Stahlbau-Kalender 2015 - Kuhlmann, Ulrike (Hrsg.)

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DIN EN 1993-1-1 Anwendung DIN EN 1993-1-8 Metallleichtbau – Dach und Wand Brandschutz im Stahl- und Verbundbau Erdbeben Anprall und Explosion Mannesmann-Stahlbau-Hohlprofile aus dem Hause Vallourec inspirieren seit Jahrzehnten führende Architekten weltweit zu gewagten, innovativen Werken. Es sind nicht nur die hohe Qualität oder die besonders glatten Oberflächen und die größte Auswahl an Abmessungen, auch unser technischer Support spricht für das Original.

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ISBN 978-3-433-03052-3

9 783433 030523

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Robustheit nach DIN EN 1991-1-7 Baudynamik Nachhaltigkeit

Vorwort

III

Vorwort Leicht bauen heißt entweder Gewichtsreduzierung durch Einsatz besonders leichter Materialien wie Membranstoffe, Faserverbundwerkstoffe oder Holz, oder hochtragfähiger Werkstoffe wie Stahl, mit denen „leichte Strukturen“ gebaut werden können. In seinem Schwerpunkt „Leichtbau“ fasst der Stahlbau-Kalender 2015 das Thema sehr weit auf und behandelt sowohl leichte Werkstoffe als auch leichte Strukturen unterschiedlichster Herkunft und Anwendung. Daneben stehen, nicht weniger wichtig, die Themen der neuen europäischen Normung, die nicht nur die Bemessung, sondern auch die Konstruktion und die Ausführung betreffen.

Erneut wird die Grundnorm DIN EN 1993-1-8: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten, Bemessung von Anschlüssen mit Nationalem Anhang sowie ergänzenden, an den jeweiligen Stellen eingearbeiteten Kommentaren und Erläuterungen von Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann und Dipl.-Ing. Stephan Schneider, Technische Universität Dortmund, abgedruckt. Diese regelmäßige Aktualisierung gerade auch der Kommentare ermöglicht so, auf aktuell entstandene Fragen oder Klärungsbedarf einzugehen.

In bewährter Form haben Dr.-Ing. Karsten Kathage und Dipl.-Ing. Christoph Ortmann, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), Berlin, wieder die derzeit gültigen Technischen Baubestimmungen, Normen, Bauregellisten und Zulassungen im Stahlbau zusammengestellt.

Der Beitrag gibt neben Auszügen aus der Muster-Liste der Technischen Baubestimmungen, Ausgabe März 2014, den Normen und Richtlinien für den Stahlbau auch die für den Stahl- und Verbundbau wichtigen gültigen deutschen und europäischen Zulassungen (Stand Dezember 2014) sowie Auszüge aus den neuen Bauregellisten (Ausgabe 2014/2) wieder.

Im Zusammenhang mit dem Thema „Leicht Bauen“ steht der Beitrag von Dipl.-Ing. Ralph Timmers und Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener, Universität Innsbruck, Österreich, zusammen mit Dr. Franc Sinur, Universität Ljubljana, Slowenien, Dr. Balázs Kövesdi, Technische und Wirtschaftswissenschaftliche Universität Budapest, Ungarn, und Dr. Rolando Chacón, Polytechnische Universität von Katalonien in Barcelona, Spanien, über Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele, denn leichte, d. h. schlanke hochtragfähige Stahlbleche neigen zum Beulen und Stabilitätsversagen. Nach einer kompakten Zusammenstellung und Erläuterung der wesentlichen Regeln von EN 19931-5 werden Beispielrechnungen durchgeführt, die die verschiedenen in der Norm aufgeführten Nachweisverfahren im Vergleich gegenüberstellen. Besonders interessant sind die Erläuterungen zum Vorgehen beim Nachweis der Stabilitätsfälle des Beulens unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode, die sich bei komplexen Geometrieformen bzw. Belastungssituationen anbietet.

Prof. em. Dr.-Ing. Herbert Schmidt, Essen, Dipl.-Ing. Volker Hüller und Dipl.-Ing. Gregor Machura, bauforumstahl/DSTV, fassen in ihrem Beitrag Fertigung

und Errichtung von Stahltragwerken – praktische Umsetzung der neuen Regelungen nach DIN EN 1090 die relevanten Normregelungen der DIN EN 1090 für die Ausführung von Stahlbauten kompakt und systematisch zusammen. Darüber hinaus wird für ausgewählte Einzelthemen die praktische Umsetzung der neuen Regelungen beleuchtet. Aus ihrer umfassenden Praxiserfahrung heraus können die Autoren anhand von Beispielen die Probleme bzw. Irritationen und Unsicherheiten aufzeigen und mögliche Lösungsansätze darstellen.

Der Beitrag Stahlwasserbau – neue Entwicklungen von Dipl.-Ing. Ulrike Gabrys, Dr. rer. nat. Günter Binder, Dipl.-Ing. Claus Kunz und Heiner Stahl, Bundesanstalt für Wasserwesen (BAW), Karlsruhe, stellt die Entwicklung der Normung von Stahlwasserbauten als Sonderkonstruktionen des Stahlbaus dar. Es geht dabei im Wesentlichen um Verschlüsse von Schleusen und Wehren, aber auch um Sicherheitstore, Kanalbrücken, Hebewerke, Stoßschutzeinrichtungen und Revisionsverschlüsse. Die fachspezifische Norm DIN 19704 Stahlwasserbauten ist in den vergangenen Jahren überarbeitet und an die Eurocodes angepasst worden. So kann die neue Ausgabe 2014-11 in gewisser Weise als wasserbauspezifischer nationaler Anhang zur europäischen Stahlbaunorm DIN EN 1993 verstanden werden. Wegen verstärkter Schadensfälle Ende der 80er-Jahre des vorigen Jahrhunderts spielt der Nachweis der Ermüdungsfestigkeit für den Stahlwasserbau eine zunehmend wichtigere Rolle, auf die im Beitrag eingegangen wird.

Leichtbau im Sinne von leichten Strukturen behandelt der Beitrag von Prof. Dr.-Ing. Robert Hertle und Dr.Ing. Johannes Linhard, Hertle Ingenieure, Gräfelfing, Gerüstbau – Vereinheitlichte Europäische Regeln und deren Anwendung. Als temporär eingesetzte Bauten müssen die Traggerüste bzw. Arbeits- und Schutzgerüste leicht für den einfachen Auf- und Abbau sein, sie sind deshalb häufig hochgradig stabilitätsgefährdet.

Der vorliegende Beitrag erläutert die Grundlagen der europaweiten Harmonisierung des technischen Regelwerks für temporäre Bauhilfsmittel. Es werden die wesentlichen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Normen herausgearbeitet und deren Anwendung in Beispielen vorgestellt.

Leichtbau im Sinne von leichten Werkstoffen wird von Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen an der Universität Stuttgart mit seinem Mitarbeiter Dipl.-Ing. Frédéric Waimer und Dr.-Ing. Matthias Oppe, Knippers Helbig GmbH, in dem Beitrag Faserverbundwerkstoffe im Bauwesen beschrieben. Neben dem geringen Eigengewicht verbunden mit einer hohen mechanischen Festigkeit führen Eigenschaften wie die vielfältigen Formund Farbgebungsmöglichkeiten zu neuen konstruktiven und architektonischen Ansätzen zum Beispiel für Fassaden- und Hüllkonstruktionen. Bevor Hinweise zur Berechnung und Nachweisführung gegeben werden, erläutert der vorliegende Beitrag die eingesetzten Mate-

IV

Vorwort

rialien und die Herstellung und Verarbeitung der Verbundwerkstoffe daraus. Da für die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundbauteilen oft keine Rechenwerte bzw. nur unzureichende Abschätzungen für die Tragfähigkeit vorliegen, sind experimentelle Untersuchungen von besonderer Bedeutung. Trotz dieser Schwierigkeiten finden sich zunehmend, hier ebenfalls dargestellte, interessante Anwendungsgebiete.

Membrantragwerke sind Bauwerke, mit denen sich die Vorstellung von Leichtbau unmittelbar verbindet. Allerdings gibt es auch heute nur recht wenige Regelwerke.

Die Erkenntnisse und Forschungsergebnisse sind im Wesentlichen bei den Spezialisten, den Membranplanern und den membranverarbeitenden Betrieben, zu finden. Es wird deshalb als besondere Gelegenheit erachtet, von solchen Fachleuten wie Dipl.-Ing. Bernd Stimpfle, formTL, Radolfzell, und seinem Mitarbeiter Dipl.-Ing. (FH) Michael Schäffer, beide als Tragwerksplaner und auch in der einschlägigen Normung aktiv, hier eine Einführung zu bekommen. Neben den Materialien und Details werden die Berechnung, die eng mit der Formfindung verknüpft ist, sowie die Fertigung und Montage beschrieben. Mehr als 20 ausgeführte Beispiele illustrieren die Vielfalt und die Möglichkeiten dieser zukunftsweisenden Konstruktionsform.

Der Beitrag Strukturentwicklung im Leichtbau – Integrierte CAE-Prozesse von Dr.-Ing. Benjamin Braun, Space Structures GmbH, Berlin, behandelt das Thema der Strukturoptimierung als Entwicklungswerkzeug im Leichtbau und ordnet dessen Rolle in den Entwurfsprozess ein. Der inhaltliche Fokus liegt dabei auf der Integration des Optimierungsprozesses in die Prozesse der simulationsgestützten Entwicklung technischer Systeme (Computer Aided Engineering CAE). Während für dynamische Systeme der Verkehrstechnik (Straßen-, Schienen- und Luftfahrzeuge), im Maschinenbau (Aufzüge, Roboterarme) und in der Medizintechnik (Prothesen) der Leichtbau und seine Optimierung seit Jahrzehnten einen hohen Stellenwert besitzen, wird im Baubereich hier eher Neuland beschritten. Beispiele wie weitgespannte Überdachungen, Fassaden oder temporäre Bauten zeigen das Potenzial.

Glas wird schon lange nicht mehr nur als Werkstoff für „das Fenster“ mit einer untergeordneten statischen Funktion verwendet, sondern Glas übernimmt inzwischen gezielt lastabtragende Funktionen innerhalb der Tragstruktur und ist als Teil von Fassaden und Leichtbaustrukturen nicht wegzudenken. Da Glas ein spröder Werkstoff ist, der ohne Vorankündigung versagen kann, ergeben sich auch entsprechend hohe Anforderungen bei der statischen Dimensionierung von Glasbauteilen. Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann und Dr.-Ing. Ruth Kasper, RWTH Aachen, behandeln in Glasbau im europäischen Kontext die europäische Entwicklung zu einem Eurocode „Structural Glass“ und stellen sie den deutschen Regelungen nach DIN 18808 gegenüber. In Vorbereitung auf die europäische Normungsarbeit wurde federführend von den Autoren ein sehr umfangreicher Bericht „Guidance for European

Structural Design of Glass Components“ zusammengestellt, der zum Teil diesem Beitrag zugrunde liegt.

Eigentlich ist Holz nichts anderes als ein natürlicher Faserverbundwerkstoff und damit auch ein typisches Leichtbau-Material. Dr.-Ing. habil. Jörg Schänzlin, Konstruktionsgruppe Bauen Kempten AG, stellt in Holzbauteile nach Eurocode 5 und ihre Anschlüsse an Stahl nach einer Einführung in das Material die Bemessung von Bauteilen aus Holz und ihrer Verbindungen nach der neuen europäischen Normung vor. Eine wesentliche Entwurfsaufgabe im Rahmen des Planungsprozesses ist die Entwicklung und Auslegung von Anschlüssen, vor allem bei Mischkonstruktionen aus Holz und Stahl. Hierfür werden im Beitrag einige typische Konstruktionslösungen aufgezeigt.

Regale in Stahlbauweise bilden die Tragstruktur für einzulagernde Güter in der Lagertechnik. Es kommen vor allem kaltgeformte dünnwandige offene Stahlquerschnitte für Stützen und Träger zum Einsatz, die mithilfe einfacher, leicht lösbarer Anschlusskonstruktionen miteinander verbunden sind. Wegen der großen Zahl gleichartiger Bauteile und Verbindungen lohnt sich eine Optimierung dieser Leichtbauteile. Der Beitrag von Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Bettina Brune und Prof. Dr.Ing. Dieter Ungermann, Technische Universität Dortmund, gemeinsam mit Dipl.-Ing. Olaf Heptner, Wirtschaftsvereinigung Industrie- und Bau-Systeme e. V., Hagen, und Dipl.-Ing. Peter Stangenberg, Institut für Schweißtechnik und Ingenieurbüro ISIB Dr. Möll GmbH, Darmstadt, behandelt sowohl die statisch-konstruktive Ausführung von Paletten-Regalsystemen als auch die Bemessung von Regalprofilen einschließlich der versuchsgestützten Bemessung nach DIN EN 15512. Zusätzlich wird die nicht immer ganz eindeutige bauaufsichtliche Situation dargestellt.

Der Leichtbau ist eine Chance für den Stahlbau, da in vielen Bereichen Stahl für wirtschaftliche und hochtragfähige Bauteile nicht ersetzbar ist. Vorteilhaft sind vor allem auch Mischkonstruktionen mit anderen „leichten“ Baustoffen, wie Holz, Membrane oder Glas. Dieser Stahlbau-Kalender 2015 mit seinen Schwerpunkten Leichtbau und neue Normung rund um den Eurocode 3 gibt hierzu Informationen und Hilfestellungen.

Ich möchte mich – auch im Namen des Verlags Ernst & Sohn – bei allen Autoren und Mitarbeitern für ihre Leistung bedanken. Ihren persönlichen Einsatz dabei weiß ich besonders zu schätzen, weil er neben einer Vielzahl von anderen Verpflichtungen und Aufgaben unter enormem Zeitdruck erbracht wurde und trotzdem zu Beiträgen auf fachlich hohem Niveau geführt hat.

Hinweisen möchte ich auch auf den diesjährigen Stahlbau-Kalender-Tag am Freitag, den 12. Juni 2015, bei dem die Autoren aus ihren Beiträgen vortragen werden und zur Diskussion und für Fragen zur Verfügung stehen. Alle Interessenten möchte ich dazu wieder herzlich einladen.

Stuttgart, Februar 2015 Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann

Inhaltsübersicht

Inhaltsübersicht 1

Stahlbaunormen DIN EN 1993-1-8: Bemessung von Anschlüssen 1 Dieter Ungermann, Stephan Schneider

2

Technische Baubestimmungen, Normen, Bauregellisten und Zulassungen im Stahlbau 125 Karsten Kathage, Christoph Ortmann

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele 209 Ralph Timmers, Gerhard Lener, Franc Sinur, Balázs Kövesdi, Rolando Chacón

4

Fertigung und Errichtung von Stahltragwerken – praktische Umsetzung der neuen Regelungen nach DIN EN 1090 287 Herbert Schmidt, Volker Hüller, Gregor Machura

5

Stahlwasserbau – neue Entwicklungen 367 Ulrike Gabrys, Günter Binder, Claus Kunz, Heiner Stahl

6

Gerüstbau – Vereinheitlichte Europäische Regeln und deren Anwendung 409 Robert Hertle, Johannes Linhard

7

Faserverbundwerkstoffe im Bauwesen 463 Jan Knippers, Frédéric Waimer, Matthias Oppe

8

Membrantragwerke 517 Bernd Stimpfle, Michael Schäffer

9

Strukturentwicklung im Leichtbau – Integrierte CAE-Prozesse 567 Benjamin Braun

10

Glasbau im europäischen Kontext 607 Markus Feldmann, Ruth Kasper

11

Holzbauteile nach EC 5 und ihre Anschlüsse an Stahl 703 Jörg Schänzlin

12

Regale in Stahlbauweise 757 Bettina Brune, Olaf Heptner, Peter Stangenberg, Dieter Ungermann

Stichwortverzeichnis 825

V

3 Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele Dipl.-Ing. Ralph Timmers Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener Dr. Franc Sinur Dr. Balázs Kövesdi Dr.-Ing. Rolando Chacón

Stahlbau-Kalender 2015: Eurocode 3 – Grundnorm, Leichtbau.

Herausgegeben von Ulrike Kuhlmann © 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2015 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG.

210

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung 211

2 2.1

Übersicht zu den Nachweisverfahren 212 Nachweise nach der Methode der effektiven Querschnitte 213 Plattenbeulen bei Längsspannungen 213 Einzelblechfelder ohne Längssteifen 213 Längs ausgesteifte Blechfelder 217 Nachweis 220 Schubbeulen 221 Bemessungswert der Beanspruchbarkeit 221 Beitrag des Stegs 221 Beitrag der Flansche 224 Nachweis 224 Beanspruchbarkeit bei Querbelastung 224 Interaktion 227 Interaktion zwischen Schub, Biegemoment und Normalkraft 227 Interaktion zwischen Querbelastung an den Längsrändern, Biegemoment und Normalkraft 228 Nachweis nach der Methode der reduzierten Spannungen 228 Nachweis nach der FEM 230 Nachweise für Bauteile mit profilierten Stegblechen 234 Momententragfähigkeit 235 Schubtragfähigkeit 237 Widerstand gegen lokale Krafteinleitung 239

2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.4 2.1.3 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

Beispiel 1: I-Profil ohne Aussteifung 240 Beulsicherheitsnachweis nach der Methode der effektiven Querschnitte 241 Beulsicherheitsnachweis nach der Methode der reduzierten Spannungen 244 Nachweis für den Flansch 244 Nachweis für den Steg 245 Beulsicherheitsnachweis nach der FEM 247 Modell und Randbedingungen 247 Lineare Strukturanalyse und lineare Beulanalyse 248 Nichtlineare Analyse 248 Vergleich der Nachweiskonzepte 250 Beispiel 2: Längsausgesteiftes Bodenblech einer Hohlkastenbrücke 251 Beulsicherheitsnachweis nach der Methode der effektiven Querschnitte 252 Einzelfeldbeulen 252 Plattenartiges Verhalten 252 Knickstabähnliches Verhalten 253 Interaktion zwischen plattenartigem und knickstabähnlichem Verhalten 254

4.1.5 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 5 5.1 5.1.1 5.1.1.1 5.1.1.2 5.1.1.3 5.1.2 5.1.2.1 5.1.2.2 5.1.2.3 5.1.3 5.1.4 5.1.4.1 5.1.5 5.2 6 6.1 6.2 7

Nachweis 254 Beulsicherheitsnachweis nach der Methode der reduzierten Spannungen 254 Plattenartiges Verhalten 255 Knickstabähnliches Verhalten 255 Interaktion zwischen plattenartigem und knickstabähnlichem Verhalten 256 Nachweis 256 Beulsicherheitsnachweis nach der FEM 256 Modell und Randbedingungen 256 Lineare Strukturanalyse und lineare Beulanalyse 257 Nichtlineare Analyse 259 Vergleich der Nachweiskonzepte 262 Beispiel 3: Schubbeulen M-N-VInteraktion 263 Beulsicherheitsnachweis nach der Methode der effektiven Querschnitte 263 Effektive Querschnittsfläche 264 Flansch 264 Steg 264 Effektive Querschnittsfläche 268 Effektives Widerstandsmoment 268 Flansch 269 Steg 269 Effektives Widerstandsmoment 272 Nachweis (M-N-Interaktion) 273 Schubbeulen 273 Nachweis gegen Schubbeulen 274 Interaktion zwischen Schub, Biegemoment und Normalkraft (M-N-V-Interaktion) 274 Beulsicherheitsnachweis nach der Methode der reduzierten Spannungen 275 Beispiel 4: Einfeldträger mit Querbelastung 278 Unversteiftes Einzelfeld 279 Einzelfeld mit Längssteife 280

7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.3

Beispiel 5: Bauteil mit profiliertem Stegblech 282 Widerstand gegenüber Biegung und Schub 282 Momententragfähigkeit 282 Schubtragfähigkeit 283 Spannungsermittlung in den Flanschen 284 Widerstand gegenüber lokaler Lasteinleitung 285

8

Zusammenfassung 286

9

Literatur 286

Einleitung

1

Einleitung

Generell gilt unabhängig vom Material für alle hinreichend schlanken Bauteile unter Druckspannungen, dass diese aufgrund der stets vorhandenen geometrischen und materiellen Imperfektionen z. B. aus der Fertigung nicht bis zum vollen plastischen Bauteilwiderstand ausgenutzt werden können. Speziell im Stahlbau finden sich oft sehr schlanke plattenförmige Konstruktionen bzw. Querschnittsformen, die sich aus schlanken plattenförmigen Bauteilen zusammensetzen. In diesen Fällen ist daher die Reduktion des Bauteilwiderstandes infolge Beulens der Bleche zu beachten.

Generell regelt die Norm EN 1993-1-5 [6] die Bemessung und Konstruktion plattenförmiger Bauteile. Der folgende Beitrag orientiert sich am Hauptdokument EN 1993-1-5 generell ohne die Einarbeitung nationaler Festlegungen. Es sei aber darauf hingewiesen, dass in anderen Teilen des Eurocodes bzw. in den nationalen Anhängen der jeweiligen Länder abweichende bzw. ergänzende Informationen zur Anwendung enthalten sein können.

Die Norm gilt generell für plattenförmige Bauteile. Als ebenes (plattenförmiges) Bauteil wird dabei jedes Blech eingestuft, das folgenden Grenzwert des Krümmungsradius r einhält. a2 r ≥ __ t

Abschnitt 1.1

Gl. (1.1)

Darin bezeichnet a die Blechfeldbreite und t die Blechdicke. Wie in [12] dargestellt, kann die Bezeichnung a für die Blechfeldbreite hier irreführend sein, da diese in der Regel die Blechfeldlänge bezeichnet, wenn die Längsspannungen in Längsrichtung wirken. Im Regelfall sollte Gl. (1.1) daher lauten: b2 r ≥ __ t Dieser Sachverhalt ist auch in Bild 1 dargestellt.

Bild 1. Zur Definition des Krümmungsradius (vgl. [12])

Wird dieser Grenzwert nicht eingehalten, ist für die Nachweisführung die dafür vorgesehene Norm zu verwenden, wie z. B. Schalenbeulen für zylinderförmige Silos. Des Weiteren wird für die Beanspruchung vorausgesetzt, dass diese immer in Blechebene wirkt. Eine eventuelle Querbelastung normal zur Plattenebene wird in der Norm EN 1993-1-5 nicht behandelt.

Die EN 1993-1-5 regelt zwei grundlegende Effekte, welche bei plattenförmigen Bauteilen auftreten können – die ungleichmäßige Spannungsverteilung aufgrund von Schubverzerrungen und die Effekte des Plattenbeulens. Um diese Effekte zu unterscheiden, werden in der Norm die folgenden Bezeichnungen verwendet: – „wirksam“ bezeichnet die Wirkung von Plattenbeulen; – „mittragend“ bezeichnet die ungleichförmige Spannungsverteilung aufgrund von Schubverzerrungen; – „effektiv“ bezeichnet die Verbindung von wirksamem Querschnitt und mittragendem Querschnitt.

Abschnitt 2.1

Abschnitt 1.3.4

211

212

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

Generell sind mittragende Breiten und die Auswirkungen des Plattenbeulens auf den Grenzzustand der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit oder Ermüdung zu berücksichtigen. Die mittragenden Breiten werden üblicherweise schon am Beginn einer statischen Berechnung in der globalen Tragwerksberechnung berücksichtigt und werden deshalb hier nicht ausführlicher behandelt. Wenn in weiterer Folge von effektiven Querschnitten die Rede ist, so sind die Effekte aus Schubverzerrungen, falls erforderlich, bereits berücksichtigt.

2

Abschnitt 2.1

Übersicht zu den Nachweisverfahren

Die EN 1993-1-5 stellt unterschiedliche Methoden zur Berücksichtigung des Plattenbeulens zur Verfügung: Die Abschnitte 4 bis 7 basieren auf der Methode der effektiven Breiten. Für Spannungen in Längsrichtung besteht die Idee darin, beulgefährdete Bereiche aus dem Blechfeld gedanklich herauszuschneiden und mit dem Restquerschnitt (effektiver Querschnitt) einen elastischen Querschnittsnachweis zu führen. Der eigentliche Querschnitt mit der Querschnittsklasse 4 (QSKL 4) wird somit in einen Querschnitt der Querschnittsklasse 3 übergeführt. Für die weiteren Beanspruchungen aus z. B. Schub oder lokaler Lasteinleitung werden ebenfalls Ausnutzungsgrade bestimmt und anschließend mittels Interaktionsbeziehungen in Verbindung gesetzt. Je nach Art der Beanspruchung bzw. erforderlicher Interaktion sind hierfür in den Abschnitten 4 bis 7 der Norm die entsprechenden Reduktionsbeiwerte und Interaktionsformeln angegeben.

Die Anwendung der Methode der effektiven Querschnitte der Abschnitte 4 bis 7 ist an folgende Anwendungsgrenzen gebunden:

Abschnitt 2.3

EN 1993-1-5, Bild 2.1

Bild 2. Definition des Beulfeldes (aus [6])

– Die Plattenfelder sind rechteckig und die Flansche verlaufen näherungsweise parallel.

– Der Durchmesser nicht ausgesteifter Löcher oder Ausschnitte ist kleiner als 0, 05 ⋅ b, wobei b die Beulfeldbreite bezeichnet.

– Flanschinduziertes Stegbeulen wird ausgeschlossen.

Die Methode der effektiven Querschnitte darf auch auf nicht rechteckige Beulfelder angewendet werden, wenn der Winkel α ≤ 10° ist (s. Bild 2). Für Winkel > 10° darf ein Ersatzbeulfeld mit einer Breite gleich dem größeren Wert aus b 1 und b 2 verwendet werden.

Als Alternative stellt die Norm die Methode der reduzierten Spannungen zur Verfügung. Dabei darf ein Querschnitt der Querschnittsklasse 3 zugeordnet werden, wenn die maßgebende Drucklängsspannung eine reduzierte Spannung nicht überschreitet.

Anders formuliert – es wird ein elastischer Spannungsnachweis mit einer reduzierten Spannung geführt. In dieser reduzierten Spannung sind die Effekte des Plattenbeulens berücksichtigt.

Bei der Methode der effektiven Querschnitte kommt es aufgrund der Reduzierung der Blechbreiten üblicherweise zu einer Änderung der Querschnittswerte und somit zu einer Änderung des Spannungsverlaufs, woraus sich wieder neue effektive Breiten ergeben. Es ist daher in der Regel ein iteratives Vorgehen erforderlich. Diese Methodik ermöglicht Lastumlagerungen zwischen den einzelnen Bauteilen, wodurch die Methode der effektiven Breiten tendenziell wirtschaftlichere Ergebnisse als die Methode der reduzierten Spannungen liefert. Die Methode der reduzierten Spannungen berück-

Abschnitt 2.3 Anmerkung Abschnitt 2.4

Abschnitt 2.4 Anmerkung

Übersicht zu den Nachweisverfahren

sichtigt diese Lastumlagerungen nicht, vielmehr werden Einzelnachweise geführt und das schwächste Bauteil ist für die Gesamttraglast maßgebend. Für Einzelblechfelder (ohne Längssteifen) unter Längsspannungen entspricht die Methode der reduzierten Spannungen prinzipiell der Methode der effektiven Breiten. Es ist allerdings darauf zu achten, dass im Nachweiskonzept unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte verwendet werden. Die EN 1993-1-5 lässt prinzipiell beide Methoden zur Berechnung des Plattenbeulens zu. In anderen Teilen des Eurocodes bzw. in den nationalen Anhängen der jeweiligen Länder kann die Anwendung der Methoden aber weiter reglementiert sein.

Sind die oben erwähnten Anwendungsgrenzen für ein Beulfeld nicht erfüllt, bietet die EN 1993-1-5 die Möglichkeit, den Nachweis auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu führen. Solche Bauteile werden in der Norm auch als Bauteile mit veränderlichem Querschnitt bezeichnet. Grundsätzlich bestehen hierzu zwei Möglichkeiten. Entweder kann ein erweitertes Nachweisformat auf Basis der Methode der reduzierten Spannungen verwendet werden, oder es kann eine reine Berechnung auf Basis der FEM durchgeführt werden. Die erste Variante ist im Anhang B und die zweite Variante ist im Anhang C geregelt.

Für Bauteile mit trapezförmig oder sinusförmig profilierten Stegblechen und Blechgurten findet sich in der EN 1993-1-5 eine eigene Berechnungsmethodik, welche im Anhang D geregelt ist.

Die bis hier angeführten Berechnungsmethoden werden in den nächsten Abschnitten theoretisch aufbereitet und die jeweilige Nachweisführung bzw. der jeweilige Rechengang wird anschließend anhand von Beispielen nachvollziehbar dargestellt.

2.1

Abschnitt 2.5

Nachweise nach der Methode der effektiven Querschnitte

Je nach Art der Belastung sind in der EN 1993-1-5 die entsprechenden Abschnitte 4 bis 7 zu verwenden. Die Norm unterscheidet hinsichtlich Belastung zwischen: – Abschnitt 4: Plattenbeulen bei Längsspannungen im Grenzzustand der Tragfähigkeit (nicht ausgesteifte und längs ausgesteifte Beulfelder), – Abschnitt 5: Schubbeulen, – Abschnitt 6: Beanspruchbarkeit bei Querbelastung, – Abschnitt 7: Interaktion.

2.1.1

Plattenbeulen bei Längsspannungen

Prinzipiell findet eine Unterscheidung zwischen längs unausgesteiften und längs ausgesteiften Beulfeldern statt, wobei bei den ausgesteiften Beulfeldern von den Rechenregeln der nicht ausgesteiften Beulfelder Gebrauch gemacht wird.

2.1.1.1 Einzelblechfelder ohne Längssteifen Der Abminderungsfaktor ρ zur Reduktion der tatsächlichen Beulfeldbreite auf die effektive Breite basiert auf einer Modifikation der sogenannten Winterkurve. Die Aufteilung der effektiven Breiten ist abhängig vom Randspannungsverhältnis ψ. Da nur druckbeanspruchte Bauteile beulen können, bezieht sich die Abminderung üblicherweise auf die unter Druck stehenden Querschnittsteile. Die Einzelfelder können hierbei einseitig oder zweiseitig gestützt sein. Dies ist in den Bildern 3 und 4 exemplarisch dargestellt.

Abschnitt 4.4

213

214

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

EN 1993-1-5, Bild 4.1

Bild 3. Wirkung von Normalkräften bei Querschnitten der Klasse 4 (aus [6])

EN 1993-1-5, Bild 4.2

Bild 4. Wirkung von Biegemomenten bei Querschnitten der Klasse 4 (aus [6])

Für die wirksame Querschnittsfläche gilt A c,eff = ρ ⋅ A c

Gl. (4.1)

Der Wert des Abminderungsfaktors wird mit den folgenden Beziehungen bestimmt: – für beidseitig gestützte Querschnittsteile _____________

ρ = 1, 0

für

λ̅ p ≤ 0, 5 + √0, 085 − 0, 055 ψ

λ̅ p − 0, 055(3 + ψ) ρ = ___________ ≤ 1, 0 2 λ̅ p

für

λ̅ p > 0, 5 + √0, 085 − 0, 055 ψ

_____________

Gl. (4.2)

Übersicht zu den Nachweisverfahren

– für einseitig gestützte Querschnittsteile ρ = 1, 0

für

λ̅ p ≤ 0, 748

Gl. (4.3)

λ̅ p − 0, 188 ρ = _______ ≤ 1, 0 für λ̅ p > 0, 748 2 λ̅ p Der darin enthaltene Schlankheitsgrad λ̅ p errechnet sich aus ___

√

fy b̅ ∕t __ λ̅ p = __ = ________ σ cr 28, 4 ⋅ ε ⋅ √k σ Die kritische elastische Beulspannung kann mittels der bekannten Beziehungen der Festigkeitslehre bestimmt werden. Diese sind auch im Anhang A angeführt und gelten für Einzelblechfelder und Blechfelder mit mindestens drei Längssteifen, deren Steifigkeit verschmiert werden darf (äquivalente orthotrope Platte). Die kritische Beulspannung errechnet sich aus dem Produkt der äquivalenten Beulspannung und dem entsprechenden Beulwert zu

Anhang A

σ cr,p = k σ,p ⋅ σ E

Gl. (A.1)

Für den Grundwert der Beulspannung (Eulerspannung) gilt hierbei π2 ⋅ E ⋅ t2 σ E = ___________ 12 (1 − ν 2) b 2 Tabelle 1. Zweiseitig gestützte druckbeanspruchte Querschnittsteile (aus [6])

EN 1993-1-5, Tabelle 4.1

Der Beulwert k σ ist abhängig vom Seitenverhältnis α = a∕b und dem Randspannungsverhältnis ψ. In den Tabellen 1 und 2 sind die Beulwerte für Einzelfelder laut Norm angegeben. Auch die Aufteilung der effektiven Breiten zur anschließenden Berechnung der Querschnittswerte kann diesen Tabellen entnommen werden. Die Tabellen beziehen sich auf ein plattenartiges Verhalten des Beulfeldes. Dies ist für Einzelblechfelder üblicherweise mit einem Seitenverhältnis α > 1 gegeben.

Bei der Anwendung der Tabellen 1 und 2 sind für Gurte von I-Querschnitten und Kastenträgern die Spannungsverteilungen mit den Bruttoquerschnittswerten zu ermitteln. Hierbei ist stets auf eine mögliche Reduktion der Querschnittswerte aufgrund von mittragenden Breiten zu achten. Für den Steg ist die Spannungsverteilung in der Regel mit der wirksamen Breite des Druckflansches und den Bruttoquerschnittswerten des Stegs zu ermitteln. Dies führt bei der Berechnung der Spannungsverteilungen auf das bereits angeführte iterative Vorgehen. Mit der erwähnten Vorgehensweise wird üblicherweise aber bereits ein ausreichend genaues Ergebnis erzielt und weitere Iterationen sind in der Regel nicht erforderlich.

Abschnitt 4.4 (3)

215

216

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

Tabelle 2. Einseitig gestützte druckbeanspruchte Querschnittsteile (aus [6])

EN 1993-1-5, Tabelle 4.2

Für Einzelblechfelder mit α < 1 kann es zu einem knickstabähnlichen Tragverhalten kommen, wie in Bild 5 dargestellt. Die Regeln zur Bestimmung des Abminderungsfaktors für knickstabähnliches Verhalten sind in der Norm gemeinsam mit den längs ausgesteiften Beulfeldern geregelt.

Abschnitt 4.4 (6) und Abschnitt 4.5.3

EN 1993-1-5, Bild 4.3

Bild 5. Fälle von knickstabähnlichem Tragverhalten (aus [6])

Übersicht zu den Nachweisverfahren

2.1.1.2 Längs ausgesteifte Blechfelder Bei längs ausgesteiften Beulfeldern sind in der Regel sowohl die wirksamen Flächen infolge lokalen Beulens der Einzelfelder im Blech und in den Steifen als auch die wirksamen Flächen aus dem Gesamtfeldbeulen des ausgesteiften Gesamtfeldes zu berücksichtigen.

Dies führt zu einer Vorgehensweise in zwei Schritten. Zuerst werden die effektiven Flächen der Einzelfelder und anschließend, falls erforderlich, der Steifen bestimmt. Im zweiten Schritt erfolgt die Ermittlung der Beulsicherheit für das Gesamtfeld unter Berücksichtigung des knickstabähnlichen Verhaltens. Mit dem Abminderungsfaktor des Gesamtfeldbeulens werden die effektiven Breiten der Einzelfelder erneut abgemindert und man erhält einen Nettoquerschnitt (effektiver Querschnitt), welcher als Querschnitt der Querschnittsklasse 3 behandelt werden darf. Wie bereits bei den Einzelblechfeldern erwähnt, ist auch hier ggf. auf eine iterative Vorgehensweise zu achten.

Die wirksame Fläche der Druckzone eines ausgesteiften Blechfeldes wird bestimmt mit A c,eff = ρ c ⋅ A c,eff,loc + ∑b edge,eff ⋅ t

217

Abschnitt 4.5

Abschnitt 4.5 (1)

Abschnitt 4.5 (3) Gl. (4.5)

wobei für die wirksame Fläche der Einzelfelder und Steifen A c,eff,loc = A sl,eff + ∑ρ loc ⋅ b c,loc ⋅ t c

Gl. (4.6)

gilt. Zur Erläuterung sind diese Flächen in Bild 6 dargestellt.

EN 1993-1-5, Bild 4.4

Bild 6. Längs ausgesteiftes Blechfeld unter konstanter Druckbeanspruchung (aus [6])

Die Abminderung der unter Druckbeanspruchung stehenden lokalen wirksamen Flächen A c,eff,loc infolge Gesamtfeldbeulens darf als konstant über diesen Gesamtquerschnitt angenommen werden.

Aus dem Restquerschnitt, welcher nach der zweifachen Abminderung noch übrig bleibt, wird das wirksame Flächenträgheitsmoment I eff bestimmt. Das wirksame Widerstandsmoment W eff ist in der Regel als das wirksame Flächenträgheitsmoment geteilt durch den Randabstand zur Mittelebene der Gurtbleche anzusetzen.

Der Abminderungsfaktor für das Gesamtfeldbeulen setzt sich aus dem plattenartigen Tragverhalten und dem knickstabähnlichen Tragverhalten zusammen. Über den Beiwert ξ wird das vorliegende Tragverhalten bestimmt und mittels einer Interpolationsfunktion entsprechend gewichtet.

Das plattenartige Verhalten wird nach dem Konzept der äquivalenten orthotropen Platte berechnet. Der Schlankheitsgrad einer äquivalenten orthotropen Platte ist definiert mit

Abschnitt 4.5 (7) Abschnitt 4.5 (10)

Abschnitt 4.5.2

_____

√

β A,c ⋅ f y λ̅ p = _____ σ cr,p Der Anhang A der EN 1993-1-5 gibt Hinweise zur Bestimmung der elastischen Verzweigungsspannung. Darin sind im Abschnitt A.1 Hinweise für Beulfelder mit mindestens drei Längssteifen gegeben, deren Steifigkeit über die Beulfeldbreite als verschmiert angenommen werden kann. Der Abschnitt A.2 gibt Informationen zur Berechnung der kritischen Beulspannung mit einer oder zwei Steifen in der Druckzone. Da es sich hierbei um Näherungen handelt und der Berechnungsaufwand im Vergleich zu Einzel-

Gl. (4.7) Anhang A

218

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

feldern erheblich steigt, kann die kritische Beulspannung vorteilhaft auch mittels numerischer Methoden, wie z. B. mit der Spezialsoftware EBPlate [5] oder mit der FEM, bestimmt werden.

Mit dem so ermittelten Schlankheitsgrad wird analog zum Beulen von Einzelfeldern der Abminderungsfaktor aus der modifizierten Winterformel nach den Gleichungen der EN 1993-1-5 bestimmt.

Das knickstabähnliche Verhalten kann z. B. bei Einzelfeldern mit kleinem Seitenverhältnis oder bei einem längsausgesteiften Blechfeld mit großem Seitenverhältnis α vorkommen (s. Bild 5). Die elastische kritische Knickspannung wird generell am Blechfeld mit freigesetzten Längsrändern ermittelt. Über das Modell des gelenkig gelagerten Einfeldträgers können die kritischen Spannungen bestimmt werden.

Für ein unausgesteiftes Blechfeld folgt die Knickspannung somit zu π2 ⋅ E ⋅ t2 σ cr,c = ___________ 12 (1 − ν 2) a 2

Abschnitt 4.5.3

Abschnitt 4.5.3 (2) Gl. (4.8)

Bei einem ausgesteiften Blechfeld darf die Knickspannung für knickstabähnliches Verhalten mithilfe der Knickspannung der am höchstbelasteten Druckrand liegenden Steife ermittelt werden. Es gilt π 2 ⋅ E ⋅ I sl,1 N cr,sl = σ cr,sl ⋅ A sl,1 = _______ l cr 2

Gln. (4.2) und (4.3)

→

π 2 ⋅ E ⋅ I sl,1 σ cr,sl = _______ a 2 ⋅ A sl,1

Abschnitt 4.5.3 (3)

Gl. (4.9)

Dabei bezeichnet das Flächenträgheitsmoment unter Ansatz der Bruttoquerschnittsfläche der I sl,1 als Ersatzdruckstab betrachteten Steife und der angrenzenden mittragenden Blechstreifen bezogen auf Knicken senkrecht zur Blechebene, A sl,1 die Bruttoquerschnittsfläche des Ersatzdruckstabes, die sich aus der Steife und den angrenzenden mittragenden Blechstreifen entsprechend Bild A.1 (s. Bild 7) zusammensetzt.

Die kritische Knickspannung kann nun durch Extrapolation der Knickspannung der Steife zum Druckrand bestimmt werden

Abschnitt 4.5.3 (3) Anmerkung

bc σ cr,c = σ cr,sl ___ b sl,1 Die Werte beziehen sich auf den Druckrand bzw. die unter Druck stehende Breite des Beulfeldes und sind in Bild 7 dargestellt.

Der Schlankheitsgrad des Ersatzdruckstabs ist für nicht ausgesteifte Einzelblechfelder mit

Abschnitt 4.5.3 (4)

___

√

fy λ̅ c = ___ σ cr,c

Gl. (4.10)

definiert und für ausgesteifte Blechfelder mit _____

√

β A,c ⋅ f y λ̅ c = _____ σ cr,c Bei den ausgesteiften Blechfeldern darf der Faktor A sl,1,eff β A,c = _____ A sl,1 berücksichtigt werden. Dieser stellt das Verhältnis der Bruttoquerschnittsfläche des Ersatzdruckstabs der Steife und den angrenzenden mittragenden Blechstreifen zu der wirksamen Querschnittsfläche der Steife und den angrenzenden mittragenden Blechstreifen unter Berücksichtigung des Beulens dar. Zur Erläuterung sind die erforderlichen Querschnitte auch in Bild 7 dargestellt.

Gl. (4.11)

Übersicht zu den Nachweisverfahren

219

EN 1993-1-5, Anhang A, Bild A.1

Bild 7. Bezeichnungen für längs ausgesteifte Beulfelder (aus [6])

Der Abminderungsfaktor für das knickstabähnliche Verhalten χ c errechnet sich analog zu einem Knickstab, wie es in EN 1993-1-1, 6.3.1.2 geregelt ist. Bei einem nicht ausgesteiften Blechfeld wird dieser der Knicklinie a mit dem Imperfektionsbeiwert α = 0, 21 zugeordnet. Im Fall eines ausgesteiften Blechfeldes wird ein vergrößerter Imperfektionsbeiwert angesetzt.

0, 09 α e = α + ____ i∕e Dieser berücksichtigt evtl. vorhandene größere Imperfektionen der geschweißten Platten sowie Exzentrizitäten zwischen Steife und Blech. Die Beiwerte sind abhängig von der Steifengeometrie und es gilt: ____

√

I sl,1 i = ____ A sl,1

Abschnitt 4.5.3 (5)

Gl. (4.12)

220

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

e = max (e 1, e 2) ist der größere der beiden Abstände nach Bild 7, d. h. entweder der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der vom Blech isoliert betrachteten einseitig angebrachten Einzelsteifen ohne mitwirkende Breite (bei zweiseitig angebrachten Steifen wird hierbei nur eine Seite betrachtet) zur Schwerachse des ausgesteiften Blechfeldes oder der Abstand der Schwerachse des ausgesteiften Blechfeldes zur Mittelebene des Bleches α = 0, 34 Imperfektionsbeiwert (Kurve b) für Hohlsteifenquerschnitte α = 0, 49 Imperfektionsbeiwert (Kurve c) für offene Steifenquerschnitte Mit den bis hier beschriebenen Methoden können die Abminderungsfaktoren für das plattenartige Tragverhalten und das knickstabähnliche Tragverhalten ermittelt werden.

Sind diese bekannt, wird nun bestimmt, welches Tragverhalten maßgebend ist. Dies geschieht über den Beiwert ξ mit

Abschnitt 4.5.4

σ cr,p ξ = ___ − 1 jedoch 0 ≤ ξ ≤ 1 σ cr,c Dabei ist σ cr,p die elastische Plattenbeulspannung und σ cr,c die elastische Knickspannung. Der endgültige Abminderungsfaktor ρ c folgt aus der Interaktionsbeziehung ρ c = (ρ − χ c) ⋅ ξ ⋅ (2 − ξ) + χ c

Gl. (4.13)

Mit dieser Funktion wird das Tragverhalten gewichtet. Für ξ = 0 folgt ρ c = χ c und man erhält ein rein knickstabähnliches Tragverhalten, für ξ = 1 folgt ρ c = ρ und man erhält ein rein plattenartiges Tragverhalten.

Mit diesem kombinierten Abminderungsfaktor wird, wie bereits oben beschrieben, der Gesamtquerschnitt ein zweites Mal abgemindert.

2.1.1.3 Nachweis

Abschnitt 4.6

Mit den wirksamen Querschnittsgrößen aus der zweischrittigen Abminderung der Bauteilbreiten kann nun der elastische Querschnittsnachweis geführt werden. Für den Ausnutzungsgrad eines nicht ausgesteiften bzw. ausgesteiften Beulfeldes infolge Längsspannungen gilt: N Ed M Ed + N Ed ⋅ e N η 1 = _____ + __________ ≤ 1, 0 f fy y ___ ___ A W γ M0 eff γ M0 eff Aufgrund der effektiven Breiten kommt es üblicherweise zu einer Verschiebung des Schwerpunktes bezogen auf den nicht abgeminderten Bruttoquerschnitt um den Wert e N. Diese Verschiebung der neutralen Achse erzeugt bei Normalkraftbeanspruchung ein Zusatzmoment, welches bei der Spannungsermittlung und im Nachweis berücksichtigt werden muss.

Die Gleichung für den Ausnutzungsgrad darf bei zweiachsiger Biegung wie folgt erweitert werden: M y,Ed + N Ed ⋅ e y,N M z,Ed + N Ed ⋅ e z,N N Ed η 1 = _____ + ____________ + ___________ ≤ 1, 0 f fy fy y ___ A ___ ___ W W γ M0 eff γ M0 y,eff γ M0 z,eff Dabei bezeichnen e y,N und e z,N die jeweiligen Verschiebungen der neutralen Achse.

Gegebenenfalls sind die Schnittgrößen nach Theorie II. Ordnung zu ermitteln.

Für eine längs des Beulfeldes veränderliche Spannung ist in der Regel der Beulnachweis für die Schnittgrößen an der Querschnittsstelle zu führen, die sich im Abstand 0, 4 ⋅ a oder 0, 5 ⋅ b (kleinster Wert) von dem Beulfeldrand befindet, an dem die größten Spannungen auftreten. In diesem Fall ist am Beulfeldrand zusätzlich ein reiner Querschnittsnachweis zu führen.

Gl. (4.14)

Abschnitt 4.5.4 (1) Anmerkung Gl. (4.15)

Abschnitt 4.5.4 (2) Abschnitt 4.5.4 (3)

Übersicht zu den Nachweisverfahren

2.1.2

Schubbeulen

Schlanke Beulfelder bzw. schlanke Bleche zeigen einen hohen Widerstand gegenüber Beulversagen für den Fall, dass sich im Nachbeulbereich Zugmembranspannungen ausbilden können. Dies ist auf Spannungsumlagerungen zurückzuführen, sobald es zum Ausbeulen des Bleches kommt. Werden die einwirkenden Normalspannungen σ und Schubspannungen τ in die Hauptspannungsrichtungen transformiert, so entsprechen diese den Hauptnormalspannungen. Darin steht σ 1 für die Hauptzugspannung und σ 2 für die Hauptdruckspannung, wobei diese beiden Spannungen denselben Wert aufweisen und zueinander um 45° geneigt sind. Dies gilt für den Fall, dass das Lastniveau sich noch unter der Verzweigungslast des Bauteils befindet. Wird nun die Last gesteigert und die Verzweigungslast des Systems erreicht, kommt es zum Ausbeulen des Bleches und zu den erwähnten Spannungsumlagerungen. Es bildet sich ein „Zugfeld“ aus. In der Regel erhöht sich die Hauptzugspannung σ 1, es wird aber keine wesentliche Erhöhung der Hauptdruckspannung σ 2 beobachtet.

Die wesentlichen Regeln zur Bestimmung des Bauteilwiderstandes gegenüber Schubbeanspruchung werden in diesem Abschnitt näher erläutert und sind allgemein im Abschnitt 5 der EN 1993-1-5 geregelt. Um diesen Abschnitt anwenden zu dürfen, müssen die folgenden Kriterien eingehalten werden: – Die Beulfelder sind näherungsweise rechteckig und für den Winkel α in Bild 2 gilt ≤ 10°.

– Steifen, falls vorhanden, sind nur in Längs- bzw. Querrichtung angeordnet.

– Alle Löcher oder Ausschnitte sind klein gegenüber den restlichen Bauteilabmessungen.

– Die Bauteile sind gleichförmig bzw. weisen einen gleichförmigen Querschnitt auf.

Das Schubbeulen muss berücksichtigt werden, falls das Grenzverhältnis von Plattenhöhe h w zu Blechstärke t die folgenden Grenzwerte überschreitet: – für nicht ausgesteifte Blechfelder gilt:

ε hw __ > 72 __

– für ausgesteifte Blechfelder gilt:

ε __ hw __ > 31 __ √k τ t η

t

Abschnitt 5.1 (1)

Abschnitt 5.1 (2)

η

Darin wird k τ als Schubbeulkoeffizient bezeichnet und abhängig von der verwendeten ___________

Stahlgüte gilt ε = √ 235 ∕ f y [MPa] . Werden die oben angeführten Grenzwerte überschritten, ist ein Schubbeulnachweis zu führen und es sind Quersteifen an den Lagern vorzusehen.

2.1.2.1 Bemessungswert der Beanspruchbarkeit Der Widerstand nicht ausgesteifter und ausgesteifer Beulfelder gegenüber Schubbeulen V b,Rd setzt sich in der Regel aus dem Widerstand des Stegs V bw,Rd und dem Widerstand der Flansche V bf,Rd, falls vorhanden, zusammen. η ⋅ f yw ⋅ h w ⋅ t __ V b,Rd = V bw,Rd + V bf,Rd ≤ ________ √3 ⋅ γ M1

Gl. (5.1)

2.1.2.2 Beitrag des Stegs Der Beitrag des Stegs ergibt sich zu χ w ⋅ f yw ⋅ h w ⋅ t __ V bw,Rd = _________ √3 ⋅ γ M1 Darin ist χ w der Abminderungsfaktor gegen Schubbeulen (s. auch Bild 8). Dieser beinhaltet die Effekte aus der Zugfeldwirkung des Beulfeldes nach Überschreiten der Verzweigungslast des Systems. Die Biegesteifigkeiten der Quersteifen an den Rändern des Beulfeldes, an denen das Zugfeld sozusagen verankert ist, beeinflussen das Nachbeulverhalten. Deshalb ist der Abminderungsfaktor gegenüber Schubbeulen abhängig von der Steifigkeit dieser Quersteifen. Es wird zwischen starren und verformbaren Steifen unterschieden (s. Tabelle 3).

Gl. (5.2) Abschnitt 5.3 (1)

221

222

3

Stabilitätsnachweise nach EN 1993-1-5 – Theorie und Beispiele

Tabelle 3. Beitrag des Stegs zur Schubbeanspruchbarkeit (aus [6]) Starre Auflagersteife

Verformbare Auflagersteife

_ λ w ≤ 0, 83∕η _ 0, 83∕η < λ w ≤ 1, 08

η

η

_ 0, 83∕λ w

_ 0, 83∕λ w

_ λ w ≥ 1, 08

_ 1, 37∕(0, 7 + λ w)

_ 0, 83∕λ w

EN 1993-1-5, Tabelle 1

EN 1993-1-5, Bild 5.2

Bild 8. Beitrag des Stegs χ w zur Schubbeanspruchbarkeit (aus [6])

Die Anforderungen an starre Auflagersteifen sind im Abschnitt 9.3 der EN 1993-1-5 geregelt. In Bild 9 sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausbildungen von Trägerenden dargestellt.

EN 1993-1-5, Bild 5.1

Querschnittsdefinitionen

a) keine Auflagersteife

b) starre Auflagersteife

c) verformbare Auflagersteife

Bild 9. Kriterien für Auflagersteifen (aus [6])

_ Für kleine Schlankheiten mit λ w ≤ 0, 83∕η folgt für den Abminderungsfaktor χ w = η, wobei die η Werte ≥ 1 sind. Versuche an gedrungenen Stäben haben gezeigt, dass der Schubwiderstand 70 bis 80 % der Zugfestigkeit erreichen kann. Dies entspricht einer Erhöhung der Schubfestigkeit von rund 20 % und ist auf die Werkstoffverfestigung zurückzuführen. Es wird daher η = 1, 2 für Stahlgüten bis S460 empfohlen und η = 1, 0 für höhere Stahlgüten, da Versuche nur an Trägern bis S460 durchgeführt wurden.

Die Abminderungskurven gelten für ausgesteifte und nicht ausgesteifte Beulfelder. Der Schlankheitsgrad ist definiert mit ____ __

√

___

_ f yw∕√3 f yw λ w = ____ = 0, 76 ___ τ cr τ cr

√

wobei τ cr = k τ ⋅ σ E gilt.

Gl. (5.4)

Übersicht zu den Nachweisverfahren

Diese Gleichung kann weiter vereinfacht werden – für Quersteifen am Auflager allein (Auflagersteifen): hw λ̅ w = _______ 86, 4 ⋅ t ⋅ ε

223

Gl. (5.5)

– für Auflagersteifen und zusätzlich in Querrichtung und∕oder in Längsrichtung laufende Steifen:

h wi hw __ , ___________ ___ λ̅ w = max __________ ( 37, 4 ⋅ t ⋅ ε ⋅ √k τ 37, 4 ⋅ t ⋅ ε ⋅ √k τi ) Dabei ist kτ Schubbeulkoeffizient für den Steg zwischen den Flanschen k τi Schubbeulkoeffizient des entsprechenden Einzelfeldes i hw Steghöhe zwischen den Flanschen h wi Höhe des Einzelfeldes i

Gln. (5.6), (5.7)

Im Anhang A.3 der EN 1993-1-5 sind Formeln zur Bestimmung des Schubbeulkoeffizienten k τ angegeben. Für Beulfelder mit starren Quersteifen ohne Längssteifen bzw. mit mehr als zwei Längssteifen folgt für den Schubbeulkoeffizienten k τ = 5, 34 + 4, 00(h∕a) 2 + k τsl für a∕h ≥ 1

Gl. (A.5)

k τ = 4, 00 + 5, 34(h∕a) 2 + k τsl für a∕h < 1 Dabei ist h k τsl = 9 __ (a)

2

_______

√

4

2, 1 ≥ ___ ( t 3h ) t I sl ___

3

__

√h

3

I sl __

a Abstand der Quersteifen I sl Summe der Flächenträgheitsmomente der einzelnen Längssteifen um die z-z Achse (s. Bild 10).

Gleichung (A.5) der EN 1993-1-5 gilt auch für den Fall von einer oder zwei Längssteifen, vorausgesetzt es gilt α = a∕h ≥ 3. Für Beulfelder mit ein oder zwei Längssteifen und α < 3 darf der Schubbeulwert angenommen werden zu I sl ___ 6, 3 + 0, 18 ___ 3h 3 I sl t _________ k τ = 4, 1 + + 2, 2 ___ α2 t 3h

Anhang A.3 (2)

Das Flächenträgheitsmoment errechnet sich mit einer effektiven Breite von 15 εt auf jeder Seite der Steife (s. Bild 10). Das Flächenträgheitsmoment sollte für die Berechnung von k τsl auf 1∕3 seines aktuellen Wertes reduziert werden. Dies ist auf die geringeren Reserven hinsichtlich des Nachbeulverhaltens längsausgesteifter Beulfelder im Vergleich zu nicht ausgesteiften Beulfeldern zurückzuführen. Diese Reduktion der Steifigkeiten der Längssteifen ist in den Gleichungen des Anhangs A.3 bereits berücksichtigt. Aktuelle Forschungen zeigen aber, dass diese Reduktion nur für Steifen mit einer geringen Torsionssteifigkeit erforderlich ist. Für Beulfelder mit Längssteifen, die einen großen Torsionswidertand aufweisen, kann der volle Wert des Flächenträgheitsmomentes angesetzt werden.

Abschnitt 5.3 (4)

√

EN 1993-1-5, Bild 5.3

Bild 10. Stegblech mit Quer- und Längssteifen (aus [6])

12 Regale in Stahlbauweise Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Bettina Brune Dipl.-Ing. Olaf Heptner Dipl.-Ing. Peter Stangenberg Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann

Stahlbau-Kalender 2015: Eurocode 3 – Grundnorm, Leichtbau.

Herausgegeben von Ulrike Kuhlmann © 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2015 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG.

758

12

Regale in Stahlbauweise

Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 1.3.1 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.5 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 3.3.1 3.3.2

Regale aus Stahl 761 Lagertechnik 761 Arten und Funktionen von Regalen 762 Allgemeines 762 Palettenregale 764 Fachbodenregale 766 Dach- und wandtragende Hochregalanlagen (Silos) 770 Weitere Regaltypen 772 Regalbediengeräte und Beschickung 773 Flurförderzeuge nach Regalklassen 773 Fertigung 775 Profilierung von Regalprofilen 775 Werkstoffe 776 Herstellung von Fachböden 776 Schweißen im Regalbau 777 Zahlen und Fakten der Regalbaubranche in Deutschland 777 Bauaufsichtliche Relevanz 777 Bauaufsichtliche Belange für Regalanlagen aus Stahl 777 Situation in Deutschland bis zum Jahr 2011 und 2013 777 Situation in Deutschland ab 2011∕2013 777 Schreiben der Bundesbauministerkonferenz vom 18.12.2013 778 Stellungnahme des nationalen Verbands für Lagertechnik und Betriebseinrichtungen LBE im Jahr 2013 778 Allgemeines 778 Lagerfunktion 778 Erschließungsfunktion und Rettungsweg 778 Aufenthaltsraum∕-fläche 778 Empfehlungen des Verbandes LBE zur Realisierung von Regalbauwerken 778 Statisch-konstruktive Berechnung von verstellbaren Paletten-Regalsystemen 779 Allgemeines 779 Einwirkungen 779 Permanente und veränderliche Lasten aus Ladeeinheiten nach DIN EN 15512, 6.2 und 6.3 779 Vertikale Beschickungslasten nach DIN EN 15512, 6.3.3 779 Horizontale Beschickungslasten nach DIN EN 15512, 6.3.4 780 Palettensicherungen nach DIN EN 15512, 6.3.4.2 780 Stoßlasten nach DIN EN 15512, 6.4 781 Nachweisverfahren mit Teilsicherheitsbeiwerten 781 Teilsicherheitsfaktoren für Einwirkungen nach DIN EN 15512, 7.4 781 Teilsicherheitsfaktoren für das Material nach DIN EN 15512, 7.5 782

3.3.3 3.3.4 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.3 5.3.1 5.3.2

Kombinationen von Einwirkungen nach DIN EN 15512, 7 782 Zusammenfassende Bewertung und Schlussfolgerung 783 Tragwerksberechnung 783 Allgemeines 783 Statisches Modell eines Palettenregals in Querrichtung 784 Statisches Modell eines Palettenregals in Längsrichtung 785 Imperfektionen nach DIN EN 15512, 5.3 785 Lastansätze bei einer Tragwerksberechnung des Regallängssystems 786 Lastansätze bei einer Tragwerksberechnung des Regalquersystems 787 Bemessung von Palettenregalen 787 Allgemeines 787 Bemessung von Regalstützen unter Druck- und Biegebeanspruchung 787 Typische Formen von Stützenprofilen in Palettenregalen 787 Geometrische Größenverhältnisse 788 Einfluss der Eckradien 788 Einfluss der Profillochungen 789 Instabilitätsformen von Regalstützen unter Druckund Biegebeanspruchung 789 Bemessung von ungelochten Regalstützen unter Druck- und Biegebeanspruchung 790 Bemessung von gelochten Regalstützen unter Druck- und Biegebeanspruchung 793 Bemessung der Diagonalen von Fachwerkstützen unter Druck- und Zugbeanspruchung 794 Bemessung der Palettenträger unter Biegebeanspruchung 795 Versuchsgestützte Bemessung von Palettenregalen nach DIN EN 15512, Anhang A 797 Allgemeines 797 Versuche nach DIN EN 15512, Anhang A 797 Prüfverfahren und Auswertung der Prüfergebnisse 798 Stützendruckversuche 799 Stützenbiegeversuche 801 Stützen-Fußpunkt-Versuch 803 Palettenträger-Stützen-Anschluss – Biegeversuche 806 Palettenträger-Stützen-Anschluss – Scherversuche 808 Schubsteifigkeit der Ständerrahmen 810 Weitere Versuche 812 Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen 813 Allgemeines 813 Bestandteile der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen für Palettenregalsysteme 814

Inhaltsverzeichnis

6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7

Bemessung von Fachbodenregalen 814 Beanspruchung von Fachbodenregalen 814 Tragwerksberechnung von Fachbodenregalen 815 Bauteilversuche 816 Allgemeines 816 Stützendruckversuche 816 Stützenbiegeversuche 816 Prüfung der Schubsteifigkeit des Stützenrahmens 816 Prüfung der Fachböden 817 Prüfung der Spannstreben 818 Sonstige Versuche 818

7 7.1 7.2 7.2.1

759

7.2.3 7.3

Regalinspektion und Instandhaltung 819 Technische Regeln früherer Zeit 819 Der aktuelle Stand 819 Technische Regeln zur Kontrollpflicht und Inspektion von Regalanlagen 819 Praktische Erfahrungen mit der Umsetzung von Inspektions- und Sicherungsmaßnahmen 819 Reparaturmaßnahmen 820 Die zukünftige Entwicklung 820

8

Zusammenfassung und Ausblick 820

9

Literatur 821

7.2.2

Regale aus Stahl

1

Regale aus Stahl

1.1

Lagertechnik

Die Logistikindustrie hat in den letzten Jahren einen immensen Aufschwung erlebt. Eine Vielzahl von Lagern und Regalen mit immer größer werdenden Lagerkapazitäten und zunehmenden Bauhöhen wurden realisiert, um der Forderung der globalen Wirtschaft nach einem größeren, schnelleren Warenumschlag gerecht werden zu können. In modernen Unternehmen, in denen Güter wie Handelsware oder Produktionsstoffe aufbewahrt und bewegt werden müssen, ist eine wohlgeplante und zeitgemäße Lagertechnik unabdingbar, um einen effizienten Materialfluss zu gewährleisten.

Neben der vor äußeren Einflüssen schützenden Aufbewahrung von Gütern leistet eine moderne, zuverlässige Lagertechnik einen wichtigen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit. Dadurch können beispielsweise ausgehende Waren innerhalb kürzester Zeit zum Kunden gebracht oder aber Produktionsprozesse durch eine optimierte innerbetriebliche Logistik beschleunigt und kostengünstig gestaltet werden.

Ein Lager besteht im Allgemeinen aus Regalen, die händisch oder durch Förderzeuge bedient werden, sowie in vielen Fällen aus Fördertechnik, wie beispielsweise Rollenbahnen, und∕oder Kommissioniersystemen zur gezielten Zusammenstellung einzelner Lagergüter zu Versandeinheiten. Hierbei wird zwischen manuell und automatisch (bzw. halbautomatisch) betriebenen Lagern unterschieden: Im ersten Fall erfolgt die Regalbeschickung händisch oder durch personengesteuerte Förderzeuge (z. B. Gabelstapler), während im zweiten Fall automatisierte Förderzeuge, sogenannte Regalbediengeräte, zum Einsatz kommen.

Damit ein Lager möglichst wirtschaftlich betrieben werden kann, müssen dessen Regalstruktur und das Beschickungskonzept unter Berücksichtigung des Lagerguts eng aufeinander abgestimmt sein (Bild 1). Op-

Bild 1. Moderne Lagertechnik (Quelle: SSI Schäfer)

761

timale Flächen- und Volumennutzung sind weitere Anforderungen.

Die Regale bilden die Tragstruktur für einzulagernde Güter. Sie werden typischerweise in leichter Stahlbauweise errichtet. Alle Regalsysteme zeichnen sich durch ein wichtiges spezifisches Merkmal aus: Ein und dasselbe Bauteil kommt sehr häufig vor! Daher ist im Regalbau eine optimierte Auslegung der gleichartigen Bauteile und Querschnitte sowie die Wahl von effizienten Anschlusskonstruktion stets oberstes Ziel, um wirtschaftliche Regalsysteme anbieten zu können und auf dem globalen Markt bestehen zu können.

Im Regalbau kommen vor allem kaltgeformte, dünnwandige, offene Stahlquerschnitte für Stützen und Träger zum Einsatz, die mithilfe einfacher, leicht lösbarer Anschlusskonstruktionen miteinander verbunden sind, um so eine möglichst große Flexibilität in der Nutzung und Umnutzung zu ermöglichen.

Die statisch-konstruktive Ausbildung von Regalsystemen bietet dabei einige Besonderheiten im Vergleich zur traditionellen Stahlbauweise. Die Bemessung von Regalstrukturen muss diesen Besonderheiten gerecht werden und kann daher in vielen Fällen nicht nach dem gültigen europäischen Normenkonzept DIN EN 1993 „Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten“ erfolgen.

Im vorliegenden Beitrag werden die Regalbauweise in Stahl und ihre Ausführungsformen für unterschiedliche Lagergutarten und variierende Ladehilfsmittel (beispielsweise Paletten, Behälter, Kartons etc.) vorgestellt.

Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Darstellung der statisch-konstruktiven Ausführung von typischen Regalstrukturen sowie der Bemessung der kaltgeformten Regalprofile aus Stahl auf der Grundlage des europäischen Normenkonzepts DIN EN 1993 und unter Berücksichtigung zusätzlicher Regelwerke und technischer Empfehlungen, die speziell für den Regalbau entwickelt wurden.

762

12

Regale in Stahlbauweise

Bild 2. Europalette nach DIN EN 13698-1 [24]

1.2

Arten und Funktionen von Regalen

1.2.1

Allgemeines

Zu einer Regalanlage gehören u. a. die Regalstruktur aus Stahlbauteilen, in der das Lagergut mitsamt den Ladehilfsmitteln (beispielsweise Europaletten (Bild 2) oder Kunststoffbehälter) aufbewahrt wird, sowie die

Gasse, über die das Regal entweder durch Personal oder Förderzeug bedient wird.

Die Gasse verläuft parallel zu den in Längsrichtung verlaufenden Regalzeilen, welche sich wiederum in sogenannte „Regalfelder“ unterteilen, die durch die Stützenprofile voneinander getrennt werden (Bilder 3 und 4). Eine Einheit im Regal, die in Längsrichtung durch

Bild 3. Typische Regalstruktur in Stahlbauweise nach DIN EN 15878 [29]

Regale aus Stahl

Bild 4. Typisches Paletten-Regalsystem (aus [56])

die Stützenprofile sowie in vertikaler Richtung durch die Ladungsträger oder Fachböden begrenzt wird, bezeichnet man als „Regalfach“. In einem Regalfach werden in Abhängigkeit von der Auslegung bzw. von der Art des Lagerguts mehrere Ladeeinheiten eingestellt.

Dient beispielsweise im Falle eines Palettenregals ein Regalfach zur Lagerung von drei Paletten nebeneinander, spricht man von einem „Dreiplatzsystem“.

In der statisch-konstruktiven Analyse wird das Regal modellhaft in zwei Ebenen betrachtet. So erhält man

Bild 5. Quer- und Längssystem einer Regalstruktur

763

ein Untersystem, das parallel zur Gasse verläuft, das sogenannte „Längssystem“, und ein Untersystem, welches orthogonal zur Gasse orientiert ist, das sogenannte „Quersystem“. Im automatisierten Lager werden die Köpfe der Regalstützen in Querrichtung durch einen Gangriegel zur Aufnahme einer oberen Führungsschiene miteinander verbunden (s. Bild 5). Die Beschickung der Regale erfolgt nämlich über Förderzeuge, welche über eine am Boden der Gasse verlaufende untere Schiene fahren und sich an dieser oberen Führungsschiene seitlich stützen.

Zur Aussteifung der Regalstruktur in Quer- und Längsrichtung dienen Fachwerkverbände zwischen den Regalstützen, rotationssteife Anschlüsse zwischen Längsträgern und Stützen sowie am Stützenfußpunkt oder Verstrebungen mit Zuggliedern in Form von Flachstählen mit Spannschlössern.

Einen guten Überblick über die einzelnen Bestandteile einer Regalanlage wird in DIN EN 15878 „Ortsfeste Regale aus Stahl – Begriffe“ [29] gegeben.

Eine ausreichend tragende Gründung, speziell im Hinblick auf die punktförmigen Auflagerlasten aus den Stützen, wird vorausgesetzt. In den meisten Fällen ist der Regalkörper mit dem Boden verankert (chemische oder mechanische Bodenanker). Qualität und Geometrie der Bodenplatte müssen aus diesem Grunde bekannt sein, aber auch – zumindest im Falle größerer Regalstrukturen (insbesondere dach- und wandtragende Konstruktionen) –, um eine ggf. nicht vernachlässigbare Interaktion zwischen Regalstruktur und der massiven Bodenplatte bei der Auslegung berücksichtigen zu können.

Der Einsatzbereich von Regalanlagen mit Betrieb durch manuell bedientes oder automatisiertes Förderzeug macht die Definition von Fertigungs- und Montagetole-

764

12

Regale in Stahlbauweise

ranzen sowie zulässigen Verformungsgrenzen notwendig, die nicht mit den Werten des traditionellen Stahlbaus vergleichbar sind, da sie diese deutlich unterschreiten.

Aus diesem Grunde existieren im Regalbau eigenständige Richtlinien und Industrieempfehlungen (FEM 9.831-1 [44], FEM 9.832 [45], DIN EN 15620 [26]).

1.2.2

Palettenregale

Allgemeines Eines der wichtigsten Ladehilfsmittel in der Logistikindustrie überhaupt stellt die Palette dar (Bild 2). Folglich handelt es sich bei dem speziell für die Lagerung von Paletten entworfenen, sogenannten Palettenregal um eine der bedeutendsten Regalarten. Palettenregale sind darüber hinaus aber grundsätzlich auch zur Lagerung anderer Ladehilfsmittel wie z. B. Gitterboxen oder Sonderladungsträger geeignet. Das Palettenregal kommt sowohl in manuell als auch in automatisch betriebenen Lagern zum Einsatz und ist in unterschiedlichen Konstruktionsformen verfügbar, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

Verstellbare Palettenregale Das verstellbare Palettenregal (auch APR – Adjustable Pallet Rack) ist ein weit verbreitetes Regalsystem mit üblichen Bauhöhen zwischen 5 und 10 m. In Verbindung mit hochtragfähigen Gabelstaplern werden auch Höhen von 12,5 m, mit den sogenannten VNA-Trucks (Schmalgangstapler) sogar Bauhöhen bis zu 15 m realisiert. Das verstellbare Palettenregal besteht in Querrichtung aus Ständerrahmen, die aus kaltgeformten

stählernen Stützen- und ausfachenden Diagonalquerschnitten zu einer Fachwerkstütze zusammengesetzt werden. In Ganglängsrichtung verlaufen die Palettenträger, ebenfalls aus kaltgeformten rechteckförmigen, in Einzelfällen auch Σ-förmigen Stahlquerschnitten oder aber aus warmgewalzten Stahlprofilen hergestellt, an deren Enden Trägeranschlusslaschen mit Hakenelementen angeschweißt sind. Die Stützen sind über ihre Länge mit kontinuierlichen Systemlochungen oder -schlitzungen versehen, in die die passenden Hakenelemente, die sich an den Trägeranschlusslaschen befinden, eingeführt werden (Bild 6). Die Palettenträger werden in die Regalstützen eingehängt, um eine möglichst große Flexibilität in der Nutzung und für die Umnutzung zu gewährleisten. Ein geeignetes Konstruktionselement ist als Aushebesicherung vorzusehen, damit ein versehentliches Lösen oder Herausheben des Palettenträgers, insbesondere bei Fehlbedienungen von Gabelstaplern etc., verhindert wird.

Bei der in Bild 6 dargestellten Stützen-Träger-Verbindung mit eingehakter Trägeranschlusslasche handelt es sich im Sinne der DIN EN 1993-1-8 um einen momenten(teil)tragfähigen, rotationssteifen Anschluss, dessen Rotationssteifigkeit in der statischen Berechnung zur Stabilisierung der Regalstruktur in Längsrichtung angesetzt wird. Zumeist genügt diese Aussteifung in Längsrichtung, sodass auf zusätzliche Vertikalverbände verzichtet werden kann.

In Regalquerrichtung erfolgt die Aussteifung durch das in Bild 5 gezeigte Stützenfachwerk. Stützen und Diagonalen werden in der Regel verschraubt. In selteneren Fällen werden auch verschweißte oder vernietete Stützen-Diagonalen-Anschlüsse ausgeführt.

Bild 6. Verstellbares Palettenregal mit Träger-Stützen-Anschluss mittels lösbarer Hakenverbindung (Quelle: SSI Schäfer)

Regale aus Stahl

Bild 7. Geschraubte Längstraversenregale zur Papierlagerung und Palettenlagerung (Quelle: SSI Schäfer)

Geschraubtes Längstraversenregal Insbesondere im Falle automatisierter Regale kommen neben den verstellbaren Palettenregalen auch Regale zum Einsatz, bei denen die Palettenträger und die Stützenprofile durch die im Vergleich zu den Hakenverbindungen weniger nachgiebigen Schraubanschlüssen verbunden sind (Bild 7). Damit wird den höheren Toleranzanforderungen für die automatisierten Regalbediengeräte Rechnung getragen. Bei geschraubten Längstraversenregalen entfallen die Systemlöcher und es werden i. d. R. lediglich positionierte Schraubenlöcher in der Regalstütze, dem sogenannten Ständer, vorgesehen. Für den Palettenträger wird typischerweise ein kaltgeformtes C-Sigma- oder Sigma-Profil eingesetzt.

Dieser Regaltyp erreicht inzwischen Bauhöhen bis zu 30 m.

Die Aussteifung in Regallängsrichtung erfolgt über zusätzliche Vertikalverbände, die mit Horizontalverbänden zusammenwirken, während das Regal in Querrichtung wiederum durch das verschraubte Rahmenfachwerk stabilisiert wird.

Offenes Palettenregal (Quertraversenregal) Für quer in die Lagerfächer eingestellte Ladehilfsmittel, vor allem für Paletten oder Gitterboxen, ist das Quertraversenregal ausgelegt (Bild 8). Hierbei handelt es sich um ein Einplatzsystem, bei dem das Ladegut auf Trageprofilen steht, welche in Regalquerrichtung verlaufen und an den seitlichen Flanschen der Stützenprofile angeschlossen sind. Die Aussteifung in Regallängsrichtung erfolgt über zusätzlich eingebrachte längsverlaufende Träger mit Anschlusslaschen, die wie beim verstellbaren Palettenregal als teilweise rotationssteife Knotenpunkte funktionieren, und∕oder über Vertikalverbände.

Bild 8. Quertraversenregal (Quelle: SSI Schäfer)

765

766

12

1.2.3

Fachbodenregale

Regale in Stahlbauweise

Allgemeines Neben dem Palettenregal ist das Fachbodenregal der am Markt bekannteste Regaltyp. Fachbodenregale werden sowohl im privaten als auch im Industriebereich verwendet, denn gerade dort ist zur Kostenreduzierung eine effiziente Nutzung von Lagerfläche unerlässlich. Je nach Größe und Gewicht der Ladung kommen speziell auf die Anforderungen ausgelegte Systeme zum Einsatz. Fachbodenregale dienen der Einlagerung kleiner Ladeeinheiten, die beim Kommissionieren ohne mechanische Hilfsmittel per Hand bewegt werden. In der Regel werden Ladeeinheiten (Einzelgewichte) von bis zu 25 kg gehandhabt.

Fachbodenregale lassen sich in die in den folgenden Abschnitten genannten Kategorien gliedern.

Freistehende Regale bis 3 m Höhe (ohne bühnentragende Funktion) Für kleine Hallen sind freistehende Fachbodenregale eine übliche Lösung zum Lagern kleinteiliger Artikel (Bild 9). Die Ein- und Auslagerung der Waren erfolgt bodeneben und der Einlagerungsprozess geht in der Regel ohne Hilfsmittel vonstatten. In manchen Fällen

können Leitern den Zugriff auf die Ware erleichtern. In diesen Fällen ist eine Fußverdübelung anzuordnen, um die Stabilität des Regals sicherzustellen. Ansonsten ist für freistehende Regale, welche ein Höhen-∕Tiefenverhältnis von 5:1 nicht überschreiten, keine Verdübelung vorgesehen. Kommissioniergänge gliedern die Regalzeilen. Es können zeitgleich mehrere Kommissionierer agieren, sodass auf diese Weise ein hoher Umschlag möglich ist.

Die Tragfähigkeit für diese Fachbodenregale kann durch komplette 1:1-Aufbauversuche (Versuch im Originalmaßstab) beurteilt werden. Die Bauteilversuche sind auf europäischer Ebene in der FEM 10.2.06-1 [42] festgelegt. Eine Gütesicherung für Lager- und Betriebseinrichtung auf nationaler Ebene kann über die Einhaltung der Güte- und Prüfbestimmungen RAL-RG 614∕ 1 [51] und dem Gütezeichen des Verbandes für Lagerund Betriebseinrichtungen e. V. erfolgen.

Freistehende Regale über 3 m Höhe (ohne bühnentragende Funktion) Sind hohe Lagerhallen vorhanden, ist eine effiziente Raumnutzung zur Kostenreduzierung gefragt. Fachboden-Hochregale bieten hierbei eine Alternative, denn Bauhöhen bis zu 12 m und mehr sind möglich (Bild 10).

Bild 9. Freistehendes Fachbodenregal (< 3 m Höhe) (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

Bild 10. Freistehendes Fachbodenregal (> 3 m Höhe) (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

Regale aus Stahl

Um die oberen Fachbodenebenen zu erreichen, sind entsprechende Bediengeräte erforderlich. Die Ein- und Auslagerung der Waren erfolgt per Hand, wird jedoch durch geführte, freifahrende Regalbediengeräte unterstützt. Eine mögliche Abwandlung kann durch spezielle Bediengeräte erfolgen, welche sich direkt auf Fahrschienen bewegen. Hierbei werden die Antriebskräfte über die auf dem Boden verankerten Schienen abgetragen. Im Kopfbereich werden die Führungskräfte über zusätzliche Führungsschienen aufgenommen und in die Regalstruktur abgeleitet.

Die Tragfähigkeit von Fachbodenregalen über 3 m Bauhöhe wird durch Berechnung und Verwendung von Einzel-Komponenten-Versuche beurteilt (FEM 10.2.06-2 [43], RAL-RG 614-1 [51]).

Automatische Kleinteilelager (AKL), welche sich zusätzlich durch einen automatisierten Lagerungsvorgang auszeichnen, werden in gesonderten Regelwerken behandelt und fallen nicht unter die Kategorie Fachbodenregal.

Fachbodenregale mit bühnentragender Funktion – Geschossanlagen Eine Investition in Regalbediengeräte rechnet sich gerade bei kleinen und mittleren Anlagengrößen nicht immer. Hier bieten Geschossanlagen eine preiswertere Alternative zu Fachbodenhochregalen. Durch Anordnung von bis zu vier Geschossen kann die Hallenhöhe optimal genutzt werden und es werden Bauhöhen von 10 m und mehr erreicht (Bild 11). Die Ein- und Auslagerung der Waren erfolgt per Hand und kann in mehreren Etagen zeitgleich durchführt werden. Dies ermöglicht eine hohe Kommissionierleistung. Die Kommissioniergänge werden häufig direkt an die Regalstützen angebunden und leiten ihre Lasten in die Regalkonstruktion ein. Neben hochfesten Spanplatten kommen Gitterroste sowie Stahlpaneele als Bühnenbelag zum Einsatz. Der Zugang zu den einzelnen Etagen wird über integrierte Treppen oder Aufzüge gewährleistet.

Die Anlieferung von Waren erfolgt häufig an sogenannten Übergabeplätzen durch Unterstützung von Staplern. Palettierte Ware wird in definierten Bereichen mit

767

Schiebegeländern oder Schwenkschleusen übergeben und anschließend innerhalb der Regalanlage verteilt.

Alternativ kann die Ware in Aufzügen in die jeweilige Etage befördert werden.

Die Tragfähigkeit dieser Regale wird durch Berechnung und Verwendung von Einzelkomponentenversuchen beurteilt (FEM 10.2.06-2 [43]; RAL-RG 614∕3 [52]).

Regalstruktur und -komponenten Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher, herstellerspezifischer Fachboden-Regalsysteme in Stahlbauweise, die jedoch meist eine ähnliche Grundstruktur aufweisen.

Die primären Bauteile bzw. Grundkomponenten von Fachbodenregalen sind die vertikalen Rahmenstützen, die horizontalen Fachböden sowie die jeweiligen Aussteifungskomponenten in Quer- und Längsrichtung des Fachbodenregals.

Wie bei den Palettenregalen (s. Abschn. 1.2.2) liefern die ausgefachten Regalstützen die Stabilität der Regalstruktur in Querrichtung. Die konstruktive Ausbildung der aussteifenden Ständerrahmen erfolgt jedoch, abweichend von einem typischen Palettenregalsystem mit seinen Diagonalenverbänden, in einer Vielzahl von Varianten. Die Aussteifung kann über einen Vollwandrahmen realisiert werden (Bild 12, 5). Eine gängige Lösung ist die Ausbildung eines Fachwerkverbandes in Varianten (Bild 12, 2, 3, 6). Ferner können horizontale Bindebleche die Regalstützen über ein biegesteifes Rahmensystem untereinander aussteifen (Bild 12, 4). In geschraubten Systemen übernehmen die Fachböden diese Funktion teilweise direkt (Bild 12, 1). Die Verbindung der einzelnen Rahmenkomponenten kann durch Steckoder Schraubelemente erfolgen. Niete oder Clinchverbindungen erweitern die Möglichkeiten.

Einteilig ausgebildete Rahmen mit ausgeformten Stützen runden das Spektrum ab.

Auch die in Fachbodenregalen verwendeten Stützentypen sind hinsichtlich ihrer Geometrie deutlich vielfältiger im Vergleich zu Palettenregalen. Gängige kaltgeformte Stützen aus Stahl finden sich in der „T“- oder „Ω“-Form. Varianten mit Kastenprofilen, „U“- oder „C“-Profilen sind gleichfalls vertreten (Bild 13).

Bild 11. Fachbodengeschossanlage (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

768

12 Regale in Stahlbauweise 1) durch die Fachböden direkt 2) durchgehende Zugstreben 3) abschnittsweise Zugstreben 4) Tiefenriegel∕Tiefensteifen 5) durchgehende Vollwände 6) Fachwerksstreben

1)

2)

3)

4)

5)

6)

Bild 12. Ständerrahmen von Fachbodenregalen – Aussteifungsvarianten (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

Bild 14. Längsaussteifung von Geschossanlagen mit Spannstreben

struktur in Regallängsrichtung ausgebildet, welche mit der eines Palettenregals vergleichbar ist (s. Abschn.

1.2.2). Eine Mischung der verschiedenen Aussteifungskonzepte ist möglich.

Fachböden Bild 13. Stützengeometrien von Fachbodenregalen

Die gebräuchlichste Aussteifungsvariante von Fachbodenregalen in Ganglängsrichtung stellen vertikale, gekreuzte Spannstreben in der Rückwandebene dar (Bild 14). Hierbei werden die Spannstreben mittels Haken in die Regalstruktur eingebunden. Schraub- oder Nietverbindungen sind weitere Alternativen.

Die Aussteifung des Regals in Längsrichtung über eingebaute Rückwände kann alternativ ausgeführt werden. In Fällen beidseitiger Bedienung kommen Längstraversen mit halbsteifen Hakenverbindungen zum Einsatz, um den Zugriff zu den Fächern auch auf der Regalrückseite freizuhalten. So wird eine Rahmen-

Fachböden werden meist aus einem einteiligen Blechzuschnitt gefertigt und kalt verformt. Ihre Tragfähigkeit erlangen die Böden durch die Ausbildung von biegetragfähigen, versteifenden Längs- und Querträgern (Kasten- oder C-förmig) an den Rändern, den sogenannten Kanalgeometrien, die eine hohe Fachlast zulassen (bis ca. 300 kg). Zusätzliche, längsversteifende Träger können zur Reduzierung der Durchbiegung des Fachbodens sowie zur weiteren Traglaststeigerung genutzt werden.

Mehrteilige Fachböden (Paneele) finden sich häufig in Weitspannregalen und werden mit Längstraversen kombiniert. Es können auch Fachböden aus Holz eingesetzt werden.

Bild 15. Handelsüblicher Fachboden eines Fachbodenregals (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

Regale aus Stahl

a) Fußplatten b) Rahmen mit Fachwerk c) Unterzüge d) Belag (Paneel oder Spanplatte) e) Längstraverse

Eine Besonderheit der Fachbodenregale ist die konstruktive Anbindung der Fachböden an die Regalstützen. Dieser zumeist punktförmige Anschluss an den Ecken der Fachböden hat sich herstellerspezifisch stark unterschiedlich entwickelt und wird daher in großer Vielfalt angeboten. Die Verbindung erfolgt oft durch spezielle, an den Fachboden angepasste Steckverbindungen und -bauteile. Die Fachböden werden entweder in, aus der Stütze kaltverformte Taschen oder in gesonderte Fachbodenhalter eingesteckt. Eine Systemlochung in der Stütze nimmt die Halter auf und ermöglicht eine feine Verstellbarkeit der Fachbodenhöhen.

Kleinteilige Raster der Stützenlochung zwischen 25 und 50 mm sind üblich.

Unter statisch-konstruktiven Gesichtspunkten muss zwischen Anschlüssen ohne (1) und mit Spiel in der Verbindung (2) unterschieden werden (Bild 17). Fachböden des Typs (1) bieten eine rotationssteife Verbindung zwischen Stütze und Fachboden, dies reduziert die Biege(drill)knicklängen der Stützen für die statische Bemessung (Bild 18).

Schraubverbindungen sind aufgrund des hohen Montageaufwands seltener vertreten. Sie bieten jedoch den Vorteil, dass die Verbindung zwischen Fachboden und Stütze rotationssteif ist und somit zur Aussteifung des Fachbodenregals herangezogen werden kann. Zusätzliche Stahlbauteile wie Eckplatten oder Winkel in den Fachbodenecken können die Aussteifung weiter verbessern. Schraubregale verfügen meist über gelochte Stützen in Winkelform (Bild 19).

Bild 16. Fachboden Weitspannregal (Auszug aus DIN 15878 [29])

a) Stütze mit Systemlochung b) Fachboden c) Aussteifungselement ∕ Eckplatte d) Fachbodenunterzug Bild 17. Alternative Fachboden-Halter; 1) ohne und 2) mit Spiel

769

Bild 19. Fachbodenanschluss – geschraubt

Bild 18. Fachbodenhalter Typ (1) vor und nach dem Einbau des Fachbodens (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

770

12 Regale in Stahlbauweise

tung aus. Hierbei ist das statische Modell in der gangseitigen Ebene mit der gangabgewandten Ebene gleich.

Die Aussteifung von üblichen Fachbodenregalen unterscheidet sich jedoch in der vorderen und hinteren Ebene (Bild 20).

Während bei Fachbodenregalen die hintere Stützenebene direkt an die Verbände angeschlossen ist, wird die vordere Stützenebene über die Fachböden stabilisiert und so mit der rückseitigen, ausgesteiften Ebene verbunden. Den zumeist einteiligen, schubsteifen Fachböden kommt dabei eine Doppelfunktion zu. Neben der Aufnahme der Lagerlasten als Vertikallasten fungieren sie in Fachbodenebene als Scheibe, die die gangseitigen Horizontallasten in die hintere Verbandsebene ableitet.

Als vereinfachtes statisches Modell lässt sich hier ein Fachwerkverband in Fachbodenebene nutzen (Bild 21). Über eine Zugstrebe im Fachboden werden die H-Lasten in die hintere Ebene transferiert. Die große Anzahl von Fachböden hat einen positiven Einfluss auf die Stabilität des Fachbodenregals.

1.2.4 1) Fachboden 2) Regalrahmen 3) Streben 4) Bühnenebene Bild 20. Räumliches Aussteifungskonzept eines Fachbodenregals

Aussteifung von Fachboden-Regalsystemen Weitspannregale wie auch Palettenregale bilden mit ihren Traversen bzw. Palettenträgern, welche mit rotationssteifen Hakenverbindungen in die Stützen eingehängt werden, eine Rahmenstruktur in Regallängsrich-

1) gangseitige H-Last 2) resultierende Zuglast im Fachboden 3) weitergeleitete H-Last in der Verbandsebene 4) Fachboden Bild 21. Mitwirkung des Fachbodens bei der Aussteifung des Regalsystems – statisches Modell als Scheibe

Dach- und wandtragende Hochregalanlagen (Silos)

Sind an der Regalstruktur die Wand- und Dachelemente der Gebäudehülle befestigt (Bild 22), spricht man in der Regalbauindustrie von einem „Hochregalsilo“ oder auch kurz „Silo“, und zwar ohne mit dieser Bezeichnung, wie im Bauingenieurwesen üblich, an die Aufbewahrung von Schüttgut zu denken. Die Höhe (Distanz zwischen Oberkante Bodenplatte und Dachfirst) einer derartigen Stahlkonstruktion liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 25 und 45 m.

Bei einem dach- und wandtragenden Hochregallager handelt es sich somit um eine Regalstruktur, welche neben den Belastungen aus Eigengewicht, Lagergut, Imperfektionen, Fördertechnik und ggf. Erdbeben auch die Wind- und Schneelasten abträgt.

Bis auf einige wenige Ausnahmen mit geringeren Abmessungen werden Hochregalsilos durch automatische Förderzeuge unterschiedlicher Art (Abschn. 1.3) bedient.

Die Regalstruktur aus Stahl setzt sich in der Regel aus kaltgeformten Stützen-, Fachwerkdiagonal-, und Längsträgerprofilen zusammen, die über Schraubanschlüsse miteinander verbunden sind. In Querrichtung erfolgt die Aussteifung durch die Stützenfachwerke, während in Regallängsrichtung die horizontalen Lasten aus Abtrieb, Wind und ggf. Erdbeben durch zusätzliche Verbandstürme und Horizontalverbände aufgenommen werden. Über den Stützenköpfen verlaufen Dachträger in Querrichtung, die die Gesamtstruktur versteifen und gleichzeitig der Aufnahme der oberen Führungsschienen dienen und so zur Stabilisierung der automatischen Förderzeuge beitragen.

Hochregallager in Silobauweise sind auf individuelle Bedarfe entworfene und konstruierte Regalstrukturen.

Obwohl Geometrien und insbesondere die grundlegen-

Regale aus Stahl

771

, Bild 22. Hochregalsilo während der Montage (Quelle: SSI Schäfer)

den, entwurfsbestimmenden Lagerkonzepte sehr unterschiedlich ausfallen können, kann eine Silokonstruktion in den überwiegenden Fällen in die folgenden typischen Bestandteile gegliedert werden (Bild 23): – Die Vorzone befindet sich zwischen der vorderen Giebelwand und dem Regalhauptblock und umfasst Fördertechnik, Übergabeplätze zur Ladegutübergabe von oder an Förderzeuge und in vielen Fällen Bühnen.

– Der Regalhauptblock besteht aus den Regalfeldern mitsamt Dachträgern und Gassen, in denen sich die Förderzeuge in Regallängsrichtung bewegen. Der

Bild 23. Aufbau eines Hochregalsilos (Quelle: SSI Schäfer)

Regalhauptblock ist der größte Bestandteil eines Hochregalsilos und wird nahezu ausnahmslos als möglichst leichte Stahlkonstruktion ausgeführt.

– Die Nachzone ist zwischen der letzten Regalachse und der rückwärtigen Giebelwand angeordnet. Lediglich in einigen Fällen ist hier Fördertechnik untergebracht.

– Die Verbandstürme zur Stabilisierung der Regalstruktur in Längsrichtung sind in Abhängigkeit vom vorliegenden Lagerkonzept im Regalhauptblock oder in der Vor- und Nachzone integriert.

772

12

1.2.5

Weitere Regaltypen

Regale in Stahlbauweise

Neben den oben beschriebenen Regaltypen gibt es für unterschiedliche Ladehilfsmittel, Ladegutarten und Platzbedarfe eine Vielzahl weiterer Konstruktionsformen und Unterarten. Für einen kurzen Überblick werden hier weitere gängige Regalstrukturen in aller Kürze

a) Palettendurchlaufregal

zusammengefasst, ohne dass ein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben wird.

Palettendurchlaufregale (Bild 24a) Bei diesem Regaltyp, der nach dem Prinzip „First-inFirst-out“ betrieben wird, wird das Lagergut zur Bereit-

b) Einfahrregal

c) automatisches Kleinteilelager

d) Kanallager

e) Weitspannregal

f) Kragarmregal

g) Verschieberegal

h) Fachbodendurchlaufregal

Bild 24. Weitere Regaltypen (Quelle: SSI Schäfer)

Regale aus Stahl

stellung anstatt auf Träger auf leicht geneigte Rollenbahnen gesetzt. Die Einlagerung erfolgt über das höher liegende Ende einer Rollenbahn, während die Auslagerung am niedriger liegenden Ende stattfindet. Das Lagergut reiht sich hierdurch platzsparend im Regal aneinander, sodass eine kompakte Lagerung ermöglicht wird.

Einfahrregale und Durchfahrregale (Bild 24b) Dieser Regaltyp wird in den meisten Fällen mit Paletten als Ladehilfsmittel verwendet. Ein Regalblock umfasst mehrere hintereinander stehende Regalrahmen, an deren Stützen Konsolen befestigt sind, die wiederum eine Schiene tragen, auf die das Lagergut aufgestellt wird.

Der Stapler fährt während des Ein- oder Auslagerungsvorgangs in das Regal hinein. Vorteil ist wiederum die platzsparende, sehr kompakte Lagerung.

Wird dieser Regaltyp nur von einer Seite beschickt, sodass das Lagerprinzip „First-in-Last-Out“ angewendet wird, spricht man von einem „Einfahrregal“. Ist die Beschickung von beiden Seiten möglich, verwendet man die Bezeichnung „Durchfahrregal“.

Automatische Kleinteilelager (Bild 24c) Kleinteile werden in vielen Fällen in Behältern oder Kartonagen gelagert. Regale, die durch automatische Förderzeuge beschickt werden und speziell für diese Ladehilfsmittel ausgelegt sind, bezeichnet man als Automatische Kleinteilelager. Bei größeren Anlagen werden Automatische Kleinteilelager auch in Silobauweise ausgeführt (s. Abschn. 1.2.4).

Kanallager für Paletten (Bild 24d) Beim Kanallager verlaufen in einem Regalfach Schienenprofile in Regalquerrichtung. Das Ladegut steht auf den oberen Flanschen der Schienen, während sich über den unteren Flanschen ein sogenannter Shuttle bewegt, der das Lagergut trägt und so über den Schienen zur Ein- oder Auslagerung verfährt. Der Shuttle wird entweder durch einen manuell bedienten Stapler oder durch ein automatisches Regalbediengerät in die Kanäle gebracht.

Weitspannregale (Bild 24e) Bei dem Weitspannregal handelt es sich in den meisten Fällen um ein händisch betriebenes Regal, das dem Palettenregal ähnelt, aber durch die kleineren Profilquerschnitte und Abdeckungen der Regalfächer speziell zur Lagerung von leichteren Gütern bzw. Kleinteilen in Behältern oder Kartonagen konzipiert ist.

Kragarmregale (Bild 24f) Zur Lagerung vor allem von Langgut sind Kragarmregale geeignet, die aus einem senkrechten Ständerprofil bestehen, an dem Kragarme zur Lastaufnahme befestigt sind. Abhängig von dem Lagergutgewicht und dem

773

Anbieter der Regaltechnik bestehen Kragarmregale aus kaltgeformten oder warmgewalzten Stahlprofilen.

Verschieberegale (Bild 24g) In Fällen mit wenig Platzangebot und geringeren Beschickungsgeschwindigkeiten werden Regale auf motorisierten oder händisch betätigten Verschiebewagen montiert. Damit ergibt sich ein kompakter Regalblock, bei dem lediglich jeweils die für das Förderzeug oder für das Personal benötigte Gasse durch Auseinanderfahren der Regalzeilen geöffnet und damit nutzbar wird. Bei den auf den Verschiebewagen stehenden Regalen kann es sich beispielsweise um verstellbare Palettenregale, Kragarmregale oder auch Fachbodenregale handeln.

Fachbodendurchlaufregal (Bild 24h) Zur Lagerung und Bereitstellung von Behältern mit Kleinteilen werden Fachbodendurchlaufregale verwendet, bei denen das Lagergut anstelle auf Längs- oder Querträgern auf leicht geneigt eingebauten Röllchenbahnen steht. Die Einlagerungsseite befindet sich am höherliegenden Ende, während der niedrigere Teil die Entnahmeseite umfasst, sodass hier das Lagerprinzip „First-in-First-out“ angewendet wird.

1.3

Regalbediengeräte und Beschickung

1.3.1

Flurförderzeuge nach Regalklassen

Allgemeines Der sichere Betrieb einer Regalanlage erfordert naturgemäß den Einsatz geeigneter Flurförderzeuge. DIN EN 15620 [26] definiert deshalb bestimmte Regalklassen, die normativ Standards für die zulässigen Grenzabweichungen, Verformungen und Freiräume für verstellbare Palettenregale festlegen. Jeder Regalklasse werden geeignete Bediengeräte bzw. Bediengerätegruppen zugeordnet, die allgemein für diese Regalklasse geeignetes Gerät beschreiben.

Klasse 100 – bedient durch Regalförderzeuge Regalförderzeuge sind so ausgelegt, dass der benötigte Arbeitsgang in der Regalanlage nur wenig breiter ist als das Fahrzeug selbst bzw. die zu befördernde Ladeeinheit. Das Fahrzeug wird von im Boden und an der Decke verlaufenden Schienen gehalten. Ein Betrieb ist sowohl manuell als auch automatisch möglich, jedoch ist das Fahrzeug nicht zur Beförderung eines Bedieners geeignet. Dieses Bediengerät für die Klasse 100 verfügt über kein Feinpositionierungssystem und wird im Allgemeinen in Lagersystemen mit einer Höhe von weniger als 18 m verwendet.

Klasse 200 – bedient durch Regalförderzeuge Diese Geräte unterscheiden sich von den zur Klasse 100 zugehörigen Geräten lediglich dadurch, dass sie über

774

12

Regale in Stahlbauweise

Bild 26. Kommissionierer∕Dreiseitenstapler der Klasse 300 A (Quelle: Jungheinrich AG)

Klasse 300 A – Fahrzeuge mit hebbarem Fahrerplatz In dieser Fahrzeuggruppe wird die Bedienperson zusammen mit der Ladeeinheit angehoben und abgesenkt. Ein typisches Beispiel zeigt Bild 26.

Bild 25. Regalbediengerät (Quelle: Jungheinrich AG)

ein Feinpositioniersystem an den Lagerplätzen der Ladeeinheiten verfügen.

Klasse 300 – Fahrzeuge im Schmalgang Für die Regalklasse 300 sind Fahrzeuge so ausgelegt, dass zwar die Ladeeinheit im Arbeitsgang zwischen den Regalzeilen bewegt werden kann, das Grundgerät sich jedoch nicht drehen lässt. Diese Fahrzeuge sind geeignet für den Einsatz in sehr schmalen Gängen (engl.

VNA – Very Narrow Aisle). Innerhalb der Klasse 300 wird unterschieden zwischen Fahrzeugen mit und ohne hebbaren Fahrerplatz. Das Fahrzeug wird im Gang entweder durch seitliche Führungsschienen am Boden oder durch im Boden eingelassene Leitlinien geführt.

a)

Klasse 300 B – Fahrzeuge ohne hebbaren Fahrerplatz In dieser Fahrzeuggruppe bleibt die Bedienperson am Boden und lediglich die Ladeeinheit wird angehoben und abgesenkt (Bild 27). Vorteil dieses Systems ist eine erhöhte Tragfähigkeit des Fahrzeugs.

Klasse 400 – Regalanlagen mit breiten und schmalen Gängen Sowohl für die in breiten als auch die in schmalen Gängen eingesetzten Fahrzeuge gilt, dass der Gabelstapler eine 90°-Drehung hin zur Regalfront durchführt, um die Palette ein- bzw. auszulagern.

Klasse 400 – Breitgangregale Beispiele für typische Fahrzeuge dieser Klasse sind in Bild 28 gezeigt.

b)

Bild 27. Dreiseitenstapler der Klasse 300 B mit a) Frontsitz und b) Quersitz (Quelle: Jungheinrich AG)

Regale aus Stahl

a)

775

b)

Bild 28. a) Elektro-Dreiradstapler und b) Diesel-Vierradstapler der Klasse 400 (Quelle: Jungheinrich AG)

a)

b)

Bild 29. a) Elektroschubmaststapler und b) Vertikalkommissionierer als Sonderform (Quelle: Jungheinrich AG)

Klasse 400 – Regalanlagen mit schmalen Gängen Diese Regalanlagen sind für Gänge mit einer verringerten Breite ausgelegt, die mit Spezialstaplern, sogenannten Schubmaststaplern (Bild 29) bedient werden.

1.4

Fertigung

1.4.1

Profilierung von Regalprofilen

Die Herstellung von Regalbauteilen aus Stahl erfolgt in aller Regel über automatisierte und verkettete Maschinen und Rollformanlagen. Typisch für die Fertigung von Stützen und Traversen sind z. B. Profilieranlagen mit Haspel, Stanzeinheit, Rollenwerkzeugen und Trenneinheit (Bild 30). Mithilfe dieser Maschinen ist es z. B. möglich, aus Coilmaterial Stützen mit Systemlochungen herzustellen. Besonderes Augenmerk muss dabei auf die Profilgenauigkeit und Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen gelegt werden. Insbesondere muss das Zusammenwirken mehrerer Bauteile mit den jeweiligen Toleranzbandbreiten betrachtet werden.

Eine schematische Darstellung des Produktionsprozesses zeigt Bild 31. Die einzelnen Stufen des Rollprofilie-

rens von kaltgeformten Regalstützenprofilen ist in Bild 32 dargestellt.

Störende Einflüsse während des Produktionsprozesses können Abriebe aus Verzunderung, Zinkauflage, Öle und Schmierstoffe sein.

Bild 30. Profilieranlage zur Fertigung eines Regalstützenprofils (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

776

12

Regale in Stahlbauweise

, Bild 31. Schematische Darstellung des Kaltumformungsprozesses von Regalprofilen

Bild 32. Verschiedene Produktionsstufen bei der Kaltprofilierung von Regalprofilen

1.4.2

Werkstoffe

Für die Kaltprofilierung der Regalprofile ist die Auswahl eines geeigneten Stahlwerkstoffs mit hinreichenden Festigkeitseigenschaften und ausreichendem Zähigkeitsverhalten zwingend erforderlich. Auch muss eine Mindestanzahl an Rollensätzen in der Profilieranlage gewählt werden, um die Kaltprofilierung langsam und schrittweise vorzunehmen. Andernfalls besteht die Gefahr von Rissbildung in den Verformungsbereichen der Stahlprofile. Da ein Korrosionsschutz gemäß den Technischen Baubestimmungen erforderlich ist, kann entweder Warmband mit anschließender Pulverbeschichtung bzw. Lackierung gemäß DIN EN ISO 12944-2 [37] oder schmelztauchveredeltes Kaltband nach DIN EN 10346 [22] eingesetzt werden.

Bei vielen Palettenregalsystemen wird bevorzugt ein kontinuierlich feuerverzinktes Blech der Stahlsorte S 350 GD + Z nach DIN EN 10346 verwendet. Diese Stahlsorte ist in DIN EN 1993-1-3 [35], Tabelle 3.1b der allgemeinen Bemessungsnorm für kaltgeformte Bauteile und Bleche, aufgeführt und daher für eine Kaltumformung geeignet. Auch DIN EN 15512 [25] für ortsfeste Palettenregale bezieht sich bei den Materialangaben auf die Vorgaben der DIN EN 1993-1-3. Weitere Angaben zu den einzusetzenden Werkstoffen im Regalbau können der RAL RG 614 [51] entnommen werden.

Wichtig ist die Einhaltung der Materialdickentoleranzen für das Blechmaterial, das max. 50 % der in DIN EN 10143 [21] als „normal“ angegebenen Toleranzen betragen sollte. In diesem Fall entspricht die Stahlkerndicke tcor nach DIN EN 1993-1-3 [35] (und daher auch nach DIN EN 15512 [25]) der in der Bauteilbemessung zu verwendenden Bemessungsdicke t. Sollten diese besonderen Toleranzen (S) nach DIN EN 10143 nicht eingehalten werden können, muss nach DIN EN 1993-

1-3 eine Abminderung der in der Bemessung anzusetzenden Stahlkerndicke t in Abhängigkeit der Toleranzwerte vorgenommen werden (s. auch [11]). Dies ist bei der Materialbestellung zu berücksichtigen.

Ferner ist zu beachten, dass der Prozess des Kaltprofilierens zu einer Kaltverfestigung des Materials in den verformten Eckbereichen des Querschnittes führt.

Diese Erhöhung der Materialfestigkeit wird meist bei der Bemessung der Regalprofile nicht ausgenutzt. In der statischen Berechnung wird vielmehr mit den Materialwerten der Grundwerkstoffe gearbeitet (s. auch [11]).

1.4.3

Herstellung von Fachböden

Die Fertigung von Fachböden, Paneelen, Tablaren und anderen Blechbauteilen erfolgt entweder über Stanzund∕oder Biegemaschinen für kleinere Stückzahlen oder auch über verkettete Sondermaschinen für größere Stückzahlen. Die Materialzuführung bei den Sondermaschinen kann direkt über das Coil oder über Platinen erfolgen. Nach dem Abhaspeln muss das Coilmaterial gerichtet werden, um einen spannungsarmen und ebenen Blechzuschnitt zu erhalten. Im Anschluss durchläuft die Platine verschiedene Stanz-, Biege-, Profilier-, Schweiß- und∕oder Druck-Füge-Stationen, bis letztendlich das Fertigbauteil hergestellt ist (Bild 33).

Bild 33. Beispiel für eine Biegestation einer Fachbodenproduktionsanlage (Quelle: META-Regalbau GmbH & Co. KG)

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Stand: April 2015 (homepage_Probekapitel)