Stahlbau: Grundlagen und Tragwerke

460 Pages·1999·4.48 MB·German

by  Fritsch (auth.)

• Hammerschrauben
• Rundstahlanker
• Spannstangen
• Hänger
• Zugstäbe
SCH
ANKER SCHROEDER
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Reinhold Fritsch
Hartmut Pasternak
Stahlbau
Aus dem Programm _____________ _______
Bauingenieurwesen
Baubetriebslehre - Grundlagen
von Kh. Stark und W. Brecheler
Baubetriebslehre - Projektmanagement
von P. Greiner, P. Mayer und Kh. Stark
Baubetriebslehre - Kosten und Leistungsrechnung -
Bauverfahren
von W. Brecheler, J. Friedrich, A. Hilmer und R. Weiß
Massivbau
von P. Bindseil
Stahlbau
von R. Fritsch und H. Pasternak
Statik
von K. Wohlhart
Dynamik
von K. Wohlhart
Bauchemie
von H. Cammenga u. a.
Geotechnik
von K. Kuntsche
vieweg _______________
~
Reinhold Fritsch
Hartmut Pasternak
Stahlbau
Grundlagen und Tragwerke
Mit 348 Abbildungen und 37 Tabellen
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vleweg
Bearbeitet von:
OSTR Prof. Dipl.-Ing. Reinhold Fritsch
Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Pastemak
0. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Günter Ramberger
Dipi.-Ing. Dr. techn. Friedrich Nahler
Dipi.-Ing. Dr. techn. Walter Siokola
0. Prof. Dipl.-lng. Georg Valentin
Dipl.-Ing. Jaroslav Koser
Dipi.-Ing. Roland Kocker
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1999
Originally published by Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,
Braunschweig/ Wiesbaden, 1999
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Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Wiesbaden
Technische Redaktion und Layout: Hartmut Kühn von Burgsdorff
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-03853-3 ISBN 978-3-322-90775-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-90775-2
v
Vorwort
Zum Thema Stahlbau gibt es eine Reihe sehr guter Bücher wie den Literaturangaben zu
entnehmen ist. Veröffentlichungen zu Spezialgebieten, Berichte aus Forschung und Praxis in
bautechnischen Fachzeitschriften zeigen den Stand der Technik des in steter Entwicklung
begriffenen Stahlbaues. Für Studierende des Bauingenieurwesens ist es kaum möglich dieses
Literaturangebot zu bewältigen.
Die Autoren dieses Buches haben daher den Versuch unternommen eine Grundlage zu schaf
fen, die zu einem Einstieg in die Berufspraxis befähigt. Wesentlich erschien dabei, in die An
wendung der Eurocodes einzuführen. Deren allgemeine Einführung wird in allen EU-Ländern
betrieben und in absehbarer Zeit Basis einer europaweiten Bautätigkeit und Mobilität des Be
rufslebens sein.
Die vielen Anwendungsbereiche des Stahles im Bauwesen werden in gewichteter Breite behan
delt oder zumindest erwähnt. Hinweise zur Vertiefung erlauben eine schnelle Einarbeitung auch
in Sondergebiete.
Kenntnisse aus Grundlagenfachern, wie Baustoffkunde, Statik und Festigkeitslehre werden
vorausgesetzt und hier nur in kurzer Form zusammengefaßt und ergänzt.
Die allgemein geringe Anzahl von Vorlesungsstunden wird von den Unterrichtenden das Setzen
von Schwerpunkten erfordern, bzw. eine Auswahl nach den aktuellen wirtschaftlichen Bedürf
nissen. Für konstruktive Übungsarbeiten können die gebotenen Beispiele nur Hilfe und Anre
gung sein.
Die Autoren haben mit größter Sorgfalt die einzelnen Kapitel überprüft, dennoch sind Fehler
und Irrtümer wie bei jedem Buch nicht ausgeschlossen. Für Hinweise darauf sind wir dankbar.
Es ist darauf hinzuweisen, daß jeder in der Praxis tätige Ingenieur für seine Arbeit selbst voll
verantwortlich ist. Insbesonders ist der letzte Stand von Normen und VorschriJtenfestzustellen.
Ein Lehrbuch kann bei größtem Bemühen diese Aktualität nicht garantieren.
Herzlicher Dank der Autoren gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. E.h. Joachim Scheer für die Erlaubnis,
Teile seines Vorlesungsumdruckes verwenden zu dürfen; den Herren W. Engst, Dipl.-Ing.
A. Jeschko für die inhaltliche Mitwirkung bei einzelnen Abschnitten; Frau Jutta Schön, Frau
Dipl.-Ing. Jana Simakova, Herrn Dr. V. Benko für die Textverarbeitung und das Erstellen zahl
reicher Zeichnungen und Frau Ulla Samm und Frau Barbara Bastian für das Schreiben von
Manuskriptteilen.
Besonderer Dank gebührt den Kollegen Dr. Kutzelnigg und Dipl.-Ing. Piringer, die sich der
Mühe einer kritischen Durchsicht von Manuskriptteilen unterzogen, vor allem auch den Damen
und Herren im Lektorat Technik des Vieweg Verlages, insbesonders Frau J. Ehl, die mit Sach
verstand, Geduld und steter Freundlichkeit bei der Geburt dieses Werkes geholfen haben.
Wien, im Januar 1999 R. Fritsch
im Namen des Autorenteams
VI
Inhaltsverzeichnis
AUTOR
1 Allgemeiner Überblick. .................................................................... . Fritsch
1.1 Einführung................................................................................. 1
1.2 Baubiologie, Bauökologie und Stahl.................... ........ ........ ..... 1
1.3 Stahlbauarchitektur ............ ........ ..... ... ... ... ........... .......... ...... ....... 3
1.4 Normung.. ...... .... ..... ........... .......... ... ...... ... ....... ........... ... ... ... ... .... 8
2 Technologie des Stahlbaues...................... ........... ........... ...... ........ .... 11 Ramberger
2.1 Ausgangserzeugnisse für den Stahlbau.................................. .... 11
2.2 Eigenschaften und Arten der Baustähle ..................................... 15
2.2.1 Festigkeitseigenschaften der Baustähle .......................... 16
2.2.2 Eigenschaften infolge der chemischen
Zusammensetzung .......................................................... 19
2.2.3 Technologische Eigenschaften... ... .............. ...... ..... ........ 20
2.2.4 Allgemeine Baustähle..................................................... 21
2.2.5 Feinkornbaustähle.... ............... ................. ....... ... ........ ..... 25
2.2.6 Wetterfeste Baustähle..................................................... 26
2.2.7 Nichtrostende Stähle....................................................... 27
2.2.8 PTÜtbescheinigungen für Werkstoffe .............................. 27
2.3 Herstellung von Stahlbau werken . ...... ... ... ................ ... ... ... ..... .... 28
2.3.1 Ausführungsbearbeitung und Arbeitsvorbereitung ......... 28
2.3.2 Zuschnitt und Bearbeitung der Ausgangserzeugnisse
in der Werkstatt.............................................................. 30
2.3.3 Zusammenfügen der zugeschnittenen Einzelteile ........... 32
2.3.4 Schweißnähte.................................................................. 34
2.3.5 Schraubenverbindungen ................................................. 40
2.3.6 Sonstige Verbindungen................................................... 43
2.4 Transport und Montage................................. ............. ...... .......... 44
2.4.1 Transportwege und TransportmitteL......................... .... 44
2.4.2 Montage.......................................................................... 45
2.5 Brand-und Korrosionsschutz ....... ... .............. ............. ...... ......... 46 Nahler
2.5.1 Brandschutz von Stahlkonstruktionen ............................ 46
2.5.2 Korrosionsschutz ............................................................ 54
2.6 Kalkulationshinweise ................... ............... ............................... 57 Siokola
3 Berechnungsgrundlagen....... ............ ... ............. .... ...................... ... ... 65 Ramberger/
3.1 Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit ............. 65 Jeschko
3.1.1 Grenzzustände ................. ...................... ......... ... ... ..... ..... 65
3.1.2 Modellbildung für den rechnerischen Nachweis............. 66
3.1.3 Serniprobabilistisches Sicherheitskonzept ...................... 66
3.1.4 Einwirkungen und deren Kombinationen ....................... 68
3.1.5 Widerstand und Beanspruchbarkeit................................ 70
Inhaltsverzeichnis VII
3.2 Modellbildungen zur Erfassung der Grenzzustände der
Tragfahigkeit ............................................................................ . 71
3.2.1 Verlust des statischen Gleichgewichtes
(Umstürzen, Gleiten) ..................................................... . 71
3.2.2 Entstehung eines Mechanismus (kinematische Kette)
ohne Gefährdung der Stabilität... ................................... . 71
3.2.3 Verlust der Stabilität des Gesamttragwerks oder von
Tragwerksteilen ............................................................. . 73
3.2.4 Bruch oder dem Bruch gleichgestellte Verformungen
von Tragwerksteilen ...................................................... . 74
3.2.5 Spannungs-Dehnungsgesetz, Fließen ............................ . 74
3.3 Tragfähigkeitsnachweis für ebene Systeme .............................. . 76
3.3.1 Voraussetzungen und Grundlagen ................................ .. 76
3.3.2 Elastische Beanspruchung und Beanspruchbarkeit des
Querschnitts ................................................................... . 77
3.3.3 Plastische Beanspruchbarkeit des Querschnitts ............. . 81
3.4 Tragfähigkeitsnachweis für Stabtragwerke mit allgemeinen
Querschnitten und allgemeiner Belastung ................................ . 94
3.4.1 Elastische Beanspruchung des Querschnitts auf
Biegung ......................................................................... . 94
3.4.2 Elastische Stäbe mit ausgewählten Querschnitten
unter Torsionsbeanspruchung ........................................ . 95
3.4.3 Plastische Beanspruchbarkeit des Querschnitts ............. . 103
3.5 Grenzen der Anwendbarkeit der Stabtheorie ............................ . 103
3.6 Stabilitätsnachweise .................................................................. . 104
3.6.1 Grundlagen .................................................................... . 104
3.6.2 Zentrisch gedrückter Knickstab ..................................... . 105
3.6.3 Ersatzstabverfahren ....................................................... . 111
3.6.4 Gesamtstabilität von Tragwerken .................................. . 113
3.6.5 Träger mit Druckkraft und Biegung .............................. . 114
3.6.6 Mehrteilige Druckstäbe ................................................. . 114
3.6.7 Biegedrillknicken .......................................................... . 118
3.6.8 Beulen ........................................................................... . 120
3.7 Gebrauchstauglichkeitsnachweis .............................................. . 124
3.8 Ermüdung - Dauerfestigkeit - Betriebsfestigkeit -
Bruchmechanik ......................................................................... . 126 Nah/er
3.8.1 Allgemeines ................................................................... . 126
3.8.2 Begriffe ......................................................................... . 127
3.8.3 Bruchentstehung ............................................................ . 128
3.8.4 Gestaltfestigkeit von Bauteilen ...................................... . 128
3.8.5 Die Zeitfestigkeit - die Wöhlerlinie .............................. . 129
3.8.6 Faktoren, die die Ermüdungsfestigkeit beeinflussen ..... . 131
3.8.7 Dauerfestigkeitsdiagrarnm ............................................. . 131
3.8.8 Betriebsfestigkeit.. ......................................................... . 132
3.8.9 Ermüdungsnachweis ...................................................... . 134
3.8.10 Hinweise zur Bruchmechanik ........................................ . 136
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Konstruktionselemente ..................................................................... 139 Fritsch
4.1 Druckstäbe................................................................................. 139 Nahler
4.2 Zugglieder.................................................................................. 141
4.3 Biegestäbe.................................................................................. 142 Fritsch
4.3.1 Nachweise des Regelelements .......................................... 143
4.3.2 Nachweise der Knotenelemente...................................... 150
4.3.3 Konstruktive Gestaltung der Regelelemente................... 152
4.3.4 Konstruktive Gestaltung der Knotenelemente ................ 154
4.4 Torsionsstäbe............................................................................. 161
4.4.1 Torsionsmomente ........................................................... 161
4.4.2 St.Venantsche oder reine Torsion und Wölbkrafttorsion 162
4.4.3 Torsionsschubspannungen ........... ........ ........................... 163
4.4.4 Konstruktive Hinweise ................................................... 165
4.5 Fachwerkträger .......................................................................... 166
4.5.1 Gestaltung und Berechnung............................................ 166
4.5.2 Knoten und Anschlüsse .................................................. 167
4.6 Rahmen...................................................................................... 170 Pasternak
4.6.1 Biegeknicken .................................................................. 170
4.6.2 Biegedrillknicken .. ...................... .................. ................ 178
4.7 Verbundbau ............................................................................... 182 Valentin
4.7.1 Allgemeines und Begriffsbestimmungen ........................ 182
4.7.2 Verbundplatten ............................................................... 184
4.7.3 Verbundträger................................................................. 190
4.7.4 Verbundstützen............................................................... 195
4.8 Schraubverbindungen ................................................................ 201 Pasternak
4.8.1 Bemessung für Kräfte quer zur Schraubenachse ............ 201
4.8.2 Verhalten von Schraubenverbindungen mit Vorspan-
nung bei Beanspruchungen quer zur Schraubenachse .... 210
4.8.3 Verhalten von Schraubenverbindungen ohne und mit
Vorspannung bei Beanspruchungen in Richtung der
Schraubenachse .............................................................. 211
4.8.4 Kraftübertragung in Stirnplattenverbindungen ............... 211
4.8.5 Bedeutung der Vorspannung für das Verhalten von
Schrauben bei nicht vorwiegend ruhender
Beanspruchung ............................................................... 218
4.9 Schweißverbindungen................................................................ 219
4.9.1 Grundlagen ..................................................................... 219
4.9.2 Beispiele......................................................................... 222
5 Stablhochbau..................................................................................... 227 Pasternak
5.1 Grundsätzliches zur Standsicherheit und den Einwirkungen ..... 227
5.1.1 Zur Standsicherheit......................................................... 227
5.1.2 Zu den Einwirkungen...................................................... 228
5.2 Bauteile des Stahlhochbaus........................................................ 230
5.2.1 Pfetten und Wandriegel.................................................. 230
5.2.2 Vollwandträger ............................................................... 236
5.2.3 Fachwerke....................................................................... 242