Konzipierung von Stahltragwerken
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Faltwerk als weit gespannte Decke, Yokohama International Port Terminal, Yokohama (J) 2002, Foreign Office Architects flächenaktive Tragsysteme a Einfeldscheiben b einachsiges Faltwerk c einfach gekrümmte Schalen d hyperbolisches Paraboloid MyZeil, Frankfurt /M. (D) 2010, Massimiliano Fuksas, Schweißknoten, bestehend aus dicken Blechen, die mit Rechteckrohren verschweißt werden Expohalle, Hannover (D) 1997, Ackermann und Partner, Gussknoten mit angeschweißten Rundrohren Westfield, London (GB) 2008, Buchan Group International, Knoten mit verdeckter Schraubverbindung im Innern des Hohlprofils MyZeil, Frankfurt /M. (D), Isometrie des Schweißknotens Expohalle, Hannover (D), Isometrie des Gussknotens Westfield, London (GB), Isometrie des Schraubknotens
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Scheibentragwirkung. Wirkt die Kraft senkrecht zur Fläche spricht man von einer Platte mit Biegetragwirkung. Die Platte ist ein schnittaktives Tragsystem, das zum horizontalen Überspannen von Räumen genutzt wird (Abb. B 1.37). Scheiben Eine auf Zug belastete Scheibe kann Kräfte in einer oder zwei Achsrichtungen aufnehmen. Dabei entstehen ungleichmäßige Spannungsverteilungen innerhalb des Bauteils. Zugbeanspruchte Bleche finden sich in Kastenträgern oder als Stegbleche von Trägern. Häufiger eingesetzt wird jedoch die auch auf Druck belastete Scheibe, die mit Tragbalken verglichen werden kann. Allerdings liegen die Resultierende der Zugkräfte wie auch Nulllinie deutlich tiefer als beim Balken. Dabei nimmt der obere Teil der Scheibe in der Regel keine Druckkräfte auf, außerdem zeigt die Spannungsverteilung nicht mehr nur bogenförmige Linien, sondern auch einen beinahe vertikalen Kraftfluss zu den Auflagern. Wie bei linearen druckbeanspruchten Tragelementen gibt es auch bei druckbeanspruchten Scheiben Stabilitätsprobleme, da bei Überschreiten der kritischen Spannungen Beulversagen auftreten kann. Im Stahlbau wäre die Vergrößerung der Bauteildicke jedoch eine unwirtschaftliche Antwort auf dieses Problem. Stattdessen leisten netz- oder rippenförmig angeordnete aufgeschweißte Streifen den gewünschten statischen Effekt einer Erhöhung der Beulsteifigkeit. Ein interessanter Ansatz zur Erlangung zusätzlicher Stabilität, der gestalterische und tragwerksrelevante Aspekte vereint, ist das gezielte Falten von Blechen parallel zur Druckbeanspruchung. Diese in unterschiedlichsten Maßstäben verwendbare Technik vergrößert die statische Höhe eines Bauteils und kann den Widerspruch von Ornament und Funktion auflösen (Abb B 1.36). Well- oder Trapezbleche erfüllen die Stabilitätsanforderung auf vergleichbar profane Weise, jedoch nur in eine Richtung.
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Rahmentragwerke Platten und Scheiben sind typische Bauteile aus dem Massivbau und erfahren im Stahlbau d
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stets eine Auflösung in lokal differenzierte Bauteile, die den Materialverbrauch reduzieren und der Leistungsfähigkeit des Baustoffs Rechnung tragen. Der zweidimensionale Rahmen als Einheit von lastabtragenden Stützen und horizontal spannendem Träger erfüllt eine Vielzahl von Tragwerksfunktionen, die sich in Scheiben, Stützen und Trägern wiederfinden. Im Stahlbau werden Rahmen häufig für eingeschossige Hallen, aber auch für mehrgeschossige Konstruktionen verwendet. Der Tragwerksentwurf muss dabei den Rahmen und sein Verhalten als Gesamtsystem genauso behandeln wie das seiner einzelnen Elemente. Rahmen können mit einem, zwei oder drei Gelenken ausgeführt werden. Je mehr Gelenke ein Rahmen besitzt, umso größer ist die Möglichkeit der Verformung unter dem Einfluss der äußeren Kräfte. Gelenke können am Anschluss zwischen Stütze und Träger und /oder an den Fußpunkten der Stützen angeordnet werden. Jedes Gelenk verhindert die Weiterleitung von Momenten in das angeschlossene Bauteil. So befindet sich das maximale Moment des gelenkig angeschlossenen Trägers in der Mitte der überspannten Distanz. Gegebenenfalls für die horizontale Stabilität benötigte zugbeanspruchte Auskreuzungen innerhalb der Rahmenebene führen dann zu einem System, das jenem der Scheibe ähnelt. Diese Auskreuzungen behindern mitunter die Nutzung des eingeschlossenen Raums, der nun in Achsrichtung der Rahmen unterteilt ist. Die biegesteife Verbindung zwischen Stütze und Träger ermöglicht die Aufnahme horizontaler Lasten durch das Rahmensystem sowie eine Reduzierung der Trägerhöhe. Ein solcher Portalrahmen dient nicht nur dem vertikalen Lastabtrag, sondern auch der Aussteifung eines Gesamtsystems. Die dabei auftretenden Biegebeanspruchungen führen allerdings zu großen Stützenquerschnitten. Biegesteife Rahmen sind weniger tolerant gegenüber konstruktiven Ungenauigkeiten und thermischen Verformungen als gelenkige Systeme. Faltwerke Faltwerke kombinieren die Tragwirkung von Platte und Scheibe. Eine einfach gefaltete Platte stellt bereits eine Mischform von verschiedenen