Stahlhochbau: Entwurf und Bemessung von Hallen und Geschossbauten

Die deutsche Ausgabe des Buches TGC 11 "Charpentes Métalliques" der EPF Lausanne baut auf dem deutschen TGC 10 "Stahlbau - Grundbegriffe und Bemessungsverfahren" auf und erläutert Entwurf und Bemessung von Stahlhochbauten. Die Verweise auf SIA Tragwerksnormen wurden aktualisiert sowie Hinweise auf die Eurocodes 3 und 4 eingefügt. Zuerst wird der Entwurf von Hallen und Geschossbauten behandelt: Konstruktionskriterien, Tragsysteme sowie die Lastweiterleitung. Nachfolgend werden die entsprechende Bemessung und Dimensionierung dargelegt. Zum einfachen Entwerfen und sicheren Bemessen von Stahlhochbauten sind Formeln und Richtwerte, anschauliche Zeichnungen sowie Rechenbeispiele aufgeführt. Das Buch setzt grundlegende Kenntnisse der Baustatik oder der Tragwerkslehre sowie der Normen voraus. Es richtet sich insbesondere an Studierende des Bauingenieurwesens und der Tragwerkslehre sowie an Ingenieure in Planungsbüros, Unternehmen und Verwaltung, die sich mit Stahlhochbauten beschäftigen.

Table of Contents:
Über Die Autoren xiii Vorwort xv Bezeichnungen xvii 1 Einleitung 1 1.1 Grundlagen, Hochbau, Brückenbau 1 1.2 Aufbau und Inhalt 1 1.3 Dokumente und Referenzen 2 1.3.1 Normen und Empfehlungen 2 1.3.2 Andere Referenzen 4 1.4 Konventionen 6 1.4.1 Terminologie und Typologie 6 1.4.2 Achsen 6 1.4.3 Verständigung und Vorzeichen 7 1.4.4 Einheiten 7 1.5 Kurzer historischer Abriss des Stahlhochbaues 7 1.5.1 18. und 19. Jahrhundert 7 1.5.2 Erste Hälfte des 20. Jahrhunderts 11 1.5.3 Zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts 14 1.6 Literaturverzeichnis 20 2 Entwurf und Stabilisierung von Hallen und Geschossbauten 21 2.1 Einleitung 21 2.2 Aus Ebenen gebildete Tragstrukturen 21 2.2.1 Form von Strukturen 21 2.2.2 Kraftverlauf und Zerlegung der Struktur 23 2.2.3 Rahmen aus Doppel-T-Profilen 25 2.2.4 Fachwerkbinder 32 2.2.5 Andere Binderformen 33 2.2.6 Rahmenstützen 34 2.3 Stabilisierung von Hallen 37 2.3.1 Windverbandsysteme 37 2.3.2 Abtragung der Horizontalkräfte 40 2.3.3 Begrenzung der Deformationen 41 2.3.4 Stabilisierung der Tragelemente 44 2.3.5 Stabilisierungselemente 46 2.3.6 Windverbände in geneigten Dächern 50 2.4 Shedkonstruktionen 52 2.4.1 Von der Haupttragstruktur unabhängige Shedkonstruktionen 53 2.4.2 In der Tragstruktur integrierte Shedkonstruktionen 54 2.4.3 Stabilisierung von Shedhallen 55 2.5 Typische Tragstrukturen von Geschossbauten 59 2.5.1 Gelenkige Strukturen 59 2.5.2 Tragstrukturen mit zentralem Kern 60 2.5.3 Konstruktionen mit steifen Rahmen 64 2.5.4 Strukturen mit rohrförmigem Grundriss 68 2.5.5 Anordnung vertikaler Tragelemente 70 2.5.6 Windverbände 72 2.5.7 Systeme von Balkenlagen 74 2.6 Räumliche Strukturen 77 2.6.1 Trägerroste 78 2.6.2 Raumfachwerke 78 2.6.3 Gekrümmte Oberflächen 81 2.6.4 Faltwerke 84 2.7 Sonderkonstruktionen 85 2.7.1 Hängekonstruktionen 85 2.7.2 Gespannte Konstruktionen 86 2.7.3 Membranstrukturen 88 2.8 Rechenbeispiel 89 2.8.1 Tragsystem einer Industriehalle 89 2.8.2 Einwirkungen und Reaktionen auf die Industriehalle 92 2.9 Literaturverzeichnis 96 A2 Anhang 97 A2.1 Empirische Regeln für die Vordimensionierung 97 3 Pfetten und Fassaden-Unterkonstruktionen 99 3.1 Einleitung 99 3.2 Pfetten 99 3.2.1 Funktion der Pfetten 99 3.2.2 Einwirkungen und Gefährdungsbilder 100 3.2.3 Statische Systeme 102 3.2.4 Berechnung der Auswirkungen und Deformationen 104 3.2.5 Querschnittswiderstände 105 3.2.6 Tragsicherheit 107 3.2.7 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 113 3.3 Fassaden-Unterkonstruktionen 113 3.3.1 Funktion der Fassaden-Unterkonstruktionen 113 3.3.2 Zu betrachtende Lasten 115 3.3.3 Statische Systeme 117 3.3.4 Nachweis der Tragsicherheit 117 3.3.5 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 119 3.4 Rechenbeispiele 119 3.4.1 Bemessung einer Pfette 119 3.4.2 Bemessung eines Riegels 124 3.4.3 Bemessung eines Kassettenprofils 129 3.5 Literaturverzeichnis 131 4 Blechverbunddecken 133 4.1 Einleitung 133 4.1.1 Profilbleche 134 4.1.2 Verbindung zwischen Blech und Beton 134 4.1.3 Zu berücksichtigende Einwirkungen 136 4.2 Bemessung des Profilbleches 137 4.2.1 Berechnung der Auswirkungen 137 4.2.2 Widerstand und Steifigkeit der Querschnitte 138 4.2.3 Nachweise der Profilbleche 138 4.3 Bemessung der Blechverbunddecke 140 4.3.1 Berechnung der Auswirkungen 140 4.3.2 Querschnittswiderstände 141 4.3.3 Nachweis der Tragsicherheit 149 4.3.4 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 151 4.4 Rechenbeispiel: Bemessung einer Blechverbunddecke 155 4.5 Literaturverzeichnis 163 5 Haupt- und Deckenträger 165 5.1 Einführung 165 5.2 Verbindungen 165 5.2.1 Gelenkige Verbindungen 166 5.2.2 Biegesteife Verbindungen 168 5.3 Träger aus Walzprofilen und Vollwandträger 170 5.3.1 Zu berücksichtigende Einwirkungen 170 5.3.2 Statische Systeme und Berechnung der Auswirkungen 170 5.3.3 Wirkungsweise einer Verbindung mit teilweiser Einspannung 171 5.3.4 Einleitung konzentrierter Kräfte 173 5.3.5 Nachweis der Tragsicherheit 177 5.3.6 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 181 5.4 Träger mit Stegöffnungen 184 5.4.1 Querkraftwiderstand 185 5.4.2 Biegewiderstand 187 5.4.3 Verstärkungen 188 5.4.4 Berechnung der Durchbiegungen 188 5.5 Stahl-Beton-Verbundträger 189 5.5.1 Einführung 189 5.5.2 Querschnittswiderstand 191 5.5.3 Tragverhalten von Verbundträgern 192 5.5.4 Ermittlung der Auswirkungen 197 5.5.5 Verbindung Stahl-Beton 202 5.5.6 Widerstand der Verbindungsmittel 211 5.5.7 Abscheren längs in der Betondecke 214 5.5.8 Nachweis der Tragsicherheit 217 5.5.9 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 221 5.5.10 Methode zur Bemessung eines Verbundträgers mit halbsteifen Knoten 227 5.6 Deckenschwingungen 231 5.6.1 Menschliche Wahrnehmung 232 5.6.2 Schwingungsfrequenz 233 5.6.3 Maximale Beschleunigung 234 5.6.4 Dämpfung 235 5.6.5 Nachweise 235 5.7 Rechenbeispiele 236 5.7.1 Bemessung der Deckenträger 236 5.7.2 Bemessung eines Unterzuges als einfachen Balken 244 5.7.3 Bemessung eines Unterzuges als Dreifeldträger 252 5.7.4 Rechenbeispiel eines Unterzuges mit halbsteifen Knoten 264 5.7.5 Nachweis der Schwingung eines Bodens 267 5.8 Literaturverzeichnis 270 6 Statik der Hallenrahmen 271 6.1 Einführung 271 6.2 Strukturelles Verhalten eines Rahmens 272 6.2.1 Einfluss der Steifigkeit der Elemente 272 6.2.2 Grundlegende Zustände eines Rahmens 273 6.2.3 Imperfektionen 275 6.2.4 Einflüsse der Nichtlinearität 279 6.2.5 Klassifizierung von Rahmen 281 6.3 Statik von Rahmen 285 6.3.1 Einwirkungen und Gefährdungsbilder 285 6.3.2 Bemessungsmethoden 286 6.3.3 Elastische Methode 289 6.3.4 Plastische Methode 290 6.3.5 Wahl einer Bemessungsmethode 299 6.4 Elastische Stabilität von Rahmen 300 6.4.1 Einführung 300 6.4.2 Wiederholung der Knicktheorie 301 6.4.3 Idealer Rahmen mit Knotenlasten 303 6.4.4 Idealer Rahmen ohne Knotenlasten 305 6.4.5 Bestimmung der Knicklängen 307 6.4.6 Wirkung von Dachverbänden 311 6.4.7 Einfluss der geometrischen Imperfektionen 317 6.5 Bemessungsvorgang 317 6.5.1 Vordimensionierung 317 6.5.2 Methoden zur Bestimmung der Auswirkungen 318 6.5.3 Berechnung der Auswirkungen erster Ordnung 320 6.5.4 Berechnung der Auswirkungen zweiter Ordnung 320 6.5.5 Nachweis der Tragsicherheit 324 6.5.6 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit 325 6.6 Statik und Knicklängen von Geschossrahmen 326 6.6.1 Globales System 326 6.6.2 Aneinanderreihung von Tragelementen 326 6.6.3 Knicklängen von Geschossrahmen 327 6.7 Rechenbeispiel zur Bemessung eines Rahmens 331 6.7.1 Randbedingungen des Rahmens 331 6.7.2 Berechnung der Auswirkungen 336 6.8 Literaturverzeichnis 340 7 Rahmenelemente 343 7.1 Einführung 343 7.2 Riegel aus Doppel-T-Profilen 344 7.2.1 Typen von Riegeln 344 7.2.2 Tragsicherheit 344 7.2.3 Gebrauchstauglichkeit 350 7.3 Fachwerkbinder 351 7.3.1 Typen von Fachwerkbindern 351 7.3.2 Innere Kräfte 352 7.3.3 Tragsicherheit 359 7.3.4 Gebrauchstauglichkeit 366 7.3.5 Nachweis der Knoten 368 7.4 Stützen von Hallenrahmen 374 7.4.1 Stützen mit konstantem Querschnitt 374 7.4.2 Zusammengesetzte Stützen 379 7.4.3 Stützen mit variablem Querschnitt 385 7.5 Rahmenecken 391 7.5.1 Grundsätze 391 7.5.2 Gelenkige Rahmenecken 393 7.5.3 Biegesteife Rahmenecken 394 7.6 Stützenfüsse 402 7.6.1 Grundlagen 402 7.6.2 Abtragung der Kräfte in den Beton 404 7.6.3 Gelenkige Stützenfüsse 409 7.6.4 Eingespannte Stützenfüsse 410 7.7 Rahmen mit halbsteifen Knoten 416 7.7.1 Verhalten der Knoten 416 7.7.2 Modellierung des Knotens 418 7.7.3 Klassifikation der Knoten 421 7.7.4 StatischeBerechnungvonRahmenmithalbsteifenKnoten 422 7.8 Rechenbeispiele 423 7.8.1 Nachweis eines Binders 423 7.8.2 Nachweis einer Stütze 430 7.8.3 Nachweis einer Rahmenecke 435 7.8.4 Nachweis eines gelenkigen Stützenfusses mit Zentrierleiste 441 7.8.5 Nachweis einer eingespannten Stütze 443 7.9 Literaturverzeichnis 446 8 Windverbände 447 8.1 Einleitung 447 8.2 Windverbandsysteme 448 8.2.1 Einwirkungen und statische Systeme 448 8.2.2 Kraftfluss der Horizontalkräfte 449 8.3 Fachwerkverbände 456 8.3.1 Ebene Fachwerke 456 8.3.2 Nicht in einer Ebene liegende Fachwerke 459 8.3.3 Exzentrische Stabanschlüsse 460 8.3.4 Temperatureinwirkung 461 8.3.5 Äquivalentes Trägheitsmoment 462 8.4 Windaussteifung mit Profilblechen 463 8.4.1 Scheibenwirkung 463 8.4.2 Scheibenelemente 466 8.4.3 Scheibenwirkung ohne Interaktion mit den Rahmen 472 8.4.4 Scheibenwirkung mit Interaktion mit den Rahmen 475 8.4.5 Stabilisierung der Pfetten 479 8.5 Rechenbeispiele 482 8.5.1 Bemessung eines Dachlängsverbandes mit Andreaskreuzen 482 8.5.2 Bemessung eines Dachverbandes mittels Profilblechen 488 8.6 Literaturverzeichnis 494 A8 Anhänge 494 A8.1 Koeffizient α zur Berücksichtigung der Wirkung der Zwischenpfetten 494 A8.2 Koeffizient β zur Berücksichtigung der Anzahl Befestigungen Blech-Pfette auf der Baubreite einer Blechtafel 495 A8.3 Konstante K zur Berücksichtigung der Befestigungsart des Bleches 496 9 Kranbahnträger für Laufkrane 499 9.1 Einleitung 499 9.1.1 Krananlagen 499 9.1.2 Laufkrane 500 9.1.3 Klassifikation von Laufkranen 503 9.2 Konstruktionsdetails und Toleranzen 504 9.2.1 Kranschienen 504 9.2.2 Trägerstösse 506 9.2.3 Toleranzen 507 9.3 Kraftverläufe 509 9.3.1 Vertikallasten 509 9.3.2 Horizontale Lasten quer 512 9.3.3 Horizontalkräfte längs 513 9.4 Gebrauchstauglichkeitsnachweis der Kranbahnträger 514 9.4.1 Berechnung der Verformungen des Kranbahnträgers 515 9.4.2 Richtwerte für Deformationen und Nachweise 516 9.5 Tragsicherheitsnachweis von Kranbahnträgern 517 9.5.1 Spannungen im Kranbahnträger 517 9.5.2 Mitwirkung der Kranschiene 520 9.5.3 Berechnung der Schienenbefestigung 520 9.5.4 Wirkung der konzentrierten Lasten 522 9.6 Ermüdungssicherheit 525 9.6.1 Nachweisprinzip 525 9.6.2 Berechnung der Auswirkungen und Spannungen 526 9.6.3 Ermüdungswiderstand 527 9.7 Rechenbeispiel eines Kranbahnträgers 529 9.7.1 Vordimensionierung 531 9.7.2 Nachweis der Tragsicherheit 532 9.7.3 Ermüdungsnachweis 537 9.7.4 Bemessung der Schienenbefestigung 540 9.7.5 Krafteinleitungen 541 9.8 Literaturverzeichnis 544 Stichwortverzeichnis 545

About the Author :
Manfred A. Hirt, Bauingenieurstudium ETH Zürich. Praxis bei Basler&Hofmann Zürich. Promotion Lehigh University USA. Praxis bei HNTB in New York City. 1993 -2007 Professor für Stahlbau an der EPF Lausanne sowie Direktor des ICOM. Seit 1972 Mitglied der Internationalen Vereinigung für Brücken und Hochbau IVHB, 2005 - 2007 Präsident IVBH. Ehem. Vorsitzender der EKS TK6 Ermüdung. 2006 EKS Preis Charles Massonnet. Michel Crisinel, Bauingenieurstudium EPF Lausanne, Praxis in einem Ingenieurbüro in Neuenburg, 1976 Abteilungsleiter des Stahlbauinstituts ICOM der EPF Lausanne, ehem. Vorsitzender der EKS TK11 Verbundbauten. Alain Nussbaumer, Bauingenieurstudium EPF Lausanne. Promotion Lehigh University USA. Ingénieur CTICM in Paris. Titularprofessor am Stahlbauinstitut der EPFL, seit 2016 am Resilient Steel Structures Laboratory ReSSLab der EPFL. 1998-2005 Vorsitzender der EKS TK6 Ermüdung. Mitglied verschiedener Arbeitsgruppen der CEN/TC250/SC3 sowie der SIA Kommissionen 261 Einwirkungen auf Tragwerke und 263 Stahlbau.