Konstruktionen aus Stahl

4 Bilder von Bauphasen während der Konstruktion vom Eiffelturm in ParisDer Eiffelturm in Paris und die Golden Gate Bridge in San Franzisko sind nur zwei der älteren Beispiele für Konstruktionen, die man aus Stahl errichten kann. Das Atomium in Brüssel, der Killesbergturm in Stuttgart, die Humboldthafenbrücke in Berlin oder das Viadukt von Millau sind gelungene Beispiele für Bauwerke des modernen Stahlbaus. Stahlträger, Seile oder Bleche können durch Verschrauben, Verschweißen oder durch Nieten fast beliebig miteinander zu Tragwerken verbunden werden, um neue Konstruktionen zu erschaffen.

Stahl ist eine metallische Legierungen, die hauptsächlich aus Eisen und Zusätzen wie Mangan, Silizium oder Chrom besteht. Grundlegend wird jedoch Eisen mit weniger als 2 % Kohlenstoffanteil als Stahl bezeichnet. Stahl kann durch diesen geringen Anteil an Kohlenstoff im Gegenteil zu Gusseisen geschmiedet und gehärtet werden. Schon vor mehr als 3000 Jahren wurde Stahl der einfachsten Art von den Menschen zum Bau von Waffen und Gebrauchsgegenständen erzeugt. Der Stahl der heutigen Zeit hat damit allerdings nicht mehr viel zu tun. Dieser kann gezielt in Abhängigkeit technischer Parameter wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verformungsverhalten oder Schweißbarkeit geschaffen werden.

Mehr als 2400 verschiedene Stahlsorten gibt es heute. Man kann sich vorstellen, welche Möglichkeiten sich dem modernen Stahlbau dadurch bieten. Die Eigenschaften reichen von hart, steif, zäh und fest über flexibel und dehnbar bis hin zu federnd. Baustahl erkennt man dabei leicht durch das Zeichen S (kurz für ’structural steel‘) im Namen. Ein Stahl der Güte S235 ist also ein Baustahl mit einer Streckgrenze von 235 N/mm². Insgesamt ist das System der Namensgebung jedoch mehr als verwirrend und wenig einheitlich, da es zum einen auf nationalen Regeln beruht und zum anderen in der letzten Zeit häufiger mal verändert wurde.

Doch zurück zu den Konstruktion im Stahlbau. Hier sind unter anderem folgende zu nennen:

  • Fachwerkträger
  • Vollwandträger
  • Verbundträger
  • Unterspannte Träger und Seile
  • Mehrteilige Druckstäbe
  • Rahmen
  • Trapezprofile und Sandwichelemente

Die Elemente eines Fachwerkträger wie Obergurt, Untergurt oder Füllstäbe übertragen im Gegensatz zu Vollwandträgern oder Verbundträgern fast ausschließlich Zug- und Druckkräfte. Eingesetzt werden sie häufig dort, wo hohe Biegebelastungen aufgenommen werden müssen, wie zum Beispiel als Träger von Brücken oder Dächern.

Auch Vollwandträger werden hauptsächlich auf Biegung belastet, wobei sie aber auch als Druckstäbe eingesetzt werden können. Durch moderne Schweißtechniken lassen sich Vollwandträger heute rationeller herstellen als Fachwerkträger. Dies liegt nicht zuletzt an den Knotenpunkten von Fachwerkträgern, deren Ausbildung sehr kostenintensiv ist, solange keine automatisierte Herstellung möglich ist. Als Vollwandträger gelten auch geschweißte I-Träger mit Gurten und Steg.

Stahlträger mit darauf kraftschlüssig verbundenen Betonelementen, die ebenfalls hauptsächlich auf Biegung belastet werden, bezeichnet man als Verbundelemente. Mit einer solchen Konstruktion nutzt man die speziellen Trageigenschaften der beiden Materialien besser aus: Beton in der (oberen) Druckzone, Stahl in der (unteren) Zugzone. Zur Übertragung von Schubkräften zwischen den beiden Materialien werden im Allgemeinen Kopfbolzen eingesetzt. Im Zweifelsfall muss der Obergurt nur so breit sein, dass er Platz für die Verbindungsmittel bietet.

Unterspannte Träger liegen im Übergangsbereich zwischen Fachwerkträgern und Vollwandträgern, wenn es um die einzusetzende Materialmenge und der benötigten Fertigungsaufwand geht. Diese Art der Stahlkonstruktionen kommen mit einer geringeren Anzahl anzuschließender Stäbe aus, jedoch muss der Obergurt auch auf Biegebeanspruchung bemessen werden. Der Untergurt wird als biegeweiches Zugglied und stützendes Element – häufig aus Seilen oder Flachstahl ausgeführt – mit diesem Obergurt über biege- und drucksteife Pfosten verbunden.

Druckstäbe werden in der Regel für den statischen Einsatz interessant, je größer ihr Trägheitsradius wird. Die Querschnittfläche des Profil muss also ein möglichst großes Trägheitsmoment besitzen. Ein Weg dies zu erreichen führt über den Einsatz mehrteiliger Druckstäbe, bei denen das Material vom Schwerpunkt entfernt wird und die so entstehenden Einzelstäbe über Gitter oder Stege miteinander verbunden werden. Beispiele hierfür sind Gitterstäbe oder Rahmenstäbe. Allerdings müssen für die Einzelstäbe Querkraftverformungen berücksichtigt werden.

Auch Rahmen, die aus Einzelträgern zusammengesetzt sind, werden im Stahlbau als Tragwerke ausgebildet. Die Rahmenwirkung entsteht dann, wenn Stäbe des Stahlskeletts biegesteif aneinander angeschlossen werden. Die Form der Rahmenstäbe kann gerade, geknickt oder gekrümmt sein. Auch Stützen werden hier in das Tragsystem mit einbezogen. Bekanntere Rahmenformen sind der Zwei- und der Dreigelenkrahmen, der eingespannte Rahmen (auch mit Pendelstütze), der zweifeldrige und der dreifeldrige Rahmen oder der Stockwerksrahmen. Rahmenecken als Anschlussstellen der einzelnen Tragwerkselemente können verschweißt oder verschraubt werden.

Einen speziellen Status nehmen Trapezbleche und Sandwichelemente bei den Konstruktionen im Stahlbau ein. Der Querschnitt von Trapezblechen ist dabei trapezartig gekantet. Anwendung finden diese Profilbleche insbesondere in Industriebauten, wo das Augenmerk weniger auf Eigenschaften wie einer hohen Tragkraft sondern eher auf dem geringen Gewicht, einem raschen Baufortschritt oder den geringen Montagekosten liegt. Zudem können Trapezbleche aus als Grundlage für Verbundträger dienen. Sandwichelemente sind ebenfalls eine Art Verbundelement, wobei hier sehr häufig Wärmedämmstoffe als Verbundmaterial zwischen zwei Stahlblechen eingesetzt werden. Diese Stahlbleche sind häufig auch als Trapezbleche geformt.

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