Dresdner Stahlbaufachta­gung 2018 (14.03.2018)

Berechnung und Ausführung von Stahlbaukonstruktionen im Hoch-, Industrie- und Brückenbau

Organisiert durch das Institut für Stahl- und Holzbau der Technischen Universität Dresden und die Bauakademie Sachsen fand am 14. März die 12. Dresdner Stahlbaufachtagung statt. Unter der Überschrift „Berechnung und Ausführung von Stahlbaukonstruktionen im Hoch-, Industrie- und Brückenbau“ wurde den rund 200 Teilnehmern ein vielseitiges Programm geboten. Von ausgewiesenen Referenten wurden in diesem Jahr Vorträge zur Stabilität von Stab- und Flächentragwerken im Kontext der aktuellen Überarbeitung der Eurocodes, zur Novellierung des Bauordnungsrechtes, der Beurteilung der Restlebensdauer von Bestandsbrücken, zur Fortschreibung der Windnormung sowie der praktischen Berechnung von Silos, Tanks und Schornsteinen gehalten. Mit einem Vortrag zu aktuellen Entwicklungen von Stahl-Glas-Konstruktionen im Dach- und Fassadenbau konnten die Teilnehmer zudem einen Einblick in die vielfältigen Möglichkeiten des Glasbaus erhalten. Die Tagung wurde unterstützt von bauforumstahl, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), der Ingenieur- und der Architektenkammer Sachsen, dem Verband Beratender Ingenieure (VBI), dem Verlag Ernst & Sohn und der Baukammer Berlin.

Die Veranstaltung, die dieses Jahr im Hörsaalzentrum der TU Dresden stattfand, wurde von Prof. Richard Stroetmann vom Institut für Stahl- und Holzbau der TU Dresden mit einer kurzen Begrüßung der Teilnehmer eröffnet. Ein besonderer Dank ging dabei an die Referenten, die aus vielen Teilen Deutschlands und aus Österreich nach Dresden gekommen waren. Im Anschluss gab Dipl.-Ing. Ralf Luther, Vizepräsident des Deutschen Stahlbauverbandes (DSTV), eine Übersicht über die Entwicklung und Erweiterung der EN 1090. Er fand dabei lobende Worte für die Vielzahl an DASt-Richtlinien, die wichtige Grundlagen für die europäische Normung liefern. Neben der notwendigen Fortschreibung der Normung stand die Bedeutung der Bereitstellung von Arbeits- und Bemessungshilfen zur Unterstützung von Planern im Mittelpunkt, um die wirtschaftliche Entwicklung im Stahlbau zu fördern. In diesem Zusammenhang informierte Ralf Luther über eine Initiative zur Erstellung von Richtlinien für die tägliche Praxis zur Bemessung von Stahltragwerken und Kranbahnen. Er ging zudem auf die Homepage von bauforumstahl als wichtige Informationsplattform ein, auf der zahlreiche Publikationen zu verschiedensten Themen des Stahlbaus frei verfügbar sind. Mit einem Ausblick auf die fortschreitende Digitalisierung und die wirtschaftliche Entwicklung im Stahlbau rundete Herr Luther seine Begrüßung ab. Er übergab das Wort an Dr. Gregor Nüsse von der FOSTA, der in gewohnt eloquenter und sachkundiger Weise die Moderation der Fachtagung übernahm.

Der Eröffnungsvortrag zu den Stabilitätsnachweisen mit geometrischen Ersatzimperfektionen wurde von Prof. Stroetmann gehalten. Der Schwerpunkt lag hierbei in einer Gegenüberstellung verschiedener Detailregelungen der aktuellen Version der DIN EN 1993-1-1 (2010-12) und der prEN 1993-1-1 (2017-12). Nach einer kurzen Einführung zur Entwicklung und den strukturellen Änderungen der prEN 1993-1-1 stellte Prof. Stroetmann die verschiedenen Methoden der Tragwerksberechnung und Stabilitätsnachweise vor. Dabei erläuterte er zunächst die aktuellen Abgrenzungskriterien für die elastische und plastische Tragwerksberechnung sowie für verschiedene Stabilitätsfälle. Mit anschaulichen Praxisbeispielen ging er im Anschluss auf die drei Methoden der Stabilitätsnachweise nach DIN EN 1993-1-1 ein und gab Empfehlungen für deren Anwendung. In der prEn 1993-1-1 wird künftig ein Flowchart zur Verfügung stehen, mit dem auf sechs verschiedene Nachweismethoden zurückgegriffen werden kann. Prof. Stroetmann erläuterte die aktuellen und zukünftigen Regeln für Imperfektionsannahmen und ging auf die normativen Festlegungen zu Herstellungstoleranzen von Stahltragwerken und Walzprofilen ein. Er stellte dabei fest, dass die zulässigen Toleranzen teilweise deutlich über den anzusetzenden Imperfektionen liegen.

Prof. Andreas Taras knüpfte mit seinem Vortrag über Ersatzstabnachweise nach prEN 1993-1-1 nahtlos an den vorangegangenen Vortrag an. Neben der Abgrenzung der Bauteilnachweise von den Systemberechnungen besprach er zunächst an anschaulichen Beispielen, nach welcher Theorie Schnittgrößen zu berechnen sind. Wesentlich dabei ist, ob es sich bei der jeweiligen Eigenform des Systems in der Stabilitätsanalyse um ein „sway mode“ (d.h. ein Seitenverschiebungsmodus) handelt oder nicht. Im Anschluss erläuterte Prof. Taras die Regeln für die Stabilitätsnachweise von Stäben nach prEN 1993-1-1 und beleuchtete Hintergründe zur Festlegung des Teilsicherheitsbeiwert g_M1. Für die Biegedrillknicknachweise bei Biegung und reiner Normalkraft stehen in der prEN1993-1-1 mechanisch konsistente Abminderungsfunktionen zur Verfügung, die eine wirtschaftliche Bemessung ermöglichen. Mit der Erweiterung der Bauteilnachweise für monosymmetrische Querschnitte stellte Prof. Taras zudem eine wichtige Neuerung der prEN1993-1-1 vor, mit der eine Lücke des bisherigen Regelwerkes geschlossen wird.

Im Anschluss an die Kaffeepause des Vormittags eröffnete Herr Dr. Karsten Kathage, Vizepräsident des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) und Präsident der EOTA, den zweiten Vortragsblock mit seinen Ausführungen zur Novellierung des Bauordnungsrechtes und dessen Auswirkungen für den Stahlbau. Das EuGH-Urteil C-100/13 zum Verstoß Deutschlands durch die Nachregelung von Produkten gegen europäisches Recht war der Ausgangspunkt zur Überführung des nationalen in ein europarechtskonformes System. Die neue Musterbauordnung sieht eine klare Trennung zwischen den Bauwerks- und den Produktanforderungen sowie zwischen Bauprodukten mit und ohne CE-Kennzeichnung vor. Eine wesentliche Änderung stellt zudem die Einführung von allgemeinen Bauartgenehmigungen (aBG) dar, die vom DIBt erteilt werden können. Dabei handelt es sich um Nachweise, die den Zusammenbau von Bauprodukten zu Bauwerken, die Bemessung oder den Einbau betreffen. Der Stahlbau ist derzeit nicht von lückenhaften hEN betroffen, zum Teil existieren jedoch Regelungen von Bemessungs- und Ausführungsvorschriften in Bauartgenehmigungen, wie es beispielsweise für Verbunddecken und Verbundträger der Fall ist. Für tragende Stahlbauteile besteht zudem die Möglichkeit, eine europäische technische Bewertung (ETA) zu beantragen, wenn die EN 1090-1 für bestimmte Leistungsmerkmale kein Bewertungsverfahren enthält. Dies ist z.B. für die versuchsgestützte Bestimmung der Tragfähigkeit von Zuggliedern der Fall.

Prof. Dr. Rüdiger Höffer von der Ruhr-Universität Bochum referierte im Anschluss über die Einwirkungen aus Wind auf Tragwerke. Ausgehend von einem Einblick in die laufende Fortschreibung der Windlastnormung diskutierte er anhand verschiedener Beispiele meteorologische Beobachtungen. So gibt es zwischen der Windzonenkarte für Deutschland im Nationalen Anhang zu DIN EN 1991-1-4 und den jeweiligen Karten der europäischen Nachbarländer zum Teil inkohärente Übergange bei den Basiswindgeschwindigkeiten, die zu erheblichen Differenzen zwischen den Bemessungslasten führen und aktuell in der Workgroup und im Project-Team diskutiert werden. Am Beispiel der Talbrücke Nuttlar im Zuge der A46 und der Aftetalbrücke (B480) ging Prof. Höffer auf die Schwingungsanfälligkeit von Brückenüberbauten während des Vorschubes ein. Im Bauzustand weisen die Überbauten wegen der noch fehlenden Stahlbetonfahrbahnplatte eine verminderte Steifigkeit und einen tiefer liegenden Schubmittelpunkt auf. Dies kann zu selbsterregten Quer- oder Torsionsschwingungen führen. Mit geeigneten temporären Versteifungsmaßen und geometrischen Ergänzungen der auskragenden Überbauten zur Veränderung der aerodynamischen Eigenschaften ist es jedoch möglich, die Schwingungsanfälligkeit durch Wirbelanregung deutlich zu reduzieren.

Nach der Mittagspause eröffnete Prof. Dr. Martin Mensinger von der Technischen Universität München den dritten Vortragsblock mit seinen Ausführungen zur Stabilität ebener Flächentragwerke. Nach Erläuterungen mechanischer Grundlagen zum Plattenbeulen, dem überkritischen Tragverhalten und der Aktivierung stabilisierender Zugmembrankräfte quer zur Belastungsrichtung folgte die Vorstellung der Beulnachweise nach DIN EN 1993-1-5. Mit den Methoden der wirksamen Breiten und der reduzierten Spannungen liegen in der Norm zwei unterschiedliche Nachweiskonzepte vor, die ihre jeweiligen Anwendungsbereiche haben sowie Vor- und Nachteile aufweisen. So führt die Methode der wirksamen Breiten i. d. R. zu einer wirtschaftlicheren Bemessung, da das überkritische Tragverhalten und die Beanspruchungsumlagerungen innerhalb des Querschnittes berücksichtigt werden. Allerdings sind Beulfelder unter biaxialer Druckbeanspruchung nicht geregelt. Im Unterschied dazu ist die Methode der reduzierten Spannungen auch für Beulfelder mit komplexer Geometrie und beliebiger Beanspruchung geeignet. Die Anwendung wurde am Beispiel des Längsverschubes der Talbrücke Heidingsfeld erläutert. Zudem zeigte von Prof. Mensinger einen Großversuch an der TU München an einem längsversteiften Beulfeld unter zweiachsiger Beanspruchung und ging auf die Bemessung von Beulsteifen ein.

Im Vortrag von Prof. Dr. Harald Unterweger von der Technischen Universität Graz standen im Anschluss Bestandsbrücken und die Bewertung ihrer Restlebensdauer im Mittelpunkt. Häufige Gründe, die diese Bewertung erforderlich machen, sind die Unterschätzung der Ermüdungsbeanspruchung wegen verändertem Verkehrsaufkommen, die Überschätzung der Ermüdungsfestigkeit der Konstruktionsdetails und die fehlende Erfassung von Zwangsbeanspruchungen an kritischen Detailpunkten. Zu diesen Punkten zählen bei Vollwandhauptträgern die Endbereiche von Lamellen sowie die Quersteifenanschlüsse. Bei Fachwerkträgern sind die Anschlussdetails von Diagonalen im Bereich der Feldmitte aufgrund des Vorzeichenwechsels der Normalkräfte als kritisch zu bewerten. Die Berechnung der Restlebensdauer ist im Eurocode nicht explizit geregelt. Für Eisenbahnbrücken existieren mit der DB Richtlinie 805 in Deutschland und der ONR 24008 in Österreich nationale Regelwerke. Eine wichtige Grundvoraussetzung zur Anwendung dieser Richtlinien ist, dass keine Ermüdungsrisse vorliegen. Die Verwendung des Nennspannungskonzeptes ist möglich, wenn das untersuchte Konstruktionsdetail im Kerbfallkatalog vorhanden ist und keine signifikanten zusätzlichen Biegespannungen vorliegen. Ist dies nicht der Fall, kann das Strukturspannungskonzept weiterhelfen. Nach der Erläuterung einer aufbereiteten Lösung zur Berechnung der Restlebensdauer von Eisenbahnbrücken und dem entsprechenden Vorgehen bei Straßenbrücken ging Prof. Unterweger auf Methoden zur verbesserten Erfassung der Betriebsbeanspruchung auf Basis numerischer Simulationen ein. Wegen der teilweise konservativen Annahmen bei den üblichen Nachweisverfahren ist die Nichterfüllung der Kriterien nicht zwangsläufig mit dem Ende der Nutzungsdauer gleichzusetzen. Vielmehr ist eine genauere Ermittlung der lokalen Ermüdungsbeanspruchung notwendig. Bei Eisenbahnbrücken ist die Durchführung einer Verkehrssimulation mit dem Ermüdungslastmodell „EC-mix“ nach EN 1991-2 oft sinnvoll. Das Vorgehen unter Verwendung der Verkehrssimulation stelle Prof. Unterweger an drei Beispielen von Straßen- und Eisenbahnbrücken vor.

Nach einer kurzen Kaffeepause eröffnete Prof. Dr. Bernhard Weller von der TU Dresden den letzten Vortragsblock mit einer Übersicht über Entwicklungen von Stahl-Glas-Konstruktionen im Dach- und Fassadenbau. In statisch-konstruktiver Hinsicht nimmt Glas im Bauwesen eine Sonderstellung ein, da es sich um einen spröden Baustoff handelt, der bis zum Erreichen der Bruchdehnung ein linear elastisches Werkstoffverhalten aufweist, ehe es dann zu einem schlagartigen Versagen kommt. In der konstruktiven Durchbildung von lastabtragenden Glaskonstruktionen muss dieses Verhalten berücksichtigt werden. Das Dach über dem Innenhof des Reichstagspräsidentenpalais in Berlin ist ein gutes Beispiel für eine selbsttragende transparente Stahl-Glas-Konstruktion. Bei dem räumlichen Tragwerk wurde im Druckbereich eine lastabtragende Verglasung eingesetzt. Es kam Mehrscheiben-Isolierglas mit Scheibenabmessungen von 1,80 m x 1,26 m zum Einsatz. Die Kraftübertragung zwischen den Scheiben erfolgt über speziell entwickelte Knotenelemente. Ein noch transparenteres Tragwerk liegt mit dem Entwurf des kuppelförmigen Daches über dem Nationalratssitzungssaal in Wien vor. Die aus zwei Lagen Glasscheiben bestehende 28 m breite und 22,25 m lange Kuppel wird über ein innenliegendes Seilnetz vorgespannt, um jegliche Zugbeanspruchung in den Kontaktfugen zu überdrücken. Im Anschluss stellte Prof. Weller verschiedene hybride Biegebauteile für den Einsatz in Dach- und Fassadenkonstruktion vor. Dazu gehörten laminierte Glasträger aus Verbundsicherheitsglas, die durch geklebte Stahllamellen ein deutlich günstigeres Trag- und Resttragverhalten aufweisen. Ein weiteres Beispiel waren Spannglasträger, bei denen in Analogie zum Spannbetonbau über externe Bewehrung eine Vorspannkraft eingeleitet wird. Wesentliche Vorteile dieser Konstruktionsform sind die Ermöglichung größerer Spannweiten und höherer Lasten sowie die gezielte Beeinflussung der Durchbiegung der Träger durch die Vorspannung. Zum Abschluss seines Vortrags stellte Prof. Weller eine Brücke aus Spannglas mit einer Spannweite von 9 m vor, die für die „glasstec 2014“ gebaut und dem dortigen Fachpublikum präsentiert wurde.

Den Schlussvortrag der 12. Dresdner Stahlbaufachtagung hielt Prof. Dr. Peter Knödel vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) über Silos, Tanks und Schornsteine mit dem Schwerpunkt einer praxisgerechten Berechnung von Schalentragwerken. Nach einer kurzen Einführung in die verschiedenen Bauformen von Silos und Tanks ging er zunächst auf die Einwirkungen ein. So liegt ein wesentlicher Unterschied zwischen Tanks und Silos darin, dass bei flüssigkeitsgefüllten Tanks keine Axiallasten aus der Füllung in der Wandung entstehen und die rotationssymmetrischen Radiallasten mit dem Füllstand linear zunehmen. Im Unterschied dazu konvergieren bei Silos die Radiallasten gegen einen Grenzwert. Zudem ist das Verhalten des Füllgutes während der Entleerung für die Beanspruchung der Silos bedeutend. So kann es neben einem zentrischen Fließprofil abhängig von der Geometrie, der Position des Entnahmetrichters und des Mediums zur Ausbildung exzentrischer Fließkanäle und der Bildung von Coriolis-Wirbeln kommen. Hierdurch entstehen asymmetrische Belastungen der Silowandungen. An Übergängen von Schalen kommt es aufgrund von Randstörungen oft zu hohen lokalen Biegespannungen im Mantelblech und zur Bildung von Fließgelenken über den Schalenumfang. Im Unterschied zu Stabzügen, bei denen sich ab einer bestimmten Anzahl Fließgelenken kinematische Ketten bilden, können sich bei Rotationsschalen beliebig viele umlaufende Fließgelenke einstellen, ohne dass sich ein kinematisches Versagen einstellt. Spannungsüberschreitungen aus diesen durch Randstörungen verursachten Biegebeanspruchungen sind i. d. R. nicht bemessungsrelevant, da sie durch Plastizieren abgebaut werden. Eine wichtige Voraussetzung zur Ausbildung von Fließgelenken ist ein ausreichendes Dehnungsvermögen des verwendeten Werkstoffes. Anhand von Fallbeispielen ging Prof. Knödel auf verschiedene weitere Themen, wie die Aussteifung von Schalen im Montagezustand und Schäden bei Getreidesilos, ein. Den Abschluss seines Vortrags bildeten Ausführungen zu Schwingungsdämpfern und Ermüdungsnachweisen bei Stahlschornsteinen.

In den Pausen der Fachtagung nutzten die Teilnehmer die Gelegenheit, sich an den Ständen der Aussteller über Software, neue Produkte und Fachliteratur zu informieren und vertiefende Fachdiskussionen zu führen. Die Veranstaltung mit ihrer Mischung von Themen aus der Wissenschaft, Normung und Praxis wurde von den Teilnehmern und Referenten sehr positiv bewertet. Der Termin für die kommende Dresdner Stahlbaufachtagungen ist für den 20. März 2019 geplant. Dafür wird bereits jetzt an der Zusammenstellung eines interessanten Tagungsprogramms gearbeitet.

Dipl.-Ing. Thoralf Kästner
Technische Universität Dresden
Institut für Stahl- und Holzbau