Dresdner Stahlbaufachtagung 2019 Stahl- und Verbundbau – Neues aus Forschung, Normung und Praxis
Am 28. März fand die inzwischen 13. Dresdener Stahlbaufachtagung im Gerhart-Potthoff-Bau der Technischen Universität Dresden statt. Unter der Überschrift „Stahl- und Verbundbau – Neues aus Forschung, Normung und Praxis“ bot sich den knapp 200 Teilnehmern ein breites und vielschichtiges Vortragsprogramm. Themenschwerpunkte waren höherfeste Stähle, genietete Konstruktionen, die Ermüdungsfestigkeit, Bauen mit Sandwichelementen und die Bemessung für den Brandfall. Zudem wurde das Projekt adidas ARENA in Herzogenaurach vorgestellt, das auf der Messe BAU 2019 in München mit dem Deutschen Ingenieurpreis des Stahlbaus ausgezeichnet wurde. Organisiert wurde die Veranstaltung durch das Institut für Stahl- und Holzbau der Technischen Universität Dresden und die Bauakademie Sachsen. Die Tagung wurde unterstützt von bauforumstahl, der FOSTA, der Ingenieur- und der Architektenkammer Sachsen, dem Verband Beratender Ingenieure (VBI), dem Verlag Ernst & Sohn und der Baukammer Berlin.
Prof. Dr. Richard Stroetmann vom Institut für Stahl- und Holzbau der TU Dresden eröffnete die Veranstaltung mit einer kurzen Begrüßung der Teilnehmer und Dankesworten an die Referenten, die aus vielen Teilen Deutschlands nach Dresden gekommen waren. Im Rahmen der Eröffnung sprach Dipl.-Ing. Ralf Luther, Vizepräsident des Deutschen Stahlbauverbandes (DSTV), über die Bedeutung eines gemeinsamen Dachverbandes, der die Interessen des deutschen Stahlbaus bündelt und auf politischer Ebene vertritt, wie beispielsweise bei der Festlegung von Vergabe- und Ausschreibungsrichtlinien. Herr Luther machte in seiner Rede auf die Chancen aufmerksam, die sich für den Stahlbau im Bereich des Wohnungsbaus und der Aufstockung von Gebäuden bieten. Vor allem die Effizienz, das geringe Gewicht, die schnelle Ausführung und Nachhaltigkeit der Stahlbauweise können hierzu vorteilhaft genutzt werden. Dr. Gregor Nüsse von der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) übernahm anschließend die Moderation und führte sachkundig und eloquent durch die Veranstaltung.
Den Eröffnungsvortrag hielt Prof. Dr. Richard Stroetmann über den Einsatz höherfester Stähle im Stahlbau. In der Einführung ging er auf die Herstellung und die Prinzipien zur Erzielung höherer Festigkeiten ein. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Erläuterung des thermomechanischen Walzens und dessen Vorteile. So weisen TM-Stähle bei gleicher Streckgrenze ein deutlich geringeres Kohlenstoffäquivalent auf als normalisierend gewalzte Feinkornbaustähle nach DIN EN 10025-3 oder Vergütungsstähle nach DIN EN 10025-6. Dies ermöglicht bei gleichen Prozessparametern mit niedrigeren Vorwärmtemperaturen zu schweißen oder gleich ganz auf ein Vorwärmen zu verzichten. Daran anschließend erläuterte Prof. Stroetmann die Neuerungen, die sich mit der nächsten Generation des Eurocode 3 (z. Zt. prEN 1993) ergeben. So werden u. a. die zusätzlichen Reglungen des Teil 1-12 für Stahlsorten bis S700 in die jeweils betreffenden Teile des Eurocodes integriert. Zudem wurden die werkstofflichen Anforderungen an die Stähle in den Bemessungsregeln überarbeitet. Zukünftig wird die Anwendung der elastischen und plastischen Tragwerksbemessung nur noch über das Verhältnis von Zugfestigkeit zu Streckgrenze sowie durch die erforderliche Bruchdehnung geregelt. Das Kriterium zur Gleichmaßdehnung entfällt, da u. a. Angaben hierzu in den Produktnormen fehlen. In seinem Vortrag ging Prof. Stroetmann zudem auf die Neuregelung der Querschnittsklassifizierung ein, bei der künftig für beidseitig gestützte Plattenstreifen strengere Grenzwerte c/t gelten und damit insbesondere bei Druckstäben mit I- und Kastenquerschnitten oftmals ungünstigere Einstufungen verbunden sind. Beim Nachweis stabilitätsgefährdeter Bauteile gibt es künftig ebenfalls eine Vielzahl neuer Regelungen, die nicht nur die Bauteile aus höherfesten Stählen betreffen. Hierzu gehören z. B. Änderungen und Ergänzungen bei Zuordnung von Querschnitten zu Knicklinien und die Anwendung modifizierter Abminderungsfunktionen für das Biegedrillknicken. Weitere Schwerpunkte im Vortrag bildeten Neuregelungen zur Bemessung von geschraubten und geschweißten Anschlüssen bei Konstruktionen aus höherfesten Stählen und die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Schweißnähten in Abhängigkeit der verwendeten Prozessparameter.
Im zweiten Fachvortrag präsentierte Prof. Dr. Markus Feldmann von der RWTH Aachen aktuelle Ergebnisse zur Analyse und Weiterentwicklung des Kerbfallkataloges der EN 1993-1-9. Den Ausgangspunkt seiner Erläuterungen bildete ein Vergleich der Kerbfalleinstufungen in verschiedenen Normen und Richtlinien, wie z. B. der IIW- und FLM-Richtlinie und der DIN EN 13001-1, bei dem nach dem Eurocode 3 oftmals die konservativste Bewertung erfolgt.
Er erläuterte die Notwendigkeit einer Neubewertung der existierenden Versuchsdaten. Hierzu wird derzeit eine umfangreiche Datenbank aufgebaut, in der ausschließlich auf Primärquellen zurückgegriffen wird. Zu ausgewählten Kerbfällen präsentierte Prof. Feldmann Ergebnisse der Neubewertung, die zum Teil zu deutlich günstigeren Kerbfalleinstufungen führen. Daran anknüpfend erläuterte er Ermüdungsversuche an hochfesten vorgespannten Schrauben und Stirnplattenverbindungen, ging auf den Unterschied von gerollten und geschnittenen Gewinden sowie dem Einfluss der Verzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit ein. Letzterer ist deutlich erkennbar, die Einstufung in den Kerbfall 50 jedoch vertretbar, sodass auch künftig auf eine detaillierte Differenzierung in Bezug auf die Herstellung zugunsten einfacher Regeln verzichtet werden kann. Abschließend ging Prof. Feldmann auf die Ermüdungsfestigkeit der Obergurtanschlüsse von Kranbahnträgern ein. Für dieses Kerbdetail ist immer noch eine unzureichende Versuchsdatenbasis vorhanden. Wegen der schlechteren Einstufung im Vergleich zur früher geltenden DIN 4132 (auch DIN 15018) ergeben sich bei der Nachrechnung bestehender Kranbahnen regelmäßig Probleme. Die Schadensauswertung von über 200 ausgetauschten Trägern der Hüttenindustrie verdeutlichte die Dringlichkeit der Neueinstufung. Dazu erläuterte Prof. Feldmann einen Normungsvorschlag, der den Einfluss der Schweißnahtausbildung und der Abmessungsverhältnisse berücksichtigt.
Nach der ersten Pause eröffnete Herr Prof. Dr. Andreas Taras von der Universität der Bundeswehr München den zweiten Vortragsblock mit Ausführungen zur Tragsicherheit und Ermüdungsfestigkeit genieteter Konstruktionen. Die Niettechnik war bis in den 1930er Jahren die vorherrschende Verbindungstechnik im Ingenieur- und Hochbau. Oftmals stehen heute noch existierende Tragwerke unter Denkmalschutz, sodass ein Ersatzneubau mit aktueller Verbindungstechnik nicht in Frage kommt. Anforderungen an die Aufrechterhaltung des Verkehrsbetriebes sowie logistische und wirtschaftliche Zwänge führen in vielen Fällen dazu, dass Brückentragwerke ihre rechnerische Lebensdauer bereits weit überschritten haben. Im Mittelpunkt des Vortrages von Prof. Taras stand deswegen zunächst die Frage, wie lange die Lebensdauer solcher Konstruktionen verlängert werden kann. Aufbauend auf die Klassifizierung von Verbindungen an historischen Brücken, stellte er die Ergebnisse von Bauteilversuchen an genieteten Brückenlängsträgern aus dem Jahr 1903 vor. Die Versuche führen zu einer deutlich besseren Einstufung als der nach EC3 anzusetzende Kerbfall 71. Im Weiteren stellte Prof. Taras die statistische Auswertung von Ermüdungsversuchen und die Kategorisierung von Kerbdetails genieteter Bauteile vor. Auf dieser Basis wurde ein Kerbfallkatalog für genietete Konstruktionen erstellt, der in den österreichischen Vorschriften RL ÖBB (ONR 24008) und RL SBB Eingang fand und im Report „JRC / ECCS Recommendations for the Assessment of Existing Steel Structures“ veröffentlicht wurde. Im Anschluss ging Prof. Taras auf den Betriebsfestigkeitsnachweis für Eisenbahnbrücken nach der Neufassung der RiL805 ein. Neben dem Eurocode-konformen Nachweisformat ist die Einführung eines „Ampelsystems“ zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit geplant. Dieses sieht die Einteilung von Eisenbahnbrücken in die folgenden drei Klassen vor:
- Schadensindex zu groß, zusätzlich zur detaillierten Inspektionen und Berechnung sind evtl. auch Verstärkungsmaßnahmen einzuleiten,
- rechnerische Nutzungsdauer erschöpft, detaillierte Inspektionen und Untersuchungen auf bruchmechanischer Basis erforderlich,
- rechnerische Restnutzungsdauer nachgewiesen, übliche fortlaufende Inspektionsintervalle ausreichend.
Den Abschluss seines Vortrages bildeten Ausführungen zur Festigkeit von Altstählen und deren Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren. Diese weisen starke statistische Streuungen auf, sodass eine Differenzierung bzgl. der Teilsicherheitsbeiwerte beim Nachweis für den Grenzzustand der Tragfähigkeit erforderlich ist.
Frau Svenja Holtkamp M. Sc. von der Technische Universität Dortmund referierte im Anschluss über die Ermüdungsfestigkeit verzinkter Stahltragwerke. In ihrer Einführung erinnerte sie daran, dass Korrosionsschäden oft eine der Hauptursachen für Reparaturmaßnahmen oder die Ausführung von Ersatzneubauten bei Stahl- und Verbundbrücken sind. Instandhaltungsmaßnahmen des Korrosionsschutzes zögern sich oftmals hinaus oder fehlen gänzlich. Vor allem bei organischen Beschichtungen, die während einer planmäßigen Nutzungsdauer von 100 Jahren zwei bis dreimal erneuert werden müssen, entsteht ein hoher Unterhaltungsaufwand. Eine Alternative ist der Korrosionsschutz durch Feuerverzinken, der erheblich zur Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit beitragen kann. Die Schutzdauer ist deutlich länger als bei organischen Beschichtungen; sie kann die Lebensdauer der Brücken erreichen. Wegen fehlender Kenntnisse zum Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit wurde dieser Korrosionsschutz in Deutschland bisher meist nur bei ruhend beanspruchten Konstruktionen eingesetzt. Daher wurden Forschungsprojekte aufgelegt, deren Schwerpunkt in der Ermüdungsfestigkeit verzinkter Konstruktionen lag. Hierzu gehören die AiF-FOSTA Projekte P835 zur Beurteilung von Kerbfällen für feuerverzinkte Bauteile im Brückenbau und P1042 über die Ermüdungsfestigkeit von Dübelleisten. Wesentliche Erkenntnisse aus den Vorhaben sind, dass bei günstigen Kerbfallklassen eine Abminderung der Ermüdungsfestigkeit von etwa einer Klasse auftritt, während bei ungünstigen Kerbfällen der Einfluss der Verzinkung zu keiner signifikanten Verschlechterung führt. Im Anschluss stellte Frau Holtkamp einige Ergebnisse des AiF-FOSTA Forschungsvorhabens P1042 zur Ermüdungsfestigkeit feuerverzinkter Dübelleisten vor, die hauptsächlich im Verbundbrückenbau eingesetzt werden. Nach umfangreichen experimentellen Untersuchungen wurde festgestellt, dass verzinkte Dübelleisten, analog zu den unverzinkten, dem Kerbfall 125 zugeordnet werden können. Die positiven Korrosionsschutzeigenschaften der Feuerverzinkung können damit auch im Brückenbau genutzt werden.
Nach einer Mittagspause mit angeregten Diskussionen eröffnete Prof. Dr. Jörg Lange von der Technischen Universität Darmstadt den dritten Vortragsblock mit einer Übersicht über Innovationen in der Sandwichtechnologie. Zunächst gab er Hinweise zu den verwendeten Kernwerkstoffen und deren Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten von Sandwichelementen. So ist neben dem E-Modul des Kerns auch dessen Schubmodul bedeutend. Bei Durchlaufträgern kommt es aufgrund der Schubverformungen zu einer Reduzierung des Stütz- und eine Zunahme des Feldmomentes. Die Dehn- und Schubsteifigkeit des Kerns sowie die Verklebung beeinflussen die aufnehmbare Knitterspannung in den Deckblechen. Im Anschluss stellte Prof. Lange aktuelle Weiterentwicklungen bei der Formgebung von Sandwichelementen vor. Während die Ausführung ebener Elemente die Regel ist, werden künftig auch ein- und zweiachsig gekrümmte Elemente verfügbar sein, mit denen komplexere schalenförmige Geometrien modelliert werden können. Dies wird den Einsatzbereich von Sandwichelementen deutlich erweitern. Besondere Aufmerksamkeit bei der Bemessung ist den lokalen Versagensformen zu schenken, wie z.B. das Eindrücken des Kerns und der angrenzenden Tragschale an linienförmigen Zwischenauflagern und lokalen Verankerungen. Nach Ausführungen zur Luft- und Wasserdichtigkeit von Dach- und Wandverkleidungen erläuterte Prof. Lange abschließend die Schubfeldwirkung von Sandwichelementen und den Ansatz einer Drehbettung zur Kippstabilisierung von Trägern.
Im Anschluss referierte Prof. Dr. Markus Knobloch von der Ruhr Universität Bochum über die Bemessung von Stahl- und Verbundkonstruktionen für den Brandfall. Ausgehend von den Brandschutzzielen, -konzepten und -anforderungen stellte er Strategien und Methoden für den baulichen Brandschutz vor. Der präskriptive Ansatz stellt die einzelnen Bauteile in den Vordergrund, die der Brandeinwirkung für eine definierte Zeit widerstehen müssen. Dafür werden die Bauteile u. a. in Normbrandversuchen geprüft. Aufgrund abweichender Randbedingungen während eines realen Brandfalls ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse meist nicht gegeben. Darüber hinaus führt diese Vorgehensweise oftmals zu Redundanzen im Tragwerk. Im Unterschied zum präskriptiven Ansatz werden beim schutzziel- und tragwerksorientierten Ansatz konkrete Leistungsanforderungen für das Tragwerk im Brandfall formuliert. Dies hat oftmals Vorteile für die Wirtschaftlichkeit und Gestaltung der Konstruktionen. Im Anschluss gab Prof. Knobloch eine Übersicht zu den Bemessungsregeln der Eurocodes und ging auf die rechnerische Analyse und Prognose des Brandverhaltens von Tragwerken ein. Zur Berechnung des Tragwiderstandes werden mit dem Brandmodell, dem thermischen Modell und dem Strukturmodell drei Teilmodelle benötigt. Die Eingangsgrößen dieser Modelle sind dahingehend zu differenzieren, ob sie über die Branddauer konstant oder veränderlich sind. Als Beispiel hierzu ging Prof. Knobloch auf die Ergebnisse von Warmzugversuchen an Stählen S690QL und S960QL und den Einfluss der Dehnrate ein. Im Abschluss seines Vortrags gab er einen Ausblick auf Untersuchungen zum Einfluss des Brandes bei höherfesten Stahlbauteilen und deren nachfolgende Nutzung. Da Erwärmungen über die Ac1-Temperatur zu Gefügeveränderungen führen, kann es zu deutlichen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften der Stähle kommen. Die festigkeitssteigernde Wirkung eines Vergütungsprozesses und die Wirkung des thermomechanischen Walzens gehen verloren. Daher sind diese Bauteile nach einem Brandereignis unter Einbeziehung dieses Verhaltens zu beurteilen.
Nach einer kurzen Kaffeepause knüpfte Frau Dr. Regine Schneider von KREBS+KIEFER Ingenieure GmbH mit Ihren Vortrag zur Heißbemessung im Stahlbau mit Naturbrandmodellen nahtlos an den vorangegangenen Vortrag an. Sie erläuterte zunächst den Ablauf einer Heißbemessung, der sich aus der thermischen Analyse der Bauteile, der mechanischen Analyse und dem Nachweis der Standsicherheit zusammensetzt. Zur Ermittlung der thermischen Einwirkungen können die Einheitstemperaturzeitkurve oder ein Naturbrandmodell herangezogen werden. Mit Naturbrandmodellen lassen sich die spezifischen Randbedingungen im Brandfall erfassen. Damit wird eine risikogerechte Auslegung der Konstruktion ermöglicht. Bei der Anwendung dieser Modelle sind entsprechende Naturbrandberechnungen durch einen Fachplaner für Brandschutz durchzuführen und durch einen Prüfingenieur bzw. Prüfsachverständigen für Brandschutz zu prüfen. Die Berechnungen bilden zusammen mit dem Brandschutzkonzept des Brandschutzplanes die Grundlage für die Heißbemessung durch den Tragwerksplaner. Anschließend stellte Frau Dr. Schneider einige Praxisbeispiele aus ihrer Tätigkeit als Prüfsachverständige für Brandschutz vor. Den Anfang bildete die Revitalisierung einer Versammlungsstätte in Darmstadt, bei der die Dachkonstruktion einer Kantine durch eine Heißbemessung nachgewiesen werden sollte. Bei dem Dachtragwerk handelt es sich um ein räumliches Fachwerk aus Stahlhohlprofilen. Als Bemessungsbrand wurde eine Brandleistung von 280 kW/m² und eine Brandausbreitungsgeschwindigkeit von 0,37 m/s angesetzt. Für die Werkstoffmodellierung zum Nachweis der Standsicherheit wurden nichtlineare Werkstoffgesetzte für unterschiedliche Temperaturniveaus eingesetzt, um die Festigkeitsabnahme der Bauteile in angemessener Weise zu berücksichtigen. Weitere Beispiele, die im Rahmen des Vortrages ausführlich erläutert wurden, waren der Neubau einer Hubschrauberlandeplattform für ein Krankenhaus in Darmstadt sowie ein schienengebundenes Personentransportsystem am Flughafen Frankfurt/Main.
Den Schlussvortrag der Tagung hielten Herr Dr. Norbert Sauerborn von der stahl + verbundbau GmbH in Dreieich und Herr Dipl.-Ing. Lars Feulner von der Züblin Stahlbau GmbH in Hosena zum Bau der adidas ARENA – World of Sports in Herzogenaurach. Der Gebäudekomplex besteht aus zwei Teilen, einem in das Gelände integrierten Sockelgeschoss als Stahlbetonkonstruktion sowie einem über V-förmige Stützen abgesetzten dreigeschossigen Aufbau in Stahlverbundbauweise. Der Aufbau hat eine dreidimensionale Tragstruktur aus vier Trägerrostebenen mit kreuzweise gespannten Hauptträgern und biegesteif angeschlossenen kastenförmigen Stützen. Neben Erläuterungen zur Tragstruktur und zum Brandschutzkonzept der Geschossdecken stand die Montage des Überbaus im Mittelpunkt des Vortrages. Die Stahlkonstruktion wurde zu großen Teilen in Bodennähe vormontiert und im Anschluss angehoben. Hierfür kamen circa 200 Hilfsstützen mit einer Höhe von 2 m zum Einsatz. Die Vormontage umfasste insgesamt 6 Bauabschnitte. Im letzten Bauabschnitt vor dem Hub wurden die zweigeschossigen Stützen der obersten beiden Ebenen sowie Teile der Deckenträger des 2. Obergeschosses montiert. Zur Aussteifung wurde zudem die Verbunddecke über dem Zwischengeschoss betoniert. Der anschließende Hubvorgang erfolgte über je vier Hubstützen mit hydraulischen Pressen, die im Bereich der Stützenfußpunkte angeordnet waren. Die Gesamthublast in diesem Bauzustand betrug circa 12.500 t, die Konstruktion wurde um 10,5 m auf 12,5 m angehoben. Danach wurden die geneigten Verbundstützen eingesetzt und die Konstruktion kontrolliert auf die Endhöhe abgelassen.
Die Teilnehmer der Fachtagung nutzten die Pausen zu vertiefenden Fachdiskussionen und zum Informationsaustausch an den Ständen ausstellender Firmen und Ingenieurdienstleister im Foyer. Sowohl die Besucher als auch die Referenten beurteilten die diesjährige Dresdner Stahlbaufachtagung wieder sehr positiv. Die interessante Mischung von Themen aus Wissenschaft und Praxis wurde als sehr gelungen empfunden. Die Veranstalter freuen sich darauf, auch im nächsten Jahr die Reihe der Dresdner Stahlbaufachtagungen am 24. März 2020 fortzusetzen und hoffen auf eine ähnlich gute Resonanz.
Bericht: Dipl.-Ing. Thoralf Kästner (TU Dresden)