieser Produkte wird im Wesentlichen bereits während der Herstellung im Elektroofen bestimmt. Die mechanischen Eigenschaften dieser thermomechanisch gewalzten Stähle werden hauptsächlich durch gezielte Wärmeführung während des Walzprozesses beeinflusst. Hierbei werden, unter Berücksichtigung der entscheidenden metallurgischen Vorgänge, Temperatur und Umformung in ihrem zeitlichen Ablauf so gesteuert, dass durch gezieltes Ausnutzen dieser die geforderten Werkstoffeigenschaften erreicht werden.
Derartige Behandlungen bezeichnet man als „normalisierendes Umformen“ und „thermomechanisches Umformen“, in der aktuellen DIN EN 10025-2: 2005 gelten die Begriffe „normalisierendes Walzen“ und „thermomechanisches Walzen“; der Begriff „controlled rolling“ deckt somit grundsätzlich beide Verfahren ab (s. Bild 9).
Die präzise Temperaturführung während des Walzprozesses von Langprodukten, also das kontrollierte Walzen, erlaubt eine Herstellung von üblichen Baustahlgüten mit deutlich niedrigerem Kohlenstoffäquivalent als vergleichbare warmgewalzte oder normalisierend gewalzte Stähle. Bei klassisch normalisierend hergestellten Stählen führen feinkornbildende Elemente zwar grundsätzlich zur Feinkörnigkeit des Gefüges und damit hohen mechanischen Werten, allerdings ist das Hinzulegieren von Feinkornbildner verknüpft mit einem begrenzten Zähigkeitsverlust. Dieser Nachteil stellt sich bei thermomechanisch gewalzten Feinkornbaustählen nicht ein, da für die
Herstellung gleichwertiger Festigkeiten weitestgehend auf das Hinzulegieren von Feinkornbildnern verzichtet werden kann. Thermomechanisches Walzen erlaubt somit:. eine wesentliche Verbesserung der
Homogenität der Werkstoffeigenschaften,
. eine erhebliche Verringerung der Fertigungskosten sowohl auf der Herstellungs- als auch auf der weiterverarbeitenden Seite,
. die Schaffung einer neuen Generation von gewalzten Stahlträgern im hochfesten, feinkörnigen Bereich mit bisher nicht erreichten Eigenschaften.
Zusätzlich besitzen thermomechanisch gewalzte Stähle aufgrund ihrer Gefügestruktur eine gute Kaltumformbarkeit. Sie lassen sich im Allgemeinen ohne Schwierigkeiten Flammrichten. Wie auch bei anderen Baustählen muss darauf geachtet werden, dass die Flammrichttemperatur bestimmte Höchstwerte und Zeitintervalle nicht überschreitet (700°C bei kurzer durchgreifender bzw. 900°C bei lokaler oberflächiger Erwärmung sollten nicht überschritten werden). Eigenspannungen in den Walzprofilen können durch Spannungsarmglühen abgebaut werden. Dies erfolgt nach den Richtlinien für die Verarbeitung unter Einhaltung der üblichen Parameter bezüglich Temperaturbereich und Haltedauer. Eine Weiterverarbeitung durch Warmumformen, in der Praxis bei Langprodukten ohnehin nicht üblich, ist nach DIN EN 10025-2: 2005 nicht erlaubt.
Nach Vereinbarung können die Güten nach DIN EN 10025-2: 2005 und DIN EN 10025-4: 2005 mit verbesserten Verformungseigenschaften geliefert werden. Solche Güten zeichnen sich durch eine Verminderung der Terrassenbruchneigung bei Beanspruchung senkrecht zur Erzeugnisoberfläche (Z-Güten) in der Fertigung aus.
herkömmlichesWalzen
Liefer-zustand AR N
N„as rolled”
α
Q CRT TM TM+ACC
ACC
TM+QST
Q M/N M
Luft Wasser
α + γ
γnicht rekristallisiert
γrekristallisiert
Bild 9: Zusammenhang der Herstellung und Lieferzustände
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Beim Einsatz von Produkten mit Materialstärken über 30mm, bei denen Schweißnähte in Zug- oder Biegezugbereichen liegen, ist DIN 18800-7:2008, Element (506) zu beachten. Dies gilt für die Festigkeitsklassen S235, S275 und S355.
Dank des Lieferzustandes +M erfüllen die von ArcelorMittal gelieferten Profile der Festigkeitsklasse S235 grundsätzlich die in Element (506) gestellten Anforderungen. Bei den Festigkeitsklassen S275 und S355 empfiehlt ArcelorMittal bei Materialstärken über 30mm bis max. 80mm den Einsatz von Stählen gemäß DIN EN 10025-4:2005 – also S275M bzw. S355M. Diese weisen gegenüber den unlegierten Baustählen eine deutlich höhere Zähigkeit auf. Hochfeste Stähle S460M/ML nach DIN EN 10025-4 können nach Element 506 uneingeschränkt eingesetzt werden.
Beim Einsatz von Materialstärken über 80mm – z.B. bei HD-Profilen – stehen die Stahlsorten S275ML bzw. S355ML gemäß DIN EN 10025-4:2005 zur Verfügung.
Diese empfohlene Stahlsortenauswahl ist gemäß DIN 18800-7:2008 der baurechtliche
Standard, welcher der noch erlaubten Ausführung des Aufschweißbiegeversuches aus Kosten- und Qualitätsgründen vorzuziehen ist. Von einer nachträglichen Durchführung des Aufschweißbiegeversuches ist aus Gründen der Produkthaftung abzuraten.
Baustähle mit besonderer Güte - HISTAR®
HISTAR®-Stähle sind weiterentwickelte thermomechanische Baustähle, die durch die von ArcelorMittal verwendete In-line-Wärmebehandlung QST (Quenching and Self-Tempering = Abschrecken und Selbstanlassen) hergestellt werden. Diese Stähle zeichnen sich bei niedrigem Legierungsgehalt durch hervorragende Schweißeigenschaften aus und weisen neben ihrer hohen Festigkeit auch eine gute Zähigkeit auf. Sie werden mit Mindeststreckgrenzen von 355 und 460 MPa hergestellt. Die HISTAR® Stähle werden im thermomechanisch gewalzten Zustand geliefert und stehen in vollem Einklang mit den Forderungen der DIN EN 10025-4:2005. Der Einsatz von HISTAR Stählen ist bereits in Deutschland durch die Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Z-30.2-5
geregelt, europäisch ist ab 2010 die ETA-10/0156 verfügbar.
In der Broschüre „HISTAR – Moderne hochfeste Stähle für wirtschaftliche Stahlkonstruktionen“ sind weitere Informationen, dessen mechanische Werte und Vorteile in der Verarbeitung aller verfügbaren HISTAR® Markenstähle aufgeführt. Die Vorteile von HISTAR im Vergleich zu konventionellen Baustählen, speziell für den Kraftwerksbau, werden auf Seite 13 vorgestellt.
Warmfeste Stähle
Warmfeste Stähle sind Werkstoffe mit ausgewiesenen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen für eine langzeitige Beanspruchung. ArcelorMittal produziert Walzträger in 16Mo3 in Anlehnung an EN 10273 für Walzprodukte, wobei die mechanischen Eigenschaften denen nach EN 10028-2 bei Raumtemperatur sowie erhöhten Temperaturen entsprechen. Profile der HE-Reihe bis HE600 und der IPE-Reihe bis IPE600 sind in 16Mo3 bis zu einer maximalen Erzeugnisdicke von 40 mm verfügbar.
Tabelle 1: Empfehlung zur Stahlsortenauswahl gemäß DIN 18800-7:2008 (506).
Stahlsorte Dicke t bzw. Profile
IPE 80 … 750HEA 100 … 900HEB 100 … 600HEM 100 … 220HP-Reihe (außer HP305x223)
HEA 1000HEB 650 … 1000HEM 240 … 1000HP305x223HD- bzw. HL-Profile mit
>80mm
HD- bzw. HL-Profile mit Flanschdicken >80mm
S355 S355J2+M gemäß DIN EN 10025-2:2005
S355M gemäß DIN EN 10025-4:2004
S355ML gemäß DIN EN 10025-4:2004
S275 S275J2+Mgemäß DIN EN 10025-2:2005
S275M gemäß DIN EN 10025-4:2004
S275ML gemäß DIN EN 10025-4:2004
S235 S235JR+MS235J0+MS235J2+M
gemäß DIN EN 10025-2:2005
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3. Walzprofile und ihre Vorteile
Durch den enormen Zeitdruck unter welchem Bauprojekte in der heutigen Zeit ablaufen, ist es nötig, soweit wie möglich auf vorgefertigte Walzprofile zurückzugreifen. Dabei haben mehrere Faktoren Einfluss auf die Entscheidung, ob man Walzprofile oder Schweißprofile verwendet.
Vorteile für den BetreiberFür den Betreiber eines Kraftwerks ist es von großer Bedeutung, dass der Bau so schnell und reibungslos wie möglich abläuft, denn je früher der Bau abgeschlossen ist, desto früher kann das Kraftwerk in Betrieb genommen werden. Hier bietet der Einsatz von Walzprofilen den Vorteil, dass ihr höherer Vorfertigungsgrad die Bauzeit wesentlich verkürzt. Dieser Vorteil spielt auch für den Kraftwerksbauer eine große Rolle, da auch für ihn kürzere Bauzeiten einen wirtschaftlichen Nutzen bedeuten.
Vorteile für den KraftwerksbauerEinflussgröße Werkstattkapazität
Das ausführende Stahlbauunternehmen muss natürlich bei großen Projekten, unter welche Kraftwerksbauten zweifellos fallen, die Kapazitäten im betriebseigenen Werkstattbereich prüfen. Da für das Kesselgerüst mit seinen hohen Lasten ausschließlich sehr große Schweißprofile (primär Kastenquerschnitte) zum Einsatz kommen können, werden für deren Herstellung große Kapazitäten in den Fertigungsbereichen „Zusammenbau“ und „Schweißen“ gebunden. Die Walzprofil-bearbeitung wird vergleichsweise wenig ausgelastet, so dass es für eine optimale Kapazitätsauslastung und eine Steigerung der Produktivität sinnvoll ist, Walzprofile einzusetzen, um termingerecht und ökonomisch fertigen zu können.
Einflussgröße Wirtschaftlichkeit
Einer der wichtigsten Faktoren bei Entscheidungen ist die Wirtschaftlichkeit. Somit ist der Bereich zu definieren, in dem Walzprofile wirtschaftlicher als Schweißprofile sind. Dabei spielen Größen wie die Kosten für Bleche und für die Schweißung sowie die Kosten für die Walzprofile eine Rolle.
Hierbei wird deutlich, dass nicht nur der Materialpreis für die Verwendung der Walzprofile spricht, sondern dass insbesondere bei der Berücksichtigung der Kosten für das Zuschneiden und das Schweißen Walzprofile im Vergleich zu Schweißprofilen sehr günstig sind.
Einflussgröße Flexibilität
Für den Kraftwerksbauer ist es von großer Wichtigkeit, die Produkte, die er für den Bau benötigt, zum gewünschten Termin in der gewünschten Qualität am gewünschten Ort zu haben. Hier kann ArcelorMittal alle Kundenwünsche erfüllen, da die Verfügbarkeit der Walzprofile sehr hoch ist. Mit einer großen Produktpalette an Walzerzeugnissen kann zu jeder Anforderung sehr flexibel die passende Lösung geboten werden. Durch die Qualitätskontrollen werden nur Produkte mit höchster Qualität ausgeliefert, die termingerecht am gewünschten Ort erscheinen. Für die Dokumentation können alle benötigten Zeugnisse mitgeliefert werden. In der Regel sind im Kraftwerksbau Abnahmeprüfzeugnisse 3.1 erforderlich. Bei Stahlsorten S275 oder höher liefert ArcelorMittal diese grundsätzlich baurechtskonform inklusive; bei S235 werden diese nach Vereinbarung geliefert.
121212
Bild 10: Schweißarbeiten an HISTAR-Stützen
13
0
500
HISTAR 460
HISTAR 355
S460M/ML
S355M/ML
S355N/NL
S460N/NL
Erzeugnisdicke [mm]
Potential im Vergleich zur Nutzung konventioneller Stähle
Stre
ckgr
enze
[N/m
m2 ]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
450
400
350
300
250
Bild 11: Abminderung der Streckgrenze über die Erzeugnisdicke
4. Vorteil der Markenstähle HISTAR®
gegenüber herkömmlichen BaustählenHISTAR®-Stähle sind niedriglegierte, hochfeste thermomechanische Feinkornbaustähle mit hervorragender Schweißeignung und guten Zähigkeiten. Die Streckgrenzen der HISTAR® Güten, im Vergleich zu denjenigen der üblichen Baustähle, sind über den gesamten Erzeugnisdickenbereich verbessert (siehe Bild 11).
Durch die Verwendung von HISTAR-Stählen mit höheren Festigkeiten können auf die Bauteilkosten bezogene Einsparungen bis 50% gegenüber S235 erzielt werden. Aufgrund der hohen Streckgrenze kann die Stahltonnage um 50% - in Einzelfällen auch mehr – reduziert werden. Da der Materialpreis für HISTAR 460 mit ca. 10-15% nur geringfügig höher liegt als bei S235, sind allein bei den Materialkosten Einsparungen von 30-40% möglich. Dazu kommen weitere Einsparungen bei allen Verarbeitungsvorgängen in der Werkstatt. Das Schweißgutvolumen kann in der Regel erheblich reduziert werden. Beim Einsatz kleinerer Profile reduziert sich die Fläche für den Korrosionsschutz. Dank der leichteren Konstruktion können die Transportkosten gesenkt werden. Die Montage kann abhängig von der Lage und Ausstattung der Baustelle mit kleineren Kränen bzw. Hebezeugen erfolgen.
141414
Bild 12: Einsatz von HD Profilen beim Kraftwerk Datteln
15
Bild 15: Einsparungspotential von Kosten bei Stützen durch die Verwendung von HISTAR
Diese Einsparpotentiale sind exemplarisch in Bild 13 für die Ausführung zugbelasteter Stäbe in Fachwerken aufgezeigt. Wenn es dann noch gelingt, die verschiedenen Bauteile im Fachwerk aus einer Profilgruppe zu wählen, können die Fachwerkknoten sehr einfach konstruiert werden. Da die Profile einer Profilgruppe das gleiche Kammermaß
aufweisen, können sie direkt miteinander verschweißt werden, ohne dass aufwendige Fügetechniken im Knotenbereich erforderlich werden, siehe Bild 14.
Bei druckbelasteten Bauteilen ergeben sich aus der Einstufung von Profilen aus S460 in die Knickspannungslinie a bzw. a0
Vorteile,
die über den der hohen Streckgrenze hinausgehen. So können im für den Hochbau relevanten Bereich der Knicklängen durch den Einsatz eines HISTAR 460 gegenüber einem S235 50% bis 55% Material eingespart werden, siehe Bild 15.
175 %
100 % 78 %
156 %
RelativesGewicht
RelativeMaterialkosten
160 %
68 %70 %
100 %73 %53 %
174 %171 %
Gewichtim Verhältnis
zur Güte S 355
Materialkosten
Schweißvolumen
S 235 JRHD 400 x 1086
27027
S 355 JRHD 400 x 634
26260
HISTAR 460HD 400 x 463
27117S 235 JR
HD 400 x 108625254
S 355 JRHD 400 x 677
24580
HISTAR 460HD 400 x 463
25156
StahlgüteProfil
Grenzlast (kN)Stahlgüte
ProfilGrenzlast (kN)
Knick
läng
e:3,
5m
102 %100 %120 %
35 90125
115 130
82%62%
Verarbeitungskosten
Gewicht pro Meter
HISTAR 460HD 400 x 1086
50544
S 355 JRHD 400 x 990
+ Blech46568
S 355Kasten-
querschnitt47463
StahlgüteProfil
Grenzlast (kN)
Knick
läng
e:3,
5m
Bild 14: Optimierte Ausführung eines Fachwerkknotens bei Profilen einer Profilreihe
Bild 13: Einsparungspotential von Kosten bei Fachwerken durch den Einsatz von HISTAR
16
Bild 16: Beispiel – Kraftwerk in Diandong, Provinz Yunnan, (China)
17
Die Beanspruchbarkeit einer Stütze in Abhängigkeit von der Knicklänge ist für eine Auswahl an Stahlgüten in Bild 17 dargestellt. Im Anhang A1 werden zusätzlich die Vorteile von Stützen in HISTAR mittels einer Beispielrechnung erläutert.
In dem in Bild 16 dargestellten Anwendungsbeispiel wird der effiziente Einsatz von Walzprofilen verdeutlicht. Bei den hohen Stützenlasten konnte durch die Verwendung von HISTAR 460 und HD-Profilen auf eine Ausführung mit Schweißprofilen verzichtet werden. Im Bereich der Fachwerke sind große HL-Profile sowohl für die Gurte als auch für die Aussteifungen eingesetzt worden, wodurch insgesamt eine sehr wirtschaftliche Lösung realisiert werden konnte.
70.000
60.000
50.000
40.000
30.000
20.000
10.000
0
Knicklänge [m]
HISTAR 460S 460HISTAR 355S 355 S 235TypischerAnwendungs-bereich
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Bild 17: Beanspruchbarkeit in Abhängigkeit von der Knicklänge
Bild 18: Kesselhaus des Kraftwerks Wilhelmshaven
18
Unter Einhaltung der allgemeinen Regeln der Schweißtechnik bieten die HISTAR®Güten für alle manuellen und automatischen Schweißprozesse eine optimale Schweißbarkeit. Bedingt durch das niedrige Kohlenstoffäquivalent ist ein Vorwärmen bei Streckenenergien von 10-60 kJ/cm und bei Verarbeitungstemperaturen >0°C nicht erforderlich, vorausgesetzt es werden Schweißzusatzwerkstoffe mit niedrigem Wasserstoffgehalt verwendet. Unter diesen Umständen können z.B. die HISTAR® 355 Stähle ohne Vorwärmen über den gesamten Dickenbereich geschweißt werden, siehe Bild 19. Wie für die üblichen Baustähle sollen Profile mit nasser Stahloberfläche und bei Raumtemperaturen unter 5°C getrocknet werden.
Das verringert zum einen die Energiekosten des Stahlbaubetriebs, zum anderen erhöht es die Produktivität, da die Zeit für das Vorwärmen eingespart werden kann. Der größere Materialdurchsatz im Fertigungsbereich „Schweißen“ führt somit zu einer Erhöhung von dessen Kapazität und Wirtschaftlichkeit, was sich wiederum in den Kosten für das Bauwerk widerspiegelt.
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
140
80
40
12140
12
[%]
Materialstärke [mm]Vorwärm-temperatur[°C]
CEV (%) = C + + +Kein Vorwärmen von HISTAR-Stählenbei folgenden Bedingungen:
für R < 460 : H ≤ 10ml/100g für R > 460 : H ≤ 5ml/100g
2e
e 2
Mn6
(Cr+Mo+V)5
(Cu+Ni)15
HISTAR
235 275 355 420 460 500
e
0konventio
nelle Stahlsorte
n200
150
100
50
Streckgrenze R [MPa]
E > 10kJ/cm
CEV
(Koh
lens
toffä
quiv
alen
t)
19
Exemplarisch kann dieser Vorteil an einem geschweißten Vollstoß eines HD 400x1086 Stützenprofils aufgezeigt werden (siehe Bild 20). Für einen S355 nimmt das Vorwärmen eine Zeit von ca. 4 Stunden in Anspruch, bevor man mit dem Schweißen beginnen kann, was wiederum weitere 8 Stunden dauert. Durch den Einsatz von HISTAR-Stählen entfällt das Vorwärmen, und generiert durch die Zeitersparnis und entfallenden Energiekosten einen maßgeblichen, wirtschaftlichen Vorteil.
Bei der Dimensionierung von Kehlnähten hat HISTAR 460 gegenüber einem herkömmlichen S460 zusätzlich den Vorteil, dass der Schweißbeiwert für Kehlnähte für die Bemessung von HISTAR 460 bei aw
= 0,75 gegenüber a
w = 0,70 für S460 liegt.
Die HISTAR® Markenstähle erfüllen alle Bedingungen der üblichen Baustahlnormen. Spannungsarmglühen, thermisches Trennen und mechanische Bearbeitung können unter normalen Bedingungen genauso durchgeführt werden wie für vergleichbare thermomechanisch gewalzte Baustähle in dem jeweiligen Festigkeitsbereich.
Bild 20: Schweißen eines HD 400 x 1086 Profils aus HISTAR 460
20
Bild 21: Erweiterungsmöglichkeiten des Spektrums optimierter Stützenquerschnitte auf Basis von Walzträgern
Aus zwei Profilengeschweißter Hohlkasten
Kreuzstütze aus einem Walzprofil und zwei
aus Walzprofilen her-gestellten T-Stücken
Breitflansch-träger mit
zugeschweißten Kammern
Verbundstütze:Breitflanschträger mit
zugeschweißten Kammern und Betonergänzung
Hohlkastenstütze auseinem Walzprofil und zwei aus Walzprofilen herge-
stellten T-Stücken
Verbundstütze:Breitflanschträger mit Kammerbeton Verbundstütze:
Walzprofil mit betongefülltem
Rundrohr
Verbundstütze:Kreuzstütze mit Betonergänzung
Verbundstütze: aus zwei Profilengeschweißter Hohlkasten
mit Betonergänzung
Verbundstütze: aus dreiProfilen geschweißter
Hohlkasten mit Betonummantelung
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5. Optimierte Bauteile im Kraftwerksbau
Stützen zur Abtragung hoher LastenNeben dem üblichen Einsatz von I-Profilen als Biegeträger oder Stützen bietet sich deren Verbindung zu optimierten Bauteilen an. So können zwei warmgewalzte I-Profile zu einem Kreuzprofil oder einem Hohlkasten verschweißt werden, was die I-Profil-typische Reduktion der Knicklast um die schwache Achse ausgleicht. Während das Kreuzprofil hinsichtlich der Montage und gegebenenfalls Demontage von Unterzügen und Verbindungen günstiger ist, weist es gegenüber dem Hohlprofil eine wesentliche größere Beschichtungsfläche auf. Korrosionsschutzanforderungen stehen im Kraftwerksbau nicht an oberster Stelle, da das ganze Gebäude von der Fassade umhüllt wird.
Lediglich während der Bauphase, die durchaus einige Monate in Anspruch nimmt, muss ein ausreichender Schutz gegen Korrosion gewährleistet werden.
Eine Betonfüllung kann nach dem Einbau nur mit Hilfe von Schalung erfolgen. Hier haben Hohlprofile, insbesondere Rundrohre mit eingestelltem Walzprofil, erhebliche baubetriebliche Vorteile. Werden an solche Bauteile Brandschutzanforderungen gestellt, so bietet sich ein dünnwandiges Rundrohr mit niedriger Festigkeit in Verbindung mit einem schweren I-Profil aus HISTAR 460 an.
Im Bild 21 sind verschiedene Optimierungsmöglichkeiten dargestellt: von zusammengesetzten Walzprofilen bis hin zu verschiedenen Verbundkonstruktionen.
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Bild 22: Ausbetonierte Kreuzstütze Bild 23: Betongefülltes Rohr mit eingestelltem Walzprofil
2222
Bild 26: Lochstegträger-Typen
Einsatz von Lochstegträgern
Bild 24: Trennen von Walzprofilen zur Herstellung von ACB-Trägern
Bild 25: Installationsfreundlichkeit von ACB-Trägern
Lochstegträger mit sechseckigen Öffnungen
Lochstegträger mit achteckigen Öffnungen
ACB - Lochstegträger mit runden Öffnungen
Lochstegträger mit sinus-förmigen Öffnungen „ANGELINA ™“
23232323
Der Einsatz von Lochstegträgern (ACB – Trägern) bietet neben seiner architektonisch anspruchvollen Gestaltungsmöglichkeit vor allem im Anlagenbau den Vorteil der großen Installationsfreundlichkeit. Lochstegträger werden aus Standard-Walzprofilen hergestellt durch Aufschneiden des Trägersteges mit einer definierten Schnittführung und anschließendes Versetzen und Verschweißen. ArcelorMittal bietet drei verschiedene Schnittvarianten an, mittels derer vier verschiedene Typen von Lochstegträgern hergestellt werden können.
Durch das Versetzen entsteht ein Träger mit einer größeren Höhe als das Ausgangsprofil. So erreicht man eine größere Biegetragfähigkeit. Außerdem hat man die Möglichkeit, verschiedene Profile bzw. verschiedene Stahlsorten zu einem Hybridträger zu verbinden. Dank der flexiblen Schnittführung ist es möglich, innerhalb der technischen Grenzen aus demselben Ausgangsprofil sehr viele verschiedene Lochstegträger herzustellen und so Querschnitt bzw. Endhöhe des Trägers festzulegen. So kann die Konstruktion auf Bauhöhe, Gewicht oder z.B. eine Mindest-Lochgröße optimiert werden.
Ein IPE600-Profil kann man z.B. auf Endhöhen von ca. 640 mm bis 980 mm bringen. Der Lochdurchmesser bewegt sich dabei zwischen 160 und 780 mm. In der Regel ergibt sich für Einfeldträger das Optimum, wenn die Lochgröße etwa 5% größer als die Höhe des Ausgangsprofils ist.
1. Einsatz von ACB-Trägern im Kraftwerksbau
Die Möglichkeit, die Anordnung der Aussparungen auf die Wünsche des jeweiligen Kunden anzupassen, gestattet eine optimale Lösung der jeweiligen Problemsituation. So lassen sich in Zusammenarbeit mit dem Kunden die Bereiche Durchführungsmöglichkeit für Installationsleitungen, Tragfähigkeit und damit verbunden die Gewichtseinsparung durch die filigranen Träger, sehr gut in Einklang bringen. Durch die höhere Tragfähigkeit werden die Konstruktionen leichter und es können größere Spannweiten erzielt werden. Mit ACB-Trägern sind Trägerhöhen bis über 1800 mm aus Walzprofilen erreichbar.
2. Installationsfreundlichkeit
Bei diesem Thema lässt sich vor allem hervorheben, dass beim Einsatz der ACB – Träger kein zusätzlicher Aufwand zum Erstellen von Durchführungen für Installationsleitungen entsteht. Wichtige Kenngröße zur Ermittlung des jeweils richtigen ACB – Trägers ist der maximale Leitungsdurchmesser, der den Träger durchdringen soll. Der Öffnungsdurchmesser sollte mindestens 3 – 5 cm größer gewählt werden, um die Montage der Leitungen zu vereinfachen und um den etwaigen Korrosions- oder Brandschutz des Trägers nicht zu beschädigen.
Ein anderer Aspekt ist die Nutzung von Gebäuden und Anlagen über einen längeren Zeitraum. Während beim Neubau die Lage und Menge der Leitungen oft klar ist, so können sich doch im Laufe der Jahre häufig Änderungen ergeben. Wenn nun Leitungen anders verlegt werden müssen oder neue Leitungen hinzukommen, bieten die ACB – Träger durch die gleichmäßige Verteilung der Öffnungen den Vorteil, dass dies häufig problemlos geschehen kann, ohne dass neue Stegöffnungen hergestellt werden müssen. Somit werden zusätzlichen Kosten in diesem Zusammenhang stark reduziert.
3. Größere Spannweiten möglich
Gerade im Kraftwerksbau wird eine große Menge an Begehflächen benötigt. Bei Braunkohlekraftwerken ergeben sich Flächen von bis zu 40.000 m², die als Begehflächen zum großen Teil keine hohen Lasten aufzunehmen haben. Hier kann der Einsatz der ACB – Träger große Vorteile bringen. Durch das Auseinandertrennen und wieder neu Zusammenschweißen des Walzprofils ergibt sich eine größere Bauhöhe und somit eine größere Tragfähigkeit bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung. Dadurch können größere Spannweiten erreicht oder im Gegenzug Gewichtseinsparungen erzielt werden. Bei der großen Tonnage an Walzprofilen, die im Kraftwerksbau benötigt wird, kann durch den Einsatz von ACB – Trägern ein wirtschaftlicher Vorteil erlangt werden. Dieser ist unter anderem auch in der steigenden Tendenz der Material- und Transportkosten zu sehen.
4. Einsatz als Bühnenträger
Wie bereits zuvor beschrieben werden im Kraftwerksbau große Begeh- und Bühnenflächen benötigt.
In Anhang A2 wird dargestellt, welche Vorteile der Einsatz von ACB – Trägern als Bühnenträger bieten kann. Der verwendete ACB Träger erreicht eine Gewichtseinsparung von 60% bezogen auf den Vollwandträger und eine Kosteneinsparung von ca. 10%.
5. Einsatz als Kesselbandagen
Weitere Einsatzmöglichkeiten für Lochstegträger sind im Bereich der Kesselbandagen zu sehen. Hierbei handelt es sich um biegebeanspruchte Bauteile mit einer kontinuierlichen Lasteinleitung, die zur Aussteifung des Kessels dienen. Je nach Kesselgröße werden hier häufig Walzprofile mit Bauhöhen von etwa 600 mm bis 1100 mmeingesetzt. Darüber hinausgehende Profile werden meist als Schweißprofile hergestellt. An dieser Stelle sollte man über den Einsatz von großen ACB – Trägern nachdenken, denn für Kesselbandagen ist die Verformung bemessungsbestimmend – und da ist die große Biegesteifigkeit dieser Träger ein gewichtiger Vorteil. Arcelor Mittal bietet in seiner Produktpalette ACB-Träger mit runden, hexagonalen oder auch sinusförmigen Öffnungen an, die Bauhöhen von über 1800 mm erreichen.
Der Vorteil der Gewichtseinsparung, der schon im vorangegangenen Kapitel verdeutlicht wurde, kommt hier noch stärker zum Tragen. Da der komplette Kessel incl. Anbauteilen und Bandagen am Kesselgerüst aufgehängt ist, müssen alle Lasten nach oben in die Kesselträger geführt und dann über das Kesselgerüst nach unten geleitet werden. Somit bewirken die Gewichtseinsparungen bei den Kesselbandagen gleichzeitig eine geringere Beanspruchung des Kesselgerüstes.
Weiterhin sind die regelmäßigen Stegöffnungen für die Installationsführung und für das üblicherweise angewandte Montageverfahren (Litzenhub) sehr günstig. Die stark temperaturbeanspruchten Bandagen werden auch in Güte 16 Mo 3 geliefert.
6. Weitere Vorteile von ACB – TrägernACB – Träger können mit einer veränderlichen Bauhöhe hergestellt werden. Dies bietet sich besonders beim Einsatz als Kragarm oder Rahmenriegel an, da so eine Anpassung des Trägerwiderstands an die Beanspruchung erfolgen kann.
Ebenso können bei der Fertigung Überhöhungen erzeugt werden, um Verformungen aus ständigen Lasten auszugleichen.
Weitere Vorteile und Anwendungsgebiete können der Broschüre „ACB Lochstegträger“ entnommen werden, siehe Seite 33.
24
6. Gründungen für hohe Lasten
24
Seit Jahrzehnten werden mittlerweile Tragpfähle aus Stahl als kosteneffiziente Lösungen für Tiefgründungen verwendet, besonders dann, wenn große vertikale Lasten in den Baugrund abgetragen werden müssen. Dafür sind grundsätzlich alle Breitflanschträger geeignet. Für diesen Einsatzzweck optimiert sind HP-Stahlpfähle. Diese Spezialbreitflanschträger mit gleichen Flansch- und Stegstärken haben gegenüber den normalen Trägern eine ausgewogenere Verteilung der Trägheitsradien um die beiden Hauptachsen. Durch eine große Lieferpalette der Standardprofile und HP-Pfähle wird dem Berechnungsingenieur ermöglicht, eine optimale Lösung im Hinblick auf Tragfähigkeit und Rammbarkeit zu finden. Zusätzlich können hochfeste Stahlgüten, z. B. HISTAR, eingesetzt werden, um so die benötigte Stahlmenge bei gleicher Tragfähigkeit deutlich zu reduzieren und die Kosten zu optimieren.
Die spezifische Form des Trägers und die Eigenschaft des Werkstoffes Stahl
erlauben den Einsatz der HP-Pfähle bei verschiedensten Bodenbedingungen. Da es sich um ein vorgefertigtes Produkt handelt, kann die Qualität bereits im Vorfeld geprüft werden. Außerdem können die Pfähle direkt nach der Einbringung voll belastet werden.
Weltweit gibt es verschiedene Methoden, um die Tragfähigkeit der Pfähle vorherzubestimmen. Für Großprojekte können vor Ort statische Tests oder PDA-Tests (Pile Driving Analyzer) durchgeführt werden, um so die erreichbare Tragfähigkeit der Pfähle noch genauer zu bestimmen und den Sicherheitsfaktor günstiger als bei der herkömmlichen empirischen Berechnungsmethode anzusetzen.
Stahlpfähle erreichen ihre Tragfähigkeit durch die Mantelreibung. In geeigneten Böden kann zusätzlich der Spitzendruck zur Tragfähigkeit mit angesetzt werden. Des Weiteren gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Mantelreibung und den Spitzendruck
noch weiter zu erhöhen - erwähnt seien z. B. die VM-Pfähle (Verpressmantelpfähle) mit speziell ausgebildeten Pfahlspitzen.
Walzprofile können nach vorheriger Abstimmung mit dem Werk normalerweise in Längen bis 40m geliefert werden. Bei Bedarf können durch spezielle Verbindungsmittel oder durch Zusammenschweißen noch größere Längen erreicht werden. Dies zeigt sich gerade dann als Vorteil, wenn während der Installation festgestellt wird, dass die benötigte Einbringtiefe unterhalb der berechneten liegt. Da in der ersten Phase jedes Projektes die Beschaffenheit des Bodens durch die geotechnische Untersuchung nur abgeschätzt werden kann, erweist sich das als großer Vorteil, flexibel auf Schichtung oder Beschaffenheit des Bodens zu reagieren.
Der Pfahlkopfanschluss an dem anschließenden Stahl- oder Betonüberbau gestaltet sich mit einer Vielzahl an Verbindungsmöglichkeiten relativ einfach.
Die Installation erfolgt gewöhnlich mittels Hämmer, die inzwischen stark und flexibel genug sind, um die Pfähle auch in sehr kompakte Böden ohne große Beeinträchtigung des Umfeldes einzubringen. Auftretende Vibrationen und Lärmemissionen können über verschiedene Regelsysteme kontrolliert werden.
Die Pfähle können in nahezu allen Bodenarten eingesetzt werden. Dabei sind sie auch dann noch zuverlässig und wirtschaftlich, wenn weiche Bodenschichten über dem tragfähigen dicht gelagerten Boden liegen, da die weiche Schicht weder einen negativen Einfluss auf die Installation, noch auf die Tragfähigkeit der Pfähle hat. Mitunter kann es von Vorteil sein, dass bei Verdrängungspfählen kein (unter Umständen kontaminiertes) Bodenmaterial gefördert wird, das zusätzlich entsorgt werden muss.
Bild 27: Einsatz von HEB 800 in Längen von 33,80 bis 38,80m als Rammpfähle bei der Wasserfassung des Kraftwerkes Wilhelmshaven. Diese fungieren während der Bauphase als Zugpfähle gegen Auftrieb, im Endzustand tragen sie Druckkräfte ab.
25
Untersuchungen an Stahlpfählen, welche nach einer Standzeit von 50 bis 80 Jahren wieder gezogen wurden, zeigen, dass der Gesamtverlust an Stahlstärke infolge Korrosion so gering ist, dass mit einer Beeinträchtigung der tragenden Funktion der Pfähle nicht gerechnet werden muss. Weitere Anhaltspunkte dazu findet man im EC3 Teil 5.
Zuletzt sei noch erwähnt, dass durch die Eigenschaften des Werkstoffes Stahl die Pfähle sowohl auf Druck, wie auf Zug verwendet werden können. Gerade diese Fähigkeit macht sie beispielsweise für Konstruktionen interessant, bei denen, in Abhängigkeit vom Grundwasserspiegel, die Pfähle sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht werden können. Als Zugpfähle verwendet sind diese im Vergleich zu Injektions- oder Verpressankern oftmals eine optimierte, wirtschaftlichere Lösung. Letztendlich sind auch große Spannungen, wie sie während der Rammung vorkommen können, besonders in kompakten Böden keine Gefahr für die Standsicherheit der Pfähle.
Auch Biegebeanspruchungen, die z.b. durch Seitendruck weicher Bodenschichten oder durch Horizontallasten über die Fundamentplatte hervorgerufen werden, können durch die Biegetragfähigkeit der Stahlprofile abgetragen werden. Das Gleiche gilt auch für Horizontalbewegungen, welche durch Erdbeben ausgelöst werden.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Stahltragpfähle in einem breiten Spektrum von Gründungsanwendungen verwendbar sind und sich perfekt für hohe vertikale Tragfähigkeit bei den meisten Bodenbedingungen eignen.
Bild 28: Rammpfähle mit Flügelverstärkung am Fuß zur Mobilisierung eines erhöhten Spitzenwiderstands zur Abtragung hoher Stützlasten
26
Bild 29: Definition der Nachhaltigkeit
Ökologie- Ökobilanz/EPD* - Wirkungen auf die globale Umwelt - Wirkungen auf die lokale Umwelt - Ressourcenschonung - Abfallaufkommen
Soziokulturelle Aspekte- Gesundheit - Behaglichkeit - Nutzerfreundlichkeit - Funktionalität - Gestaltung - Standort
NachhaltigesBauen
Technische Aspekte- technische Ausführung - Profil- und Gütenoptimierung
Prozessorientierte Aspekte- Planung - Bauausführung - Bewirtschaftung - Umnutzung- Rückbaupotential
*EPD = Umwelt Produkt Deklaration nach EU-Direktive, siehe S. 27
Ökonomie- Lebenszykluskosten - Wertentwicklung - Standort
2727
7. Nachhaltiges Bauen mit warmgewalztem Profilstahl
Die langfristige Sicherung der natürlichen Lebensgrundlagen in unseren industrialisierten Gesellschaften betrifft auch zu einem großen Teil unsere gestaltete und bebaute Umwelt und erfordert somit in den Bauprozessen einerseits veränderte wirtschaftliche Rahmenbedingungen wie die Einbeziehung von Lebenszyklusbetrachtungen eines Bauwerks, andererseits interdisziplinäre technologische Umbrüche in den Bauweisen, um der gleichrangigen Betrachtung von ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Nachhaltigkeitszielen sowie ihrer Vernetzung gerecht zu werden.
Diese drei Nachhaltigkeitsziele:
. in der Ökologie
. in der Ökonomie
. im soziokulturellen Bereich
weisen eine ganzheitliche Interdependenz wie auch Ambivalenz auf und müssen in sich geschlossene Antworten auf komplexe Fragestellungen ergeben, um den zukünftigen Generationen eine lebenswerte bebaute Umwelt zu hinterlassen.
Das nachhaltige Bauen auf Basis von warmgewalztem Profilstahl steht voll im Einklang mit den verschiedenen Aspekten der drei Nachhaltigkeitsziele.
. Ökologische Aspekte der Nachhaltigkeit
Aus ökologischer Sicht geht es primär um die Reduzierung von Bauschuttmassen beim Rückbau nach Ende der Nutzung, die Anwendung umweltverträglicher und gesundheitlich unbedenklicher Baustoffe, sowie den weitestgehenden Erhalt von bereits in Konstruktionen verbauten, stoffgebundenen Energieinhalten, was in ganzheitlicher Betrachtung zu einer idealen Baustoffeffizienz führt. Der für warmgewalzten Profilstahl verwendete Baustoff Stahl weist hier eine hervorragende Stoffeffizienz auf und
ist der weltweit am meisten recycelte Baustoff. Einerseits wird über die moderne Elektrostahlerzeugung zu 100% Schrott als Rohstoff verwertet [Upcycling oder Aufwertung], andererseits können bereits verbaute Bauteile in späterer sekundärer Weiterverwendung durch Ergänzung oder Umbau wieder verwendet werden. Darüber hinaus ermöglicht die Elektrostahltechnologie eine deutliche Reduzierung der Lärm-, Partikel-, und CO2
-Emissionen, sowie des Wasser- und Energieverbrauches.
. Ökonomische Aspekte der Nachhaltigkeit
In diesem Sinne stehen für die Investoren zunächst die Verminderung der Investitionskosten, die Optimierung der Betriebskosten sowie die Berücksichtigung einer möglichst langen Lebensdauer bei gleichzeitig möglichst hoher Umnutzungsflexibilität im Vordergrund. Der für warmgewalzten Profilstahl verwendete Baustoff Stahl eröffnet den Architekten, Projekt- und Tragwerksplanern hier ungeahnte Möglichkeiten, um diesen Anforderungen der Investoren gerecht zu werden, indem hohe Qualität, Funktionalität, Ästhetik sowie leichte und schnelle Bauweise eine ganzheitliche Symbiose bilden. Wieder gewonnener Stahl kann unendlich oft recycelt werden, und die Wiederverwendung der Stahlstruktur als Ganzes oder einzelner Stahlbauelemente weist erhebliche ökonomisch positive Folgepotenziale bei entsprechender Konzeption des Initialprojektes auf.
. Soziokulturelle Aspekte der Nachhaltigkeit
Dieser Aspekt erlaubt dem Architekten und Projektplaner, die eigenen ästhetischen Ansprüche an das Gebäude einerseits und die gesellschaftlichen Erwartungen des benachbarten Umfeldes andererseits zu verbinden. Auch hier bietet der für warmgewalzte Profile verwendete Baustoff Stahl dem Anwender in seiner elementierten
Bauweise eine hohe Transparenz und Schlankheit des Gebäudes bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit und Tragsicherheit. Die Nutzer und deren gesellschaftliches Umfeld bewegen sich in einer baubiologisch reinen Umgebung, denn verbauter Stahl gibt keine gefährlichen Stoffe an die Umwelt ab und stellt somit keine Gesundheitsgefahr dar.
Diese Broschüre soll dem interessierten Leser helfen, durch eine richtige Auswahl und eine gezielte Nutzung des Potenzials des Baustoffes Stahl beste Voraussetzungen für ein zeitgerechtes, ökonomisches, ökologisches und in sich geschlossenes nachhaltiges Bauen zu ermöglichen.
Herstellerspezifische Produktinformationen liefert eine Umwelt-Produktdeklaration (EPD – Environmental Product Declaration) nach ISO 14025. Zur Erstellung einer Gruppen-EPD für das Produkt “Warmgewalzte Profile und Grobbleche” hat ArcelorMittal sich mit weiteren stahlerzeugenden Firmen unter Federführung von >>bauforumstahl zusammengeschlossen und beim Institut Bauen und Umwelt (IBU) eine Umwelt-Produktdeklaration (EPD) in Auftrag gegeben. Die Umsetzung erfolgt durch einen akkreditierten Dritten. Die EPD ist auf••••••••••• ••• ••••• • ••• • ••••••••••••••••.arcelormittal.com als Download verfügbar.
28
Anhang A1
Aus dieser Tabelle geht hervor, dass für gewalzte Profile aus S460 in allen Fällen eine günstigere Knickspannungslinie gewählt werden darf. Somit können schlankere Profile gewählt und nachgewiesen werden.
Im Folgenden soll am Beispiel einer druckbelasteten Stütze der Vorteil von HISTAR 460 verdeutlicht werden.
Stütze unter Drucknormalkraftbeanspruchung
N
β = 1
Beanspruchung:
NEd = 6.600 kNSystemlänge = Kicklänge
L = 325 cmStabilitätsnachweis Biegeknicken nach EN 1993-1-1: 2005 (D)
1,0≤b, Rd
Ed
N
N
Nb,Rd
ist der Bemessungswert der Biegeknickbeanspruchbarkeit des druckbeanspruchten Bauteils
yb,Rd
fAN =
M1
Für eine Stütze aus S235 benötigt man ein Walzprofil HEM 340.Dabei sieht der Nachweis folgendermaßen aus.
0,43838676
316 . 23,5==
cr
y
N
fA=y
Daraus ergibt sich
636,02,015,02
=+–+=Φ [
[
( )α y y
Der darin enthaltene Imperfektionsbeiwert ergibt sich aus den Knicklinien. Für ein
Walzprofil HEM 340 aus S235 ist Knicklinie b zu wählen und man erhält für a den Wert
= 0,34Daraus ergibt sich der Abminderungsfaktor
11
22 –Φ+Φ= jedoch
y
0,91=
N 6.757kN0,1
23,53160,91==b,Rd
10,986.600
Nachweis erfüllt !=
. .
6.757
Für eine Stütze aus HISTAR 460 benötigt man ein Walzprofil HEA 400. Dabei sieht der Nachweis folgendermaßen aus.
0,66016797
46,0159===
cr
y
N
fA
Daraus ergibt sich
0,7482,015,02
=+–+=Φ
.
[ ]( )y
y
yα
Der darin enthaltene Imperfektionsbeiwert ergibt sich aus den Knicklinien. Für ein
Walzprofil HEA 400 aus HISTAR 460 ist Knicklinie a0
zu wählen und man erhält für
0,13=Daraus ergibt sich der Abminderungsfaktor
11
22 –Φ+Φ= jedoch
91,0=
Nb,Rd 6.655kN0,1
46,01590,91==
199,0655.6
600.6Nachweis erfüllt ! =
. .
den Wertα
α
y
In diesem Beispiel zeigt sich sehr deutlich welche Vorteile der HISTAR 460 bringt. Die Stütze aus S235 hat ein Gewicht von 248 kg/m, während die Stütze aus HISTAR 460 lediglich ein Gewicht von 125 kg/m hat. Das ergibt eine Gewichtseinsparung von nahezu 50%.
Bild 30: Tabelle aus EN 1993-1-1: 2005(D)
Querschnitt Begrenzungen
tf ≤ 40 mm y – yz – z
y – yz – z
y – yz – z
y – yz – z
ab
bc
bc
dd
a0a0
yyh
tf z
zb
aa
aa
cc
40 mm < tf ≤ 100
tf ≤ 100 mm
tf > 100 mm
KnicklinieAusweichenrechtwinklig
zur Achse
S 235S 275S 385S 420
S 460
h/b
> 1,
2h/
b ≤
1,2
Gew
alzt
e I-
Prof
ile
Vergleich Walzprofile S235 und HISTAR 460
29
Anhang A2
Vergleich Walzprofil gegenüber ACB - TrägerEinfeldträger unter GleichstreckenlastSpannweite: 16,00 m Annahme: ausreichend gehaltener Druckgurt
16 m
Walzprofil IPE 550
LF1 ständige Lasten
g = 1,06 kN/mgGitterrost = 0,38 kN/mgGesamt = 1,44 kN/m
LF 2 Bühnenunterhängelasten (2,00 kN/m², Einzugsbreite 1,25m)
q1 = 2,50 kN/m
LF 3 Bühnenflächenlast (2,50 kN/m², Einzugsbreite 1,25m)
q2 = 3,125 kN/m
Lastfallkombination
= 9,25 kN/mMmax = 296,0 kNm
Tragfähigkeitsnachweis:
Gebrauchstauglichkeitsnachweis:Maximale Durchbiegung in Feldmitte: l/250
ACB Profil aus IPE 400( 0 = 460 mm, S = 580 mm, H = 630 mm)
LF1 ständige Lasteng = 0,66 kN/mgGitterrost = 0,38 kN/mgGesamt = 1,04 kN/m
LF 2 Bühnenunterhängelasten (2,00 kN/m², Einzugsbreite 1,25m)
q1 = 2,50 kN/m
LF 3 Bühnenflächenlast (2,50 kN/m², Einzugsbreite 1,25m)q2 = 3,125 kN/m
Lastfallkombination
= 8,65 kN/mMmax
Tragfähigkeitsnachweis:
Gebrauchstauglichkeitsnachweis:Maximale Durchbiegung in Feldmitte: l/250
Das Ausgangsprofil IPE400 für den ACB-Träger hat nur ein Gewicht von 66 kg/m gegenüber 106 kg/m bei dem Vollwandträger IPE550. Durch den Einsatz des ACB-Trägers werden 38% des Gewichtes bzw. ca. 10% der Bauteilkosten eingespart. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile und weitere Einsparungen, da Leitungen durch die Träger hindurch geführt werden können.
30
Vergleich Hohlkastenprofil mit Kreuzprofilstütze
N
β = 1
Das gegebene System hat folgende Länge:KnicklängeLcr = 1000 cmDie Querschnitte sind so gewählt, dass ihre äußeren Abmessungen vergleichbar sind und sie in etwa das gleiche Gewicht je Meter aufweisen.
510
500
500
510
460
Hohlkastenquerschnitt:
Ausführung als geschweißter Hohlkasten aus Blechen mit einer Dicke von 25 mm aus S460.
2480 cmA =
4Y 172.806 cmI =
4z 171.122 cmI =
Das geringfügig kleinere Flächenträgheitsmoment ist maßgebend.
cm100010001,0Lcr == .
Knickspannungslinie c
35.467kN1000
17112221000
L
EIN
2
2
2cr
2
cr =π
=π
=
789,035.467
46480
N
fA
cr
y===λ
0,910,7890,2)0,789(0,34(10,50,210,5 22=+–+=λ+–λα+=Φ
.
. .
. .
[ [( ) ] ]
Daraus folgt der Abminderungsfaktor :
0,7310,7890,9110,911
112222 –+
= =
λ–Φ+Φ
=
Die aufnehmbare Druckkraft ergibt sich somit zu:
16.145kN1,0
464800,731
fA
M1
y==
γ= . . .Nb,Rd
.
Der erforderliche Hohlkastenquerschnitt hat ein Gewicht von 377 kg/m.
Anhang A3
31Bild 14: Beispiel – Kraftwerk in Diandong, Provinz Yunnan, (China)
Kreuzprofilquerschnitt:
Die Kreuzstütze ist aus zwei HEB 500 Profilen aus HISTAR 460 zusammengesetzt. Dadurch wird der Nachteil der ausgeprägten schwachen Achse aufgehoben.
y,Kreuz z,Kreuz y,HEM400 z,HEM400
Das gilt auch für alle anderen Achsen im beliebigen Winkel zur y und z-Achse. Allerdings ist bei Kreuzprofilen darauf zu achten die Drillknicklast Ncr,
ϑ ebenfalls zu ermitteln und mit der Biegeknicklast Ncr
zu vergleichen. Die kleinere der beiden Werte ist maßgebend.2cm478A =
4Kreuz cm820.119I =
Die Kreuzprofile können trotz der Schweißung in die gleichen Knickspannungslinien wie die verwendeten Walzprofile für Knicken um deren starke Achse eingeordnet werden.
Daraus ergibt sich in diesem Fall Knickspannungslinie a0.
Die kritische Last für das Biegeknicken ergibt sich zu:
24.834kN1000
119.82021000
L
EIN
2
2
2cr
2
cr =π
=π
=. ..
Die kritische Last für das Drillknicken ergibt sich zu:
23.187kN538281001000
107,0182210004,22
1GI
LEI
i
1N
2
26
2T2cr
2
2p
cr, =+π
=+π
= ω
Somit ist in diesem Beispiel das Drillknicken maßgebend.
0,97423.187
46478
N
fA
cr
y===λ
1,0240,9742,00,9740,1315,02,015,0 22=+–+=λ+–λα+=Φ
.
. .
[ ]] ]
[ [] ]
. [(
( () )
) ( ). . . . .
Daraus folgt der Abminderungsfaktor κ
0,7450,9741,0241,024
112222
=–+
=
–Φ+Φ
=κ
Die aufnehmbare Druckkraft ergibt sich somit zu:
16.378kN0,1
464780,745
fAN
M1
yRd ==
γκ= . . . .
λ
Der erforderliche Kreuzprofilquerschnitt hat bei wesentlich geringerem Fertigungsaufwand ein nahezu identisches Gewicht von 375 kg/m und kann nahezu gleiche Lasten aufnehmen. Der entscheidende Vorteil ist die Tatsache, dass Anschlüsse von Riegeln oder Aussteifungsverbänden an die Walzprofilquerschnitte weniger aufwendig sind als an ein Hohlprofil.
32
Technische Beratung & Anarbeitungder Träger
Technische Beratung
ArcelorMittal bietet Ihnen eine kostenfreie technische Beratung an, damit unsere Produkte und Lösungen optimal in Ihren Projekten eingesetzt werden können. Wir beantworten Ihre Fragen in Bezug auf die Verwendungen von unseren Walzprodukten. Die Beratung erfasst den Entwurf von Strukturen, Konstruktionsdetails, Korrosionsschutz, Brandschutz, Werkstoffeigenschaften, Schweissprozesse.
Unsere Spezialisten sind bereit Ihre Initiativen zu unterstützen, wo auch immer Sie auf der Welt tätig sind. Zur Vereinfachung Ihrer Lösungsentwürfe bieten wir Ihnen EDV-Programme sowie technische Dokumentation zum Herunterladen unter sections.arcelormittal.com an.
Kontakt: [email protected]
www.arcelormittal.com/sections
Anarbeitung
In Ergänzung zu den technischen Möglichkeiten und Kapazitäten unserer Partner sind wir mit einem leistungsfähigen und modernen Maschinenpark ausgestattet und können ein weites Spektrum an Leistungen anbieten
BohrenBrennschneidenT-Träger brennenAusklinkungenÜberhöhenBiegenRichtenKaltsägenSchweissen Kopfbolzendübel schweissenSandstrahlenBeschichten
Kontakt: [email protected]
onstru tion
ArcelorMittal verfügt über ein Team von Multi-Product Professionals die auf den Bausektor spezialisiert sind Eine Übersicht aller im Bausektor vorkommenden Elemente die unser Unternehmen Ihnen anbietet wie z.B. Stahlstrukturen, Dach und Wand etc. finden Sie unter :
www.constructalia.com
33
Als technische Dokumentationen stehen folgende Broschüren zur Verfügung:
Bild 31: Technische Dokumentationen von ArcelorMittal Commercial Sections
34
Autoren:Prof. Dr.-Ing. Jörg LangeDipl.-Ing. Tobias AbelArcelorMittal, Long Carbon Europe
Referenzen/Copyrights
Profilstahl im Kraftwerksbau – BildnachweiseBild 1: Kraftwerk Walsum K.-H. Isselmann, Donges
SteelTec
Bild 3: Übersicht Kohlekraftwerk in Neurath
RWE
Bild 4: Arbeitsbühnen Jörg Lange
Bild 5: Stahlbau eines Ersatzbrennstoff-Kraftwerkes
KeppelSeghers
Bild 6: SIEMENS Combined Cycle Power Plant – Stahlbaustruktur des Maschinenhauses
SIEMENS
Bild 30: Tabelle aus EN 1993-1-1: 2005(D) CEN
35
Ihre Partner
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Vers
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