Egal ob Lagerhaus, Fabrik oder Geschäftsgebäude: Die angemessene Berücksichtigung der Belastung bei der Gebäudeplanung ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit und Haltbarkeit der Struktur.

Wir untersuchen detailliert die Arten, Berechnungsmethoden und Auslegungspunkte von Stahlkonstruktionslasten, um Ihnen ein besseres Verständnis dieses komplexen technischen Problems zu ermöglichen und Ihnen eine fundierte Anleitung für die praktische Konstruktion zu geben. Egal, ob Sie Branchenneuling oder erfahrener Ingenieur sind, dieser Artikel liefert Ihnen konkrete praktische Vorschläge und technische Hinweise.

Belastungsarten in Stahlkonstruktionen

Bei der Stahlkonstruktionsplanung sind Lasten der zentrale Faktor für die Sicherheit und Stabilität eines Gebäudes. Verschiedene Lastarten haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Struktur. Daher ist es wichtig, die Eigenschaften dieser Lasten und ihre konstruktionstechnische Bedeutung zu verstehen. Im Folgenden werden gängige Lastarten in der Stahlkonstruktionsplanung und ihre Kurzbeschreibungen vorgestellt.

1. Eigenlast

Die Eigenlast umfasst das statische Gewicht des starren Rahmens sowie das Gewicht von Komponenten wie Dachpaneel, Pfetten, Dämmwatte und anderen. Nachfolgend sind einige typische Eigenlastwerte aufgeführt:

• Pfette + Dachplatte (0,5mm Dicke): 0,10 KN/m²
• Pfette + Dachplatte (0,5 mm Dicke) + Dachunterspannplatte (0,5 mm Dicke): 0,15 KN/m²
• Pfette + Sandwichplatte: 0,15 KN/m²

Die genaue Eigenlastberechnung muss auf die jeweiligen Gegebenheiten abgestimmt sein. Bei der Installation zahlreicher Abhängevorrichtungen auf dem Dach darf das Gewicht der Träger, die diese Vorrichtungen verbinden und tragen, nicht außer Acht gelassen werden und muss in die Eigenlastberechnung des Daches einbezogen werden.

2. Verkehrslast und Dachhängelast

Dachnutzlast: Bei der Verwendung eines Leichtdachs aus gewelltem Stahlblech sollte der Standardwert der vertikalen Nutzlast des Dachs 0,5 kN/m² betragen (Hinweis: Wenn der starre Rahmen oder die Pfette nur eine Variable hat und die tragende Fläche 60 m² überschreitet, kann die Nutzlast für den Stahlrahmen 0,3 kN/m² betragen).

Dachhängelast: Die Dachlast kann, einschließlich Sprinkler, Rohre, Lampen usw., in die Nutzlast des Dachs einbezogen werden.

Häufig verwendete Lastwerte für Dachaufhängungen können wie folgt bezeichnet werden:

• Gipskartondecke 0,15 KN/m2
• Klimakanal 0,05 KN/m2
• Beleuchtung 0,05 KN/m2
• Sprinkler 0,15 kN/m2

Da das Dachsystem aus Leichtstahlkonstruktionen sehr leicht ist, ist es bei der Verwendung von Konstruktionssoftware wie STS (die keine Berücksichtigung von Aufhängungslasten erlaubt) sinnvoller, die Kernlast der Dachaufhängung in die Nutzlast einzubeziehen. Wird die Dachaufhängungslast in der Eigenlast berücksichtigt, ist die Konstruktion bei Kombination aus Eigenlast und Windlast unsicher.

3. Schneelast

Bei der Betrachtung der Schneelast ist zu beachten:

1. Es ist notwendig, μr zu berücksichtigen – den Schneeverteilungskoeffizienten auf dem Dach gemäß Code 50009-2001. Der Grundschneedruck multipliziert mit dem Schneeakkumulationskoeffizienten ergibt den Standardwert der Schneelast.

2. Bei der Bemessung der tragenden Bauteile der Gebäudekonstruktion und des Daches kann die Verteilung der Schneeansammlung nach folgenden Vorgaben berücksichtigt werden:
   • Dachplatten und Pfetten werden entsprechend der ungünstigsten Situation einer ungleichmäßigen Schneeverteilung eingesetzt;
   • Dachstühle und Bogenschalen können entsprechend der gleichmäßigen Verteilung der Schneeansammlung über die gesamte Spannweite, der ungleichmäßigen Verteilung der Schneeansammlung bzw. der gleichmäßigen Verteilung der Schneeansammlung über eine halbe Spannweite angepasst werden.
   • Rahmen und Stützen können entsprechend der gleichmäßigen Verteilung der Schneeansammlung über die gesamte Spannweite angepasst werden.

4. Windlast

Der Windlastformkoeffizient des Portalrahmens kann gemäß dem „Building Structure Load Code“ (GB50009-2001) oder dem „Technical Code for Lightweight Steel Structure of Portal Frame“ (CECS102:2002) ermittelt werden. Bitte beachten Sie Folgendes:

• Der Basiswinddruck sollte entsprechend dem 50-jährigen Winddruck gemäß Anhang D.4 des Lastcodes übernommen werden, darf jedoch nicht weniger als 0,3 kN/m2 betragen.

• Nicht alle Portalrahmen können gemäß CECS verwendet werden. Der Portalcode gilt nur für: Dachneigung α ≤ 10, durchschnittliche Dachhöhe ≤ 18 m, Verhältnis von Haushöhe zu -breite ≤ 1 und Traufhöhe ≤ die horizontale Mindestgröße des Hauses;

• Wenn der Säulenfuß gelenkig ist und das l/h des Rahmens kleiner als 2,3 ist und der Säulenfuß starr verbunden ist und das l/h kleiner als 3,0 ist, ist es sicherer, den in GB50009 angegebenen Windlastkörperformkoeffizienten für die Rahmenkonstruktion zu verwenden, während die Verwendung des Werts von GB50009 in anderen Fällen zu einer unsicheren Konstruktion führt;

• In jedem Fall sollte die algebraische Summe der Wandformkoeffizienten auf beiden Seiten des horizontalen Rahmens nicht kleiner als 1,2 sein.

5. Kranlast

Die vertikale Last von Brücken- (Balken-) oder Hängekranen ist entsprechend der ungünstigen Lage des Krans zu berücksichtigen; die horizontale Last kann bei Handkranen und Elektrohebezeugen vernachlässigt werden.

6. Erdbebenlast

Bei hoher seismischer Verstärkungsintensität, großer Gebäudespannweite und -höhe oder bei vielen schwankenden Stützen in der Breite kann die horizontale Erdbebenwirkung gemäß dem „Building Seismic Design Code“ unter der Kombination aus starrem Rahmen und Erdbeben links und rechts überprüft werden. Bei der Berechnung kann das Dämpfungsverhältnis mit 0,05 angenommen werden.

4. Sonstige Belastungen

7. Sonstige Belastungen

Zusätzlich zu den oben genannten allgemeinen Belastungen können auf Stahlkonstruktionen auch einige besondere Belastungen einwirken.

Thermische Belastungen: Durch Temperaturschwankungen bedingte Ausdehnung und Kontraktion von Materialien können zu Spannungen in der Struktur führen. Die Auswirkungen thermischer Belastungen können durch den Einbau von Dehnungsfugen oder flexiblen Verbindungselementen gemildert werden.

Explosionslast: Die durch die Explosion erzeugte Aufprallkraft wird üblicherweise bei der Konstruktion von Hochsicherheitsgebäuden verwendet.

Baulast: Während des Bauprozesses entstehende temporäre Belastungen, wie etwa Baugeräte, Materialstapelung usw.

Schwingungsbelastung: Belastung durch mechanische Geräte, Verkehr oder andere externe Vibrationsquellen.

Korrosionsbelastung: Verschlechterung der Materialleistung durch Umweltkorrosion, was indirekt zu einer Erhöhung der strukturellen Belastung führt.

Bei der Stahlkonstruktionsplanung ist die Lastanalyse ein wichtiger Schritt, um die Sicherheit und Stabilität des Gebäudes zu gewährleisten. Ob Eigenlast, Nutzlast, Umweltlast oder andere Sonderlasten – wir bieten Ihnen umfassende Analyse- und Konstruktionslösungen. Bei Fragen zur Lastanalyse oder Konstruktion kontaktieren Sie uns gerne. Wir sind für Sie da!

Stahlkonstruktion Lastkombination

Warum brauchen wir eine Lastkombination?

In der Praxis sind Bauwerke häufig mehreren Belastungen gleichzeitig ausgesetzt. Die Auslegung unter einer einzelnen Last kann die komplexe Situation im tatsächlichen Einsatz nicht vollständig widerspiegeln. Daher muss die Lastkombination den synergetischen Effekt verschiedener Lasten berücksichtigen und die Sicherheit und Stabilität von Stahlkonstruktionen unter verschiedenen möglichen Bedingungen gewährleisten.

Häufige Lastkombinationen

• Eigenlast + Nutzlast: Dies ist die häufigste Lastkombination, die verwendet wird, um die statische und dynamische Last der Struktur unter normalen Nutzungsbedingungen zu berücksichtigen.
• Windlast + Schneelast: Wird häufig bei Hochhäusern oder Freiluftanlagen verwendet, wobei die Überlagerung von Wind- und Schneelast berücksichtigt wird.
• Erdbebenlast + Eigenlast: Berücksichtigen Sie in erdbebengefährdeten Gebieten die Stabilität der Struktur unter Erdbebeneinwirkung und die kombinierte Wirkung der konstanten Last.

Diese Lastkombinationen können nicht nur den Sicherheitsfaktor der Konstruktion verbessern, sondern auch die Leistung der Struktur unter komplexen Arbeitsbedingungen vernünftig vorhersagen.

Die Auslegung von Lastkombinationen muss den lokalen Bauvorschriften (wie ASCE, europäischen Normen usw.) entsprechen. Diese Vorschriften haben spezifische Anforderungen an Lastkombinationen basierend auf regionalen Besonderheiten formuliert, um eine sichere und wirtschaftliche Konstruktion zu gewährleisten. Die Einhaltung der Vorschriften kann nicht nur die Sicherheit der Struktur verbessern, sondern auch Überdimensionierungen vermeiden und Kosten sparen.

Lastanalyse und Bemessung von Stahlkonstruktionen

Finite-Elemente-Analyse (FEA)

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist ein wertvolles Werkzeug zur Analyse von Stahlkonstruktionen. Sie ermöglicht es Ingenieuren, die Spannungsverteilung innerhalb der Konstruktion unter verschiedenen komplexen Belastungen (einschließlich Eigenlast, Nutzlast, Windlast, Erdbebenlast usw.) zu visualisieren und potenzielle Probleme zu erkennen.

Balken- und Säulenkonstruktion

Träger und Stützen sind die wichtigsten Teile von Stahlkonstruktionen und für die Aufnahme und Übertragung von Lasten verantwortlich.

Die Last wird von den Balken auf die Stützen übertragen:

• Die Funktion von Balken besteht darin, Lasten (z. B. das Gewicht des Bodens, von Personen oder Möbeln) zu tragen und diese dann auf Stützen abzuleiten. Diese leiten die Lasten anschließend auf das Fundament weiter. Achten Sie bei der Konstruktion auf eine gleichmäßige Lastübertragung, um strukturelle Ungleichgewichte zu vermeiden.

Auswahl der Balken- und Stützengröße:

• Die Größe von Balken und Stützen sollte entsprechend der Belastungsgröße bestimmt werden. Ist die Größe zu klein, bietet sie möglicherweise keine ausreichende Unterstützung, während eine zu große Größe zu Materialverschwendung führt. Ingenieure müssen die richtige Größe basierend auf der Belastung und den Vorschriften wählen.

Beispielsweise muss ein Fabrikträger schwerere Geräte tragen und muss daher größer sein oder aus stärkerem Stahl bestehen, während ein Träger für Wohnhäuser kleiner sein kann.

Fundamentdesign

Die Hauptaufgabe eines Fundaments besteht darin, die statische Belastung sicher auf den Boden abzuleiten. Bei der Planung des Fundaments ist es entscheidend, dessen Stabilität sicherzustellen, um Probleme zu vermeiden.

Lastübertragung auf den Boden:

• Das Fundament muss die Last gleichmäßig auf den Boden verteilen können. Berücksichtigen Sie bei der Planung die Tragfähigkeit des Bodens und stellen Sie sicher, dass das Fundament das Gewicht der gesamten Struktur tragen kann.

Ungleichmäßiges Setzen verhindern:

• Wenn verschiedene Teile des Fundaments unterschiedlich schnell absinken, kann dies zum Kippen oder sogar zum Einsturz des Hauses führen. Um dies zu verhindern, berücksichtigen Ingenieure bei der Planung des Fundaments die Bodenverhältnisse und die Lastverteilung. In Gebieten mit weichem Boden können beispielsweise Pfahlgründungen eingesetzt werden, um die Last auf tiefere, stabilere Bodenschichten zu übertragen.

Durch Finite-Elemente-Analyse, die richtige Balken- und Säulenkonstruktion und eine solide Fundamentkonstruktion können Ingenieure sicherstellen, dass Stahlkonstruktionen in einer Vielzahl von Situationen sicher und zuverlässig sind.

Herausforderungen der Lastberechnung für Stahlkonstruktionen

Unsicherheit der Lastabschätzung

Verkehrslasten und Umweltbelastungen wie Wind, Schnee und Erdbeben weisen erhebliche Schwankungen auf und stellen eine Herausforderung für eine genaue Vorhersage dar. Beispielsweise können die Personendichte oder die Windgeschwindigkeit in einem Bürogebäude schwanken. Daher müssen bei der Konstruktion Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, um die Sicherheit der Struktur unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten.

Komplexität der Lastkombinationen

In realen Projekten können mehrere Lasten (wie Eigenlasten, Nutzlasten, Windlasten und Schneelasten) gleichzeitig wirken oder sich sogar überlagern. Beispielsweise erhöhen gleichzeitig auftretende starke Winde und Erdbeben die horizontalen Kräfte. Ingenieure müssen gemäß den Spezifikationen sinnvolle Kombinationen erstellen, um sicherzustellen, dass die Struktur auch unter ungünstigsten Bedingungen sicher ist.

Softwarebeschränkungen

Lastberechnungen basieren auf Software, die Genauigkeit der Ergebnisse hängt jedoch von den Eingabedaten ab. Falsche Daten (wie Materialeigenschaften und Lastbedingungen) führen zu Abweichungen in den Ergebnissen. Darüber hinaus ist es für Software schwierig, reale komplexe Situationen vollständig zu simulieren. Daher müssen Ingenieure die Daten sorgfältig prüfen und Erfahrungen einbeziehen, um Urteile zu fällen.

Wie haben wir diese Schwierigkeiten überwunden?

Als professioneller Stahlkonstruktionslieferant sind wir uns der Herausforderungen bei der Lastberechnung bewusst. 

Zu diesem Zweck kombinieren wir fortschrittliche Designsoftware und umfassende Ingenieurerfahrung, um Belastungen genau abzuschätzen und sinnvoll zu kombinieren. Gleichzeitig halten wir uns strikt an die Designspezifikationen und legen entsprechende Sicherheitsfaktoren fest, um sicherzustellen, dass die Struktur unter verschiedenen Umständen sicher und zuverlässig ist. 

Darüber hinaus überprüft das Team die Daten mehrmals, um sicherzustellen, dass jeder Schritt korrekt ist, und bietet den Kunden letztendlich sichere und wirtschaftliche Lösungen für Stahlkonstruktionen.

FAQs

Was ist der Unterschied zwischen Eigenlast und Nutzlast?

Die Eigenlast bezeichnet das permanente Gewicht der Struktur selbst, einschließlich Balken, Stützen und Bodenplatten, das konstant bleibt. Die Nutzlast hingegen stellt das variable Gewicht dar, das sich während der Nutzung ändern kann, wie z. B. das Gewicht von Personen, Möbeln und Geräten. Einfacher ausgedrückt ist die Eigenlast das „feste Gewicht“, während die Nutzlast das „veränderliche Gewicht“ bezeichnet.

Wie wirkt sich die Windlast auf Hochhäuser mit Stahlkonstruktion aus?

Die Auswirkungen der Windlast auf Hochhäuser spiegeln sich hauptsächlich in horizontalen Kräften wider. Starke Winde erzeugen Druck oder Sog auf der Gebäudeoberfläche, was zu Erschütterungen oder sogar Verformungen der Struktur führen kann. Daher müssen Windlasten bei der Konstruktion von Stahlhochhäusern besonders berücksichtigt werden, um die Stabilität und den Komfort des Gebäudes bei starkem Wind zu gewährleisten.

Wie berechnet man seismische Belastungen auf Stahlkonstruktionen?

Bei der Berechnung seismischer Belastungen müssen das seismische Gebiet, das Gebäudegewicht und die Tragwerksplanung berücksichtigt werden. Die üblicherweise verwendete Formel lautet: Seismische Belastung = Gebäudegewicht × seismische Beschleunigung × Tragwerkskoeffizient. Die spezifische Berechnung muss den lokalen Erdbebenspezifikationen entsprechen, um die Sicherheit des Bauwerks im Erdbebenfall zu gewährleisten.