stålkonstruktion

Nitad ram av en bro

Den konstruktionsstål avser den del av anläggnings i vilken för konstruktion av, strukturer i första hand stål används.

Översikt

I stålkonstruktion är valsade stålbalkar , ark och rör av konstruktionsstål anslutna till varandra för att bilda en stödkonstruktion genom skruvning , svetsning eller nitning . Ett annat centralt strukturelement i stålkonstruktionen är kilplattan , som förbinder strukturens enskilda stänger med varandra. Förutom ren konstruktionsstål, finns det också stål kompositkonstruktion , som förbinder stålelement med betong , stål ramkonstruktion och stål byggnadskonstruktion. Konstruktionen av stålkonstruktioner utförs vanligtvis enligt Eurocode 3: Konstruktion och konstruktion av stålkonstruktioner (EN 1993)

Stålkonstruktionen kombinerar fördelen med den relativt korta planerings- och konstruktionstiden med en flexibel konstruktion av stödkonstruktionen. Denna flexibilitet beror exempelvis på användningen av relativt lätta och tunna, tunga komponenter och en hög och exakt grad av prefabricering och därmed kortare monteringstider . Stålkomponenter som utsätts för väder och vind måste skyddas mot korrosion genom ytbeläggningar eller galvanisering . Vid behov kan brandskydd säkerställas med brandskyddsklädsel eller brandskyddsbeläggningar. Under de senaste åren har vikten av att planera, bygga och driva byggnader på ett hållbart sätt ökat mer och mer. Aktörerna inom bygg- och fastighetsbranschen utvecklar en helhetssyn på sina projekt. Knappast något annat byggmaterial är lika lämpligt för hållbar konstruktion som stål: På grund av sin höga hållfasthet kan det enkelt stödja hela höghus , även med låg konstruktionsvikt och filigranstrukturer . Om dessa demonteras senare kan det använda stålet separeras från rivningsmassan med magneter. 11% av de samlade konstruktionsstålen återanvänds redan direkt i nya byggnader; resten kan omvandlas till högkvalitativt stål som sekundära råvaror (skrot). Det nya stålet kan till och med ges en högre hållfasthet än utgångsmaterialet. Den något högre kostnadsfaktorn för konstruktionsstål sätts ofta i perspektiv av en snabb konstruktionsfas, flexibilitet hos stödkonstruktionen på grund av stora spännvidd och återanvändbarhet eller återvinningsbarhet hos stålkonstruktioner jämfört med påstås mer kostnadseffektiva konstruktioner som t.ex. de av armerad betong. I princip verkar de användas på ett förnuftigt sätt överallt där höga hållfasthetskrav ställs på konstruktionen, till exempel när det gäller stora spänn av takkonstruktioner i stålkonstruktion eller till exempel när estetiska, formella konstruktionsskäl kräver smala konstruktioner.

Stålkonstruktionen är indelad i

Tvärsnittsklassificering enligt Eurocode 3

I stålkonstruktion finns det fyra tvärsnittsklasser, som kan beräknas annorlunda, varigenom klass 1 är så kompakt att inte bara teorin om plasticitet är tillämplig utan också att det också finns en tillräckligt stor rotationskapacitet som plastjärnteori kan användas, vilket möjliggör en ekonomisk beräkning. Tvärsnittsklasserna 3 och 4 tillåter ofta ekonomisk dimensionering, eftersom de är smalare och därmed generellt möjliggör effektivare hävarmar med mindre tvärsnitt (lägre materialförbrukning).

  • Klass 1: Plast på både tvärsnitts- och systemnivå
  • Klass 2: Plast i tvärsnitt, men inte på systemnivå
  • Klass 3: Elastisk
  • Klass 4: På grund av lokala bucklor är plastberäkningen inte tillåten.

Rostskydd

Parkeringsgarage under konstruktion med varmförzinkad eller duplexbelagd (varmförzinkad + belagd) stålram
High-bay lager med varmförzinkade stålelement

Som regel måste stålkonstruktioner skyddas mot korrosion. Detta görs vanligen genom att belägga strukturen med anti-korrosionsfärg eller genom varmförzinkning . Korrosionsskydd regleras i standarderna i EN ISO 12944 , EN ISO 14713 och EN ISO 1461-serien . Eftersom stål har hög affinitet för syre sker oxidation, dvs. en övergång från ett energirikt metalltillstånd till ett lågenergioxidtillstånd. När det gäller andra metaller som aluminium och zink skyddar bildningen av ett mycket tätt oxidskikt metallen från ytterligare oxidation. Vid korrosion i atmosfäriskt stål bildas rost eller järn (III) oxidhydroxid i närvaro av syre och vatten (vid en luftfuktighet på över 65%) ; kemisk FeO (OH) , som dessutom accelereras i aggressiva atmosfärer (salter, särskilt klorider eller syror). Rost ( FeO (OH) ) har 25,37 cm3 / mol, 3,6 gånger molvolymen av järn (7,1 cm³ / mol). Därför ökar volymen järn med åtminstone denna faktor som ett resultat av korrosion, se förhållande Pilling-Bedworth . Volymökningen kan också vara betydligt större på grund av porositet och vattenretention. Denna volymökning gör att beläggningsmaterialet flagnar av runt defekter i en beläggning .

Man skiljer mellan två system för korrosionsskydd:

  1. genom beläggning och
  2. genom metallbeläggningar.

Beläggningar består av en produktionsbeläggning, en basbeläggning (tidigare mest zinkkromat eller röd bly , idag oftast pigmenterad (zinkdamm, zinkfosfat ) syntetiska hartsbeläggningar) och en toppbeläggning (åtminstone två lager applicering, som skydd mot fukt och UV-strålar), vars beläggningsmaterial består av pigment. Det finns bindemedel och fyllmedel. Metallbeläggningar består av ett metallskyddsskikt, i fallet med konstruktionsstål mestadels i form av varmförzinkning i nedsänkningsbad. På grund av processens karaktär måste ståldelar som ska förzinkas utformas för varmförzinkning innan de sänks ned i den cirka 450 ° C heta zinksmältan. Ett annat korrosionsskydd för stålkomponenter är så kallade duplexsystem som kombinerar varmförzinkning eller sherardisering med en efterföljande beläggning. Duplexsystem används när stål behöver skyddas mot korrosion under extremt lång tid.

När det gäller rep tillhandahålls invändigt skydd genom att fylla håligheter under strängning med linolja och röd blypasta, medan yttre skydd tillhandahålls av tjockskiktiga elastomera plaster som inte hindrar de relativa rörelserna och böjningen av de enskilda länkarna.

Dessutom bör formen och arrangemanget av stålkomponenterna redan skydda dem från eventuell korrosion: Förebyggande av vattenfickor och smutsavlagringar, fri tillgång till ståldelarna, eller lufttät och vattentät tätning.

Brandskydd

Stålkonstruktioner kräver ofta speciellt brandskydd , eftersom balkarnas tunnväggiga tvärsnitt och deras goda värmeledningsförmåga gör att de snabbt värms upp vid brand och därmed minskar deras styrka. Beroende på brandbelastningen och den avsedda användningen av konstruktionen kan konstruktionsfel förhindras genom att komponenterna överdimensioneras för att matcha den erforderliga brandmotståndsperioden eller med speciell mantel. Stålets mekaniska egenskaper är temperaturberoende, så att till exempel sträckgränsen vid 600 ° C sjunker med halva värdet vid 20 ° C. Den elasticitetsmodul också minskar med ökande ståltemperaturen. För brandskydd måste en "brandmotståndsperiod" som krävs enligt lag för respektive byggnad följas, som definieras för normala byggnader i de statliga byggreglerna i federala stater. Denna erforderliga brandmotståndsperiod är indelad i kategorier beroende på struktur och användning, enligt den tyska standarden ( DIN 4102 - Brandbeteende hos byggmaterial och komponenter) i F30, F60, F90, F120 eller F180. Siffrorna anger minimivärdet som konstruktionen måste motstå elden, uttryckt i minuter. Den "standardbrand" som antas för överdimensionering av komponenten eller för bestämning av de isolerande brandskyddsåtgärderna är standardtemperaturkurvan, även kallad "ETK" . Den beskriver en temperatur-tidskurva enligt vilken gastemperaturen värms upp i ett komponenttest. Gastemperaturen som omger den ”skyddade” komponenten stiger brant till över 600 ° C under de första minuterna enligt specifikationerna för ETK och ökar sedan långsamt men stadigt tills komponenten misslyckas. Tiden tills konstruktionen misslyckas avrundas till standardens brandmotstånd. På detta sätt bevisar alla ytterligare åtgärder för att skydda en stålkomponent deras prestandaprofil.

Metoden för överdimensionering (enligt den europeiska standarden EN 1993-1-2) baseras dock på en beräkning. Utgångspunkten är den matematiska bestämningen av ståltemperaturen i en ETK-eld med erforderlig (brandmotstånd) varaktighet. Genom att bestämma ståltemperaturen kan de mekaniska egenskaper som krävs för dimensioneringen bestämmas. Den faktiska dimensioneringen sker ungefär som den "kalla" dimensioneringen med de värmepåverkade mekaniska egenskaperna under de brandanpassade säkerhetsvärdena. Denna designmetod kalibrerades på grundval av tester.

Brandskyddsåtgärder som därefter fästs på stålkomponenten har en isolerande, skärmande eller värmeavledande effekt.

  • Isolerande brandskyddsåtgärder: profilformen efter mantel och beklädnad av stålprofiler gjorda av cementbundet spraygips med vermikulit eller mineralfibrer, mestadels med nödvändig gipsbas. Kompositpelarsystem (konstruktion från kompositkonstruktion ) uppfyller oftast kraven utan ytterligare åtgärder. Dessutom är lådformad beklädnad (gipsskiva, tjocklek och fästning enligt tillverkarens godkännande) [⇒ F90 möjlig] av stålprofilerna med ytterligare korrosionsskydd. Isolerande skiktformare i form av beläggningar (spray / borste / rullapplikation) kan realiseras med ekonomiskt intressanta skikttjocklekar (ca 300 till 1400 µm, motsvarande ca 2-4 arbetssteg) upp till F60. Med skikttjocklekar upp till mer än 3 mm (> 5 arbetssteg ) kan svällande skikt nu också appliceras för brandmotståndsklass F90 (se DIBt-godkännande Z-19.11-1794 - webblänkar). Definitionen av den nödvändiga skikttjockleken beror på förhållandet mellan tvärsnittsomkretsen som exponeras för lågan och tvärsnittsarean (U / A-värde), typen av profil (öppen eller stängd) och typen av komponent. Eftersom svällande beläggningar bildar en apelsinskalliknande yta på grund av sin stora tjocklek måste en komplex efterbehandling (slipning, fyllning) också utföras om en hög ytkvalitet krävs. Apelsinskal kan till stor del undvikas genom att använda moderna vattenbaserade system (se godkännande Z-19.11-1461).
  • Avskärmande brandskyddsåtgärder: mestadels befintliga, rymdtäckande system som undertak.
  • Värmeavledande brandskyddsåtgärder: Återfyllning av stålprofilhåligheter (stöd) med pumpoberoende, termiskt fritt cirkulerande vatten. Särskilt lämplig i höghus.

Varje brandskyddsåtgärd har sina fördelar och nackdelar. Därför bör estetiska, ekonomiska, tekniska och säkerhetsfaktorer vägas noggrant mot varandra vid planering.

Kryssningscentret Baakenhöft i Hamburgs HafenCity är förmodligen den första byggnaden i Tyskland där R30 brandskydd implementerades med varmförzinkning.

Nyligen har korrosionsskydd genom varmförzinkning också använts under brandskyddsaspekter. Ett forskningsprojekt som avslutades av tekniska universitetet i München 2019 har visat att varmförzinkning förbättrar stålets brandmotstånd. Detta innebär att en brandskyddstid på 30 minuter ofta är möjlig med oskyddade, varmförzinkade stålkonstruktioner.

Välkända strukturer av stål

Killesberg-tornet i Stuttgart tillverkat av varmförzinkat stål

Välkända strukturer gjorda av smidesjärn

Allt smidbart järn har kallats stål sedan början av 1900-talet, efter att smidesjärn , som var utbrett på 1800-talet, inte längre tillverkas. Av denna anledning kallas äldre strukturer av smidesjärn ofta för stålkonstruktioner, vilket är korrekt enligt den nuvarande definitionen av stål eftersom smidesjärn innehåller mindre än 2% kol, men är historiskt felaktigt eftersom smedjärn från den tiden innehöll högre mängder oönskade medföljande element än stål. Dessa smidesjärnkonstruktioner inkluderar:

Se även

litteratur

  • Frank Werner och Joachim Seidel : Järnkonstruktionen. Från utvecklingen av en konstruktionsmetod . Berlin / München: Verlag für Bauwesen 1992, ISBN 3-345-00466-6 .
  • Karl-Eugen Kurrer : Från konstruktion med järn till modernt stålstål . I: Historien om strukturteorin. Söker efter jämvikt. Berlin: Ernst & Sohn 2018, s. 530-639, ISBN 978-3-433-03229-9 .

webb-länkar

Individuella bevis

  1. ↑ R30 brandskydd genom varmförzinkning - Cruise Center Baakenhöft är Tysklands första projekt. (PDF) In: Feuerverzinken Magazin 1-2020 s. 6. Åtkomst 16 maj 2020 .
  2. ↑ Gaigl, Ch., Mensinger, M.: Brandmotstånd hos varmförzinkade, bärande stålkonstruktioner vid brand. Hämtad 6 maj 2020 .