P 757 - Stahlleichtverbund - Bauweise Entwicklung, Optimierung und wirtschaftlicher Einsatz im Bauwesen

P 753 - Entwicklung eines modularen Bausystems in Stahlleichtbauweise Gebäude aus unterschiedlichen Komponenten zusammenfügen und wie Autos fertigen, mit hoher Präzision und eigener Ästhetik? Im Rahmen des Forschungsvorhabens P 753 wurde diese Zukunftsvision Realität. Entwickelt wurde ein modulares Bausystem in Stahl- Leichtbauweise, dass die Vorteile der seriellen Vorfertigung mit den Ansprüchen an eine zeitgemäße Architektur in vielfältigen Variationen verbindet. Der Geschossbau in Deutschland ist in der Regel geprägt durch konventionelle Bauweisen mit den bekannten Nachteilen: Viele Gewerke und Schnittstellen, witterungsabhängige Fertigung in Nassbauweise und aufwändige Baustellenlogistik machen das Bauen langwierig und teuer. Sinnvoll ist es daher, Planungsaufwand und Einsatz von Material zu optimieren und industrielle Produktions-methoden, ähnlich denen in der Automobilindustrie, zu adaptieren. Aus den entwickelten, in der Werkstatt vorgefertigten Bauelementen in Stahl-Leichtbauweise, können Gebäude modular mit bis zu sechs Geschossen zusammengefügt werden. Das Baukastensystem ist universell einsetzbar für unterschiedliche Nutzungen wie Büros, Werkstätten, Schulen, Krankenhäuser, Hotels und Wohnheime. Die Idee beruht auf dem seit Jahrhunderten eingesetzten Prinzip der Reihung gleicher Grundelemente in der urbanen Architektur. Dieses Gestaltungsmuster bildet auch heute noch die Basis für eine zeitgemäße Baukunst. Bei der entwickelten Komponentenbauweise handelt es sich um ein integriertes System ohne Trennung von Tragwerk und Gebäudehülle, das prinzipiell nur aus zwei Elementen besteht. Wandpfeiler mit einem Standardmaß von 3,00 x 1,25 Meter bilden im Wechsel mit Öffnungen den äußeren Raumabschluss und gliedern den Innenraum in flexible Einheiten.  Deckenplatten mit Maßen von 5,00 x 2,50 Meter bis 7,50 x 2,50 Meter werden über Bolzenverbindungen an die Wandelemente angeschlossen. Entsprechend den städtebaulichen und funktionalen nforderungen können die Fenster- und Fassadenelemente in vielfältiger Form gestaltet werden. Wand- und Deckenelemente werden als umlaufende  Rahmenkonstruktion aus 10 Millimeter dicken, gekanteten Stahlblechen gefertigt, in die Stahltrapezprofile eingelegt werden. Um die statisch erwünschte, kraftübertragende Scheibenwirkung zu erzielen, werden die Rahmenelemente mit den  Trapezprofilen sowie an Ober- und Unterseite mit 2 Millimeter dicken Blechtafeln zu einem Kasten geschlossen und verschweißt. Die Gesamtdicke der Bauteile, die in der Werkstatt witterungsunabhängig nach Bedarf vorgefertigt werden können, beträgt 150 bis 200 Millimeter. Alle tragenden Wand- und Deckenelemente erhalten eine allseitige  Brandschutzverkleidung. Im Rahmen des Projekts wurden von den beteiligten Forschungsstellen bauphysikalische  Detaillösungen zu sommerlichem und winterlichem Wärmeschutz, Luftdichtheit und Schallschutz erarbeitet. Damit ist das modulare Bausystem für den universellen Einsatz geeignet und interessant für Stahlbauunternehmen und Investoren, die das System in die Praxis umsetzen wollen. Durch die Straffung der Planungs- und Ausführungsprozesse, die modulare Vorfertigung standardisierter Bauteile und den für die Stahl-Leichtbauweise üblichen schnellen Bauablauf lassen sich wirtschaftliche Vorteile gegenüber konventionellen Bauweisen erzielen. Mit dem Einsatz energieeffizient hergestellter, dünnwandiger Wand- und Deckenelemente mit geringem Gewicht und hoher Tragfähigkeit sowie dem hohen Recyclingpotenzial des Baustoffs Stahl leistet das modulare Bausystem einen innovativen Beitrag zum nachhaltigen Bauen in der modernen Architektur. Das Forschungsprojekt wurde von ASP Architekten Schneider Meyer Partner, Drewes + Speth Beratende Ingenieure im Bauwesen, Prof. Dr.-Ing. Bohne Ingenieure GmbH und Prof. Michael Lange Ingenieuregesellschaft mbH mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Autoren: W. Schneider, W. Meyer, P. Kahl, H. Fliess, H. Drewes, M. Speth, A. Claußen, D. Bohne, J. Schurr, M. Lange, J. Düker, R. Lorenz, A. Kolbaske, R. Hass, W. Schneider Veröffentlichung: 2012

P 751 - Bestimmung der Tragfähigkeit von geschweißten T-Knoten aus kaltgeformten Hohlprofilen mit dreiecksförmigen Querschnitten Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird das Tragverhalten von T-Knoten mit Gurten aus dreieckigen Hohlprofilen und Streben aus rechteckigen (RHP) sowie dreieckigen Hohlprofilen untersucht. Neben der Knotentragfähigkeit werden auch architektonische und ökonomische Aspekte betrachtet. Triangular Hollow Sections (THS) sind neu entwickelte Querschnitte, bei denen Erkenntnisse zum Tragverhalten bislang ledigarelich auf sogenannten „Bird Beak“- und „Diamond Bird  Beak“-Knoten aufgebaut werden konnten. Diese weisen zwar eine geometrische Ähnlichkeit auf, das Gurtprofil ist jedoch  kein dreieckiges, sondern ein um 45° um die Längsachse gedrehtes, quadratisches Hohlprofil. Auf Grundlage experimenteller und numerischer Untersuchungen, die in den 90-iger Jahren zu diesen Knotenformen durchgeführt wurden und auf Basis  der Vorgehensweise, die zu den Bemessungsvorschriften der DIN EN 1993-1-8 von T-Knoten aus Rechteckhohlprofilen geführt haben, werden die experimentellen, numerischen und analytischen Untersuchungen für die neuartigen THS  T-Knoten festgelegt. Ein numerisches Modell für THS T-Knoten wird für die Parameterstudien erarbeitet und anhand von Vorversuchen sowie mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen von Hohlprofilknoten aus RHP validiert. Basierend auf diesem Modell wird anschließend eine Parameterstudie durchgeführt. Mit den numerischen Untersuchungen werden zum einen die maximalen Knotenwiderstände und zum anderen Knotenwiderstände basierend auf einem Deformationskriterium ermittelt. Das für Hohlprofilknoten allgemein anerkannte Deformationskriterium, welches den Knotenwiderstand bei einer maximalen Eindrückung von 3% der Gurtbreite b0 oder des -durchmessers d0 begrenzt, ist bei T-Knoten aus THS Gurten nicht anwendbar. Daher werden die numerischen Ergebnisse zusätzlich auf ein sinnvolles Deformationskriterium hin untersucht und schließlich eine maximale Eindrückung von 1% der Gurtprofilbreite b0 als Deformationskriterium vorgeschlagen. Für T-Knoten mit THS Gurten und RHP Streben werden zwei analytische Modelle angegeben. Für Streben, deren Flansche parallel zur Gurtlängsachse angeordnet sind, wird der Knotenwiderstand mit einem Fließlinienmodell ermittelt. Für Knoten mit um 45° um die Strebenlängsachse gedrehte Streben erfolgt die Ermittlung des Knotenwiderstands auf Grundlage eines Modells der mitwirkenden Breite, welches ebenfalls in DIN EN 1993-1-8 angewendet wird. Zusätzlich erfolgt ein Vergleich der numerisch und der analytisch ermittelten Knotenwiderstände. Neben den numerischen und den analytischen Untersuchungen werden auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese werden hinsichtlich des Knotenwiderstands, der Verformungen und der beobachteten Versagensmodi ausgewertet. Um die ästhetischen sowie die wirtschaftlichen Aspekte von Tragwerken aus dreieckigen Hohlprofilquerschnitten zu untersuchen, werden Hallentragwerke mit zwei verschiedenen Fachwerkträgern und einem Vierendeel-System detailliert betrachtet. Die Bemessung erfolgt für Querschnitte aus Baustahl S355 als auch aus einem höherfesten Stahl S460. Auf Grundlage dieser Bemessungen wird die Wirtschaftlichkeit anhand der drei Kostenkategorien Materialverbrauch, Schweiß- und Zuschnittarbeiten evaluiert. Es zeigt sich, dass die Verwendung von THS-Profilen wirtschaftliche Vorteile bringen kann. Das IGF-Vorhaben 15379 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Technischen Universität Dortmund vom Lehrstuhl Stahlbau, am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine und an der Technischen Universität Dortmund vom Lehrstuhl für Entwerfen und Industriebau durchgeführt. Autoren: D. Ungermann, B. Brune, P. Dissel, S. Herion, O. Fleischer, W.A. Noebel, O. Schmidt Veröffentlichung: 2014