WO2010105594A1 - Aus einem einstückigen stahlbauprofil bestehender träger - Google Patents

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WO2010105594A1
WO2010105594A1 PCT/DE2010/000260 DE2010000260W WO2010105594A1 WO 2010105594 A1 WO2010105594 A1 WO 2010105594A1 DE 2010000260 W DE2010000260 W DE 2010000260W WO 2010105594 A1 WO2010105594 A1 WO 2010105594A1
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cross
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flange
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steel beam
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Ulrike Weber
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Ulrike Weber
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    • E04C2003/0452—H- or I-shaped

Definitions

  • the invention relates to a consisting of a one-piece steel construction profile carrier with two parallel, at a certain distance from one another arranged vertical webs and a first upper and a second lower laterally projecting flange according to the first claim, for a variety of applications in the field of steel construction, in particular of general steel construction and steel composite construction, crane bridge construction and crane construction and bridge construction in steel and composite steel construction, because it is the individual advantages (such as the amount of flexural rigidity and torsional stiffness, the inertia of the moments l ⁇ , l z , and the torsional moment of inertia I ⁇ ) of all existing one-piece steel construction profiles (such as: double T-girder and hollow section girder) are combined in the new inventive girder cross-section produced by hot-forming and cold-forming processes with a minimum cross-sectional area.
  • Carriers consisting of such structural steel profiles can also be designed and used as tendons by means of prestressing tendons, which implies additional advantages such as new
  • Rolled steel profiles are available in different shapes and sizes. They are standardized and are specifically selected and used for the respective application. Basis for the selection and application of the respective profiles are their stiffness properties. Rolled are known
  • Profile cross-section eg hollow box profile for a crane runway girder
  • the required metal strips are cut out of large metal plates due to their requirements.
  • additional transverse bulkheads must be arranged to ensure dimensional stability of the welded hollow box (no displacement of the cross section to a parallelogram). This turns out to be very time-consuming and costly.
  • the sheets may warp during welding.
  • weld seams at the connection points flange / web must be made over the entire beam length.
  • welding machines are needed that can only be used effectively at high capacity utilization.
  • the cost of such carriers also increases progressively with increasing sheet thickness.
  • the idea of welding together two rolled double T-profiles on the upper and lower flange over the entire length of the profiled beam to produce a welded hollow box is nonsensical in terms of construction.
  • a weld seam would be a butt weld in question, which requires a corresponding joint shape.
  • the flange ends would have to be provided with a chamfer over the entire profile length.
  • the root pass can not be counter welded because this line is not accessible over the entire length.
  • a longitudinal weld connects the two longitudinal edges of the metal strip to the forming tube.
  • This forming tube is useful for making bent-stressed components. Due to this cold rolling technology, sheet metal forming is only possible with small sheet thicknesses, which limits a profile load capacity accordingly. As a result of the required
  • both the distances of the two webs (b1: b2: b1) and the execution of the flange thicknesses (t1: t2: t1) were carried out in different ratios to each other.
  • this profile cross-sectional shape is also unknown. Therefore, this profile cross-sectional shape can only be welded together from sheet metal for the test series investigation.
  • the objective of this test series investigation was to show how the ratio of elastic bending moment to plastic bending moment (maximum absorbable bending moment to failure of the cross section) can increase or decrease depending on selected web distances and flange thickness designs as carrier deformation increases (range of plastic deformation capacity).
  • M / MpI ratio of elastic bending moment to plastic bending moment
  • carrier deformation range of plastic deformation capacity
  • the invention has for its object to provide a carrier, which is produced as a one-piece, in hot forming and cold forming process Steel beam cross-section with minimized cross-sectional area with respect to flexural rigidity, torsional stiffness and shear capacity individually and together optimized and compared to the known standardized profiles one
  • this is achieved by the formation of a one-piece steel beam cross section with two parallel, at a certain distance from each other arranged vertical webs and a first upper and a second lower laterally projecting flange according to the first claim.
  • This object is achieved by producing such a carrier in the hot forming process and cold forming process.
  • the two flanges and webs can be either the same or different width depending on the specific conditions of use.
  • the thickness of the individual flanges and individual webs can be changed stepwise, so that for the most essential applications already approximately optimized steel beam cross sections according to the invention are available.
  • Connecting constructions such as: rigid front plate joints to connect together.
  • profile heights, profile widths of these additional profile rows for the invention produced by hot forming and cold forming steel beam cross-section could be adjusted with those of the entire existing European HEA - profile series.
  • the ridge and flange thicknesses of the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are optimized within this profile row depending on the profile height and width.
  • the two webs of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross-section have a distance from each other, connect the upper and lower flange with each other and are arranged indented into the two flanges.
  • Extrusion is a hot forming process that presses profiles or tubes / hollow profiles from solid or pre-punched steel blocks.
  • the glowing steel block is pushed into a pressure cylinder and pressed by the press ram through the die opening.
  • Seamless hollow profiles are produced with a mandrel insert in the die opening.
  • the cross-sectional tolerances of extruded profiles are in the size of hot rolled profiles.
  • a high torsional rigidity (G * l ⁇ ) is created due to the benefits of box formation, which causes correspondingly high values for the torsional moment of inertia and the torsional resistance torque.
  • the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross section can accommodate even high internal forces due to torsion. Also for a simultaneous stress due to bending moments, shear forces and torsional moments results in a high load capacity for the steel beam cross section according to the invention.
  • the possibility is created by prestressing tendons of the invention produced by hot forming and cold forming steel beam cross-section, so that prestressed steel beams or steel structures are possible.
  • Preload lies in much lower profile weights and heights and the limitation of deflections and strains.
  • the tendons in the steel beam cross-section produced according to the invention are protected against mechanical and corrosion-related influences or damage.
  • the details of clamping force entry, anchoring and clamping force introduction in the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are structurally possible and lead to an independent inventive solution. The author reserves the right to protect this special solution separately.
  • There is a considerable increase in the shear capacity if the two webs of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross-section are used with a corresponding thickness over conventional rolled profiles. This leads to significantly lower profile heights compared to existing double T-beams.
  • FIG. 3 shows the cross section of the steel beam cross section according to the invention with uniformly projecting flanges
  • Fig.3.1 for a calculation example a system sketch to the corresponding text uniform information for the steel beam cross section according to the invention and compared used HEA 550 steel beam cross-section are compared
  • Fig.3.2 assumed cross-sectional dimensions for the invention
  • FIG. 4 shows the cross-section of the steel beam cross section according to the invention with a shorter lower flange
  • FIG. 5 shows the cross section of the steel beam cross section according to the invention with a shorter upper flange
  • FIG. 6 shows the cross section of the steel beam cross section according to the invention
  • FIG. 7 shows the cross section of the steel beam cross section according to the invention with angled top flange and welded crane rail on a web
  • FIG. 8 shows the cross section of the steel beam cross section according to the invention, which is prestressed with a centrically arranged tension member (prestressing strand).
  • FIG. 8 shows section A - A according to FIG. 7 (variable designation for cross section FIG. 7), FIG. 9 the cross section of the steel beam cross section according to the invention, which is prestressed centrically with several arranged tendons (tension strands), FIG 8 (variable designation for cross-section Fig. 8),
  • FIG. 10 shows section A - A according to FIG. 9 (variable designation for cross-section FIG. 9)
  • FIG. 11 shows the cross-section of the steel beam cross-section according to the invention, which is referred to as FIG.
  • Continuous support (on the example two-field support) is biased with an eccentrically arranged tendon (prestressing strand), Fig.11.1 section A - A of FIG. 10 (variable name for cross section Fig. 10) and Fig.11.2 section B - B of FIG. 10 (variable name for cross section Fig. 10).
  • the two flanges 1, 4 of the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are formed in the same geometric dimensions with respect to width and cross-sectional thickness.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged in pairs at a predetermined distance parallel to each other and connect the two flanges 1, 4.
  • the two vertical Webs 2, 3 are arranged indented relative to the flange ends, so that projecting flange ends.
  • Torsion stiffness of double T-beams results in the clear statement that with this cross-sectional shape and used cross-sectional area no optimized profile cross-sections can be achieved.
  • a profile cross-section is used that corresponds in terms of profile height, profile width and flange thickness to the dimensions of an existing HEA 360 profile.
  • the web thickness of the existing HEA 360 profile is set in half on the two webs of the steel beam cross-section according to the invention.
  • the aim of this profile comparison is to show at what level the potential savings of the invention produced by hot forming and cold forming steel beam cross-section compared to the existing rolled sections of the double T-beam.
  • FIG. 3.1 the most important uniform information for the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method and the known HEA 550 steel beam cross section are shown in a system sketch.
  • g 0 carrier load
  • g ⁇ 9.0 KN / m
  • the bending buckling proof according to DIN 18800 is carried out in order to obtain a possibility of comparison.
  • Hollow profile represents a Biegdrillknicknach Stamm completely eliminated for the invention by hot forming and cold forming process steel beam cross-section, i. he is no longer to be regarded as a bending kink endangered, which requires additional benefits, but should not be discussed in more detail.
  • - Length and load of a crane runway by one or more cranes, etc. can be determined by numeric static parameter investigations "areas” having a minimum and maximum limit and for each of these defined “areas” according to the principle of minimum net mass according to the invention designed by hot forming process and cold forming steel beam cross sections produced available. These defined “areas” could also be offered for sale for the first time in one or more independent profile rows for the steel beam cross-section according to the invention produced by hot forming and cold forming processes, as they have heretofore been customary for existing double T-beam steel construction profile series.
  • Single girder bridge cranes are used up to a span of approx. 22.0 m and a load capacity of approx. 10.01.
  • the bridge girder lies on the Headrests on, or is rigidly connected between the headrests.
  • a hanging cat is attached, which performs the lifting work.
  • the bridge girders are designed as welded box girders. However, this design is very expensive and time consuming to evaluate.
  • Double-girder bridge cranes are used up to a span of approx. 30.0 m and a load-bearing capacity of approx. 100.0 l, whereby even longer spans and higher load-bearing capacities are possible in individual cases.
  • the two bridge girders rest on the head carriers, or are rigidly connected between the head girders. On the upper flanges of the two bridge girders a trolley is used, which performs the lifting work. To achieve these specified spans and load capacities, the bridge girders are welded Hollow box carrier executed. However, this version is again, as very expensive and time consuming to evaluate.
  • steel beam cross-section double girder bridge cranes can be designed for even longer spans and higher load capacities than before, without resorting to a very expensive welded box carrier design.
  • the steel beam cross section according to the invention produced by the hot forming method and the cold forming method is designed as a closed box cross section designed as a thin wall with thin walls in the web region, with protruding flanges 1, 4. Due to the closed cross-sectional shape and the maximum horizontal distance between the two vertical webs with each other, there is a considerable increase in the bending stiffness for the weak axis (E * l z ) and the torsional rigidity (G * I 7 ). Additional optimization options exist in the dimensioning of the two web thicknesses.
  • the directly loaded by the wheel loads of the lifting trolley web (main web) is executed with a thicker wall thickness compared to the indirectly loaded second web (secondary web).
  • Craneway carriers are loaded with horizontal and vertical point loads from the wheel blocks of the head carriers of single and double girder bridge cranes. These point loads cause biaxial bending moments M ⁇ and M z , biaxial shear forces V ⁇ and V z , and torsional moment M 1 - caused by the lever arm between the horizontal load input and shear center of the beam.
  • the rotation of the crane track cross-section due to torsion leads to an enlarged Lever arm of the vertical wheel loads to shear center of the carrier and thus to a further increase in the torsional moment M ⁇ .
  • the torsional moment M ⁇ of the crane runway girder is very often to be referred to as determining the cross section of the crane runway girder.
  • the invention produced by hot forming and cold forming steel beam cross section leads in the design as crane runway carrier to much more economical profile cross sections, so that a mathematical design of crane runway girders with basic requirement for minimum cross-sectional area and thus reduced own mass for the first time can be implemented economically.
  • This is achieved in that the steel beam cross-section produced by the hot-forming method and the cold-forming method is designed as a closed box cross-section with flanges 1, 4 designed as a closed box wall and thin-walled. Due to the closed cross-sectional shape and the maximum horizontal distance between the two vertical webs with each other, there is a considerable increase in the bending stiffness for the weak axis (E * l z ) and the torsional rigidity (G * l ⁇ ). Second embodiment
  • the projecting upper flange 1 of the steel beam cross-section according to the invention produced by hot-forming method and cold-forming method is made wider and possibly of greater cross-sectional thickness with respect to the lower flange 4.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged in pairs at a predetermined distance parallel to each other and connect the two flanges 1, 4.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged indented to the flange ends, so that projecting flange ends, wherein the upper flange 1 protrudes more than the lower flange 4 due to the wider design.
  • Crane track carriers require due to the attacking horizontal and vertical point loads, the biaxial bending moments M ⁇ and M z , biaxial shear forces V ⁇ and V z , and cause a torsional M ⁇ , in addition to the desired high torsional stiffness (G * I 7 ) a highest possible flexural rigidity for the weak axis (E * Iz) -
  • G * I 7 desired high torsional stiffness
  • E * Iz a highest possible flexural rigidity for the weak axis
  • the steel beam cross-section produced by hot forming and cold forming leads in the design of crane girders to significantly more economical profile cross sections, so that a mathematical design of crane girders with basic requirement for minimum cross-sectional area and thus reduced net mass can be implemented only economically.
  • the wider and optionally thicker upper Flange version 1 increases the flexural rigidity for the weak axis (E * I 2 ).
  • the projecting lower flange 4 of the steel beam cross-section according to the invention produced by hot forming and cold forming is made wider and possibly of greater cross-sectional thickness with respect to the upper flange 1.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged in pairs at a predetermined distance parallel to each other and connect the two flanges 1, 4.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged indented to the flange ends, so that projecting flange ends, wherein the lower flange 4 protrudes more than the upper flange 1 due to the wider design.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that the lower flange 4 is made wider and possibly thicker than the upper flange 1.
  • the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross-section can be used in the dimensioning of the two
  • the two flanges 1, 4 of the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are formed in the same geometric dimensions with respect to width and cross-sectional thickness.
  • An additional embodiment consists in different geometrical dimensions of the two flanges by making the upper flange wider and thicker than the lower flange.
  • the two vertical webs 2, 3 are again arranged indented relative to the flange ends, resulting in protruding flange ends.
  • a crane rail 5 is placed centrally on one of the two vertical webs 2 or 3, which can be clamped or screwed executed as a screw connection (shown in Figure 6 as welded).
  • the directly loaded web (main web) 2 or 3, which is located under the attached crane rail 5, is designed with a thicker wall than the indirectly loaded web (secondary web) 3 or 2.
  • an additional possibility for the steel carrier cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method is to produce a steel beam cross section based on minimal cross-sectional area, which eliminates all the disadvantages described.
  • the indirectly loaded secondary bridge acts as a stiffener to ensure high torsional rigidity.
  • the directly loaded web (main web) 2 or 3 is designed with a thicker wall than the indirectly loaded web (sub web) 3 or 2.
  • the shear center of the steel beam cross-section of the present invention produced by hot forming and cold working moves in the direction of the upper flange. The existing torsional moment, which is created by the lever arm between horizontal load input and shear center of the wearer, is reduced.
  • the two flanges 1, 4 of the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are formed in the same geometric dimensions with respect to width and cross-sectional thickness.
  • a special feature over the fourth embodiment is the upper flange design. This upper flange is designed so that two parts of its flange face are parallel to the bars.
  • An additional optimized embodiment consists in different geometric dimensions of the two flanges, by the upper flange is formed wider and thicker than the lower flange.
  • the two vertical webs 2, 3 are again arranged indented relative to the flange ends, resulting in protruding flange ends.
  • a crane rail 5 is placed centrally on one of the two vertical webs 2 or 3, which can be clamped or screwed executed as a screw connection (shown in Figure 7 as welded).
  • the directly loaded web (main web) 2 or 3 which is located under the (welded-on) mounted crane rail 5, is executed with a thicker wall than the indirectly loaded web (sub web) 3 or 2.
  • the shear center of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross-section moves very far in the direction top flange.
  • This can be optimized by an optimization between the support height and surface of the upper flange and lower flange so that the shear center can even lie in the upper flange.
  • This invention produced by hot forming and cold forming steel beam cross section would lead in the design of crane runways to the most economical profile cross-section at all, so that a mathematical design of crane runway girders with basic requirement for minimum
  • the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming and cold forming as a closed box section which is thin-walled in the web area, resulting in a considerable increase of the flexural rigidity for the weak axis (E * l z ) and the torsional rigidity (G * l ⁇ ), according to the first embodiment.
  • the upper flange is designed in bent form, so that the two flange ends of the upper flange are parallel to the bars. For these flange ends, Steiner's part of the flexural rigidity for the weak axis (E * l z ) can now be taken into account, which leads to an additional increase in the flexural rigidity of the weak axis.
  • the shear center moves very far in the direction of the upper flange and reduces the torsional moment, which arises due to the lever arm between horizontal load input and shear center of the cross section, very strong.
  • Crane rail 5 is arranged centrally over the directly loaded web (main web), so that the vertical wheel loads are introduced directly into the main web of the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming and cold forming.
  • the indirectly loaded secondary bridge acts as a stiffener to ensure high torsional rigidity.
  • the directly loaded web (main web) 2 or 3 is designed with a thicker wall than the indirectly loaded web (sub web) 3 or 2.
  • tendons tension strands 6
  • the bias voltage can be performed as an internal bias without composite. According to Fig. 8; Fig. 8.1; Fig. 9; Fig. 9.1; Fig. 10; Fig. 10.1; and Fig. 11; Fig. 11.1; and Fig.
  • the embodiment shown, the two flanges 1, 4 of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross-section are formed in the same geometric dimensions with respect to width and cross-sectional thickness.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged in pairs at a predetermined distance parallel to each other and connect the two flanges 1, 4.
  • the two vertical webs 2, 3 are arranged indented to the flange, so that there are protruding flange ends.
  • Figs. 8; Fig. 8.1 and Fig. 9 and Fig. 9.1 of the embodiment represent the graphic representation of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross section.
  • clamping elements tension strands
  • the details of the introduction of clamping force and anchoring in the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are structurally possible, and lead to a further independent inventive solution.
  • the author reserves the right to a further patent application.
  • This embodiment of the invention is particularly suitable for suspension supports and tension rods, which are required in many areas of steel construction.
  • Suspension supports are required eg for supports in building construction, in crane construction as well as for spatial constructions of all kinds.
  • Tie rods are also needed for supports as well as for bracing of spatial structures.
  • a support security for suspension supports and tension rods is defined by their profile cross-sectional area. High tensile forces caused in previous double T-beam design correspondingly large cross-sectional areas and geometric dimensions in terms of profile height and profile width.
  • Cold-formed steel beam cross-section produced a centric tendon guide is designed by means of prestressing strands with which the steel beam cross-section produced according to the invention is biased due to bias without bond. This makes it possible for the first time by biasing to fully exploit the high yield strengths and compressive strengths of steels for the dimensioning of suspension supports and tension rods.
  • This prestressed support structure can then absorb such a high tensile force that (after subtraction of the maximum compressive stress as a result of prestressing) a mathematically maximum possible tensile stress is applied in the steel beam cross section produced according to the invention.
  • the centrically preloaded inventive produced by hot forming and cold forming process steel beam cross section could be biased only after a load entry due to its own weight or payload, which requires additional advantages such as: Tragfindsnachweise for construction conditions, etc.
  • This embodiment of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross section leads to an immense reduction of carrier own weights and required heights. Due to the centric preload of the steel beam cross section according to the invention produced for the first time, it is possible for the first time to regulate strain deformations and compression deformations as required, which entails further advantages. Furthermore, this design will lead to new design possibilities.
  • FIGS. 9; Fig. 9.1 and Fig. 10; Fig. 10.1 and Fig. 10.2 of the embodiment represent the graphic representation of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross section.
  • In the cavity of the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross section is an eccentric arrangement of the tendons (tension strands), with which produced according to the invention steel beam cross section is performed as a prestressed construction.
  • the details of clamping force introduction, conception of the deflection forces and anchoring in the steel beam cross section according to the invention produced by hot forming method and cold forming method are structurally possible, and lead again to a further independent inventive solution.
  • the author reserves the right to a further patent application.
  • This embodiment of the invention is particularly suitable for bending beams, which can be designed as a single-field or multi-field carrier, and can be designed as statically determined and indefinite systems.
  • bending beams for eg: for structural engineering, civil engineering and
  • the loads on a bending beam generate internal forces such as: normal forces, shear forces and bending elements.
  • the proof of bearing strength for bending beams in the previous double T-beam cross-sectional shape is defined by its static values such as: moments of inertia, moments of resistance, cross-sectional areas, etc., which result according to the profile tables. Since the height of these static values is limited, the consequence is that bending beams in the previous double T-beam design can no longer be executed from their load capacity limit, which depends on span and loads! This necessitated the need to design a welded profile cross-section that would be very expensive and time-consuming.
  • bending beams are also used as a superstructure for bridge structures.
  • elaborate formwork, elaborate reinforcement guides for tendons and limp reinforcements, elaborate concreting work for the superstructure cross-section and subsequent prestressing of the cross section by means of tendons must be coordinated with each other for this design, which is very expensive and time-consuming.
  • the tensile strength of the concrete only about 1 / 10th corresponds to the compressive strength of the concrete cross-section can only be so strong also biased so that the cross-section remains on presses, ie: the authoritative outer fiber of the cross section is still subject to a compressive stress. If, as a result of a static calculation, the necessity of such a high pretension arises that the decisive edge fiber suffers a tensile stress, this requires additional attendant guides.
  • an eccentric tendon guide by means of tendons is designed with the according to the invention produced by hot forming and cold forming process steel beam cross-section is biased due to bias without bond.
  • a stress-dependent, but nevertheless characteristic stress profile results from the distribution of the bending moments and transverse forces both for single-span beams and for continuous beams. For example, achieved at one
  • Single-field carriers the positive bending moment in the middle of the field under a constant steady state maximum value.
  • the bending moment In the support area of the single-field carrier, the bending moment is zero.
  • the lateral forces are zero at the location of the maximum bending moment, but reach their maximum value in the support area.
  • positive bending moments occur in the field area and negative bending moments in the bearing area.
  • the transverse forces again reach their maximum value in the support area.
  • This characteristic voltage curve is adapted to the eccentric tendon guide, that is, it follows the course of the bending moments.
  • the tendons are arranged in the region of the maximum positive bending moment, just above the lower flange and between the two girder webs within the steel girder cross section according to the invention produced by hot forming and cold forming methods.
  • the tendons are arranged in the region of the positive bending moments just above the lower flange and between the two carrier webs within the produced steel beam cross section according to the invention.
  • This tendon arrangement is arranged in the support region, where negative bending moments occur just below the upper flange and between the two support webs within the steel beam cross-section produced according to the invention.
  • This eccentric bias causes produced in the invention
  • the preloaded design according to the invention leads to considerable reductions in the vehicle's inherent weights and required heights.
  • many bending beams of steel structures is not the Tragfindsnachmaschine decisive, but the proof of deflection.
  • very high profile cross sections often have to be selected in practice, although at the same time there is a low percentage utilization of the structural safety proof. Since with this biased embodiment of the invention, the deflections can be limited, in turn, opportunities for the reduction of profile cross-sections, so that carrier own weights can be minimized considerably.
  • the steel beam cross sections according to the invention produced by hot forming and cold forming processes could be delivered to the construction site and installed biased, or be biased only in the installed final state.
  • the basic idea is that they could be designed much cheaper and in a shorter period of time.
  • This preloaded embodiment of the invention will lead to new design possibilities.
  • Hot forming and cold forming process steel beam cross section produced is extensively documented that arise by using the steel beam cross sections according to the invention over known solutions significant advantages in such orders of magnitude that would absolutely justify the high cost of building a rolling mill for such hollow sections.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen aus einem einstückigen Stahlbauprofil bestehender Träger mit seitlich überstehenden Flanschen. Ein solcher warm umgeformter und kalt umgeformter torsionssteifer Profilquerschnitt ist für eine vielfältige Anwendung im Bereich des Stahlbaus geeignet. Oberer und unterer Flansch (1; 4) sind in einer ersten Hauptausführungsform gleich breit. In zwei abgewandelten Formen ist entweder der untere oder der obere Flansch (1 oder 4) schmaler ausgebildet. Dabei eignen sich der Anwendungsfall mit unterem schmalen Flansch (4) besonders für Kranbahnen mit Lasteinleitung am Oberflansch (1), und der Anwendungsfall mit oberem schmalen Flansch (1) für Hängekrane und Kranbahnen mit Lasteinleitung am Unterflansch (4). In einer weiteren abgewandelten Form als Kranbahnträger wird die oben aufgesetzte Schiene (5) mittig über einen der beiden vertikalen Stege (2 oder 3) angeordnet, sodass dieser Steg (2 oder 3) zur direkten Aufnahme der Radlasten des Kranes dicker als der andere Steg (3 oder 2) ausgebildet ist. Die Lasteinleitung erfolgt dabei am Oberflansch (1). Mit den geführten statischen Nachweisen für allgemeine Anwendungsfälle können für den Einsatz derartiger Profile hohe Materialeinsparungen nachgewiesen werden.

Description

Aus einem einstückigen Stahlbauprofil bestehender Träger
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen aus einem einstückigen Stahlbauprofil bestehenden Träger mit aus zwei parallel, in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten senkrechten Stegen und einem ersten oberen und einem zweiten unteren seitlich überstehenden Flansch nach dem 1. Patentanspruch, der für eine vielfältige Anwendung im Bereich des Stahlbaus, insbesondere des allgemeinen Stahl-, und Stahlverbundbaus, des Kranbrücken-, und Kranbahnbaus sowie des Brückenbaus in Stahl-, und Stahlverbundbauweise geeignet ist, weil es die einzelnen Vorteile (wie Höhe von Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit, die von den Trägheitsmomenten lγ, lz, und des Torsionsträgheitsmomentes lτ abhängig sind) aller bestehenden einstückigen Stahlbauprofile (wie z.B.: Doppel T-Träger und Hohlprofilträger) in dem neuen erfindungsgemäßen, durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt bei gleichzeitiger minimaler Querschnittsfläche vereinigt. Aus solchen Stahlbauprofilen bestehende Träger können auch mittels Spanngliedern als vorgespannte Ausführung konzipiert und eingesetzt werden, was zusätzliche Vorteile wie z.B. neue Konstruktionsmöglichkeiten für Tragwerkskonstruktionen und geringere Profileigengewichte bedingt (gleiches Wirkungsprinzip wie im Spannbetonbau).
Gewalzte Stahlprofile stehen in unterschiedlichen Formen und Größen zur Verfügung. Sie sind genormt und werden für den jeweiligen Anwendungsfall spezifisch ausgewählt und eingesetzt. Grundlage für die Auswahl und Anwendung der jeweiligen Profile sind ihre Steifigkeitseigenschaften. Bekannt sind gewalzte
- Doppel T-Träger, die beispielsweise gemäß DIN 1025 EU genormt und in ihren unterschiedlichen geometrischen Abmessungen aus den Walzprofiltabellen ersichtlich sind. Aus diesen Walzprofiltabellen werden für die jeweilige Einsatzbedingung die am besten geeigneten Profile ausgewählt. Diese Profile zeichnen sich durch eine hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitiger geringer Torsionssteifigkeit aus. Aufgrund der geringen Torsionssteifigkeit können keine nennenswerten Torsionsmomente am Träger eingeleitet werden. Zusätzlich besteht bei längeren Biegeträgern das Problem des seitlichen Ausknickens des Trägers.
- U-Profile, die beispielsweise gemäß DIN 1026 EU genormt und in ihren unterschiedlichen geometrischen Abmessungen aus den Walzprofiltabellen ersichtlich sind. Aus diesen Walzprofiltabellen werden ebenfalls für die jeweilige Einsatzbedingung die am besten geeigneten Profile ausgewählt. Dieses einfach symmetrische Profil zeichnet sich durch bedingt hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitiger sehr geringer Torsionssteifigkeit aus. Als Biegeträger finden sie aufgrund ihrer geometrischer Abmessungen und daraus abgeleiteten Steifigkeitswerten nur bedingt Einsatz.
- Hohlprofile, die als rechteckige bzw. quadratische Querschnittsformen konzipiert werden können und ebenfalls in den Walzprofiltabellen ersichtlich sind. Diese Profilform kann warm- und kaltgewalzt hergestellt werden und ist beispielsweise in der DIN EN 10210 und DIN EN 10219 genormt. Diese Profilform besitzt eine bedingte Biegesteifigkeit (im Verhältnis zur Querschnittsfläche) bei gleichzeitiger hoher Torsionssteifigkeit. Erforderliche Anschlusskonstruktionen wie biegesteife Stirnplattenkonstruktionen sind schwer zu realisieren, da die Stirnplatten immer am Profil überstehend angeordnet werden müssen. Bei kalt gewalzten Hohlprofilen dürfen die Außenradien nicht verschweißt werden, da sonst die Gefahr des Alterungssprödbruches besteht. Zusätzlich besteht bei dieser Profilausführung die Problematik von begrenzten Profilhöhen. Als Biegeträger finden sie in der Praxis keine nennenswerte Berücksichtigung.
- Sonderprofile wie Z- Profile, T- Profile und Winkelprofile. Diese Profilformen zeichnen sich durch eine so geringe Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit aus, dass sie rechnerisch fast nicht mehr ansetzbar sind. Als Biegeträger werden diese Profile in der Praxis nicht eingesetzt.
Deshalb ist sowohl der Statiker als auch der Konstrukteur in der Praxis bei Verwendung von den benannten gewalzten Stahlprofilen z.B. als Biegeträger gezwungen, zusätzliche konstruktive Maßnahmen zur Auslegung für bestimmte Belastungen bzw. Schnittgrößen einzuleiten. Dies bedingt wiederum einen immensen zusätzlichen Fertigungs-, und Kostenaufwand. Solche zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen sind beispielsweise gewalzte Bleche, die zu einem geschweißten Biegeträger als torsionssteifer
Profilquerschnitt (z.B. Hohlkastenprofil für einen Kranbahnträger) hergestellt werden. Die benötigten Blechstreifen werden aufgrund ihrer Anforderungen aus großen Blechplatten herausgeschnitten. Im Hohlraum müssen zusätzliche Querschotte angeordnet werden, um eine Formtreue des geschweißten Hohlkastens (kein Verschieben des Querschnittes zu einem Parallelogramm) zu gewährleisten. Dies stellt sich als sehr arbeitszeit- und kostenintensiv dar. Die Bleche können sich beim Schweißen verziehen. Die
Schweißnähte an den Verbindungsstellen Flansch / Steg müssen über die gesamte Trägerlänge erfolgen. Dazu werden wiederum Schweißautomaten benötigt, die nur bei einer hohen Auslastung effektiv einsetzbar sind. Die Kosten für solche Träger erhöhen sich ebenfalls mit zunehmender Blechdicke progressiv. Die Idee des Zusammenschweißens zweier gewalzter Doppel T-Profile am oberen und unteren Flansch über die gesamte Profilträgerlänge um einen geschweißten Hohlkasten zu erzeugen, ist bautechnisch unsinnig. Als Schweißnaht käme eine Stumpfnaht in Frage, die eine entsprechende Fugenform bedingt. Dafür müssten die Flanschenden mit einer Fase über die gesamte Profillänge versehen werden. Die Wurzellage kann nicht gegengeschweißt werden, da diese Linie über die gesamte Länge nicht zugängig ist. Bei dicken Flanschen ergeben sich mehrere Schweißnahtiagen (Wurzellage, Mittellagen, Decklage) übereinander. Zusätzlich werden durch die Schweißung immense Eigenspannungen in den geschweißten Hohlkastenquerschnitt eingeleitet. Um keine Schrumpfungen (Verziehen des Trägers infolge einseitigen Schweißens) einzuleiten, müsste zusätzlich wechselseitig geschweißt werden. Für den Betriebsfestigkeitsnachweis ergäbe sich infolge der Schweißung und nicht gegengeschweißter Wurzellage eine ungünstige Kerbfallbildung, so dass die zulässigen Spannungen in Abhängigkeit einer Beanspruchungsgruppe abgemindert werden müssten. All diese benannten Punkte ergäben zusätzlich einen immensen Zeit-, Fertigungs- und Kostenaufwand, der praktisch nicht zu vertreten ist. Das Zusammenschweißen zweier Doppel T-Träger bzw. Bleche zu einem torsionssteifen Träger, wie dies den in den Figuren 1 und 2 - gezeigten Stand der Technik - dargestellt, kann nur bei hohen Stückzahlen und geringen Flanschdicken unter Verwendung von Schweißautomaten rationell erfolgen. Da geringe Flanschdicken gemäß Fig.1 des gezeigten Standes der Technik auch begrenzte Trägerhöhen nach sich ziehen, können nur bedingt hohe Belastungen bzw. Schnittgrößen vom geschweißten torsionssteifen Träger abgetragen werden. Deshalb findet aus den oben genannten Gründen ein Zusammenschweißen zweier Doppel T-Profile über die gesamte Profilträgerlänge keine bautechnische Berücksichtigung. Bestehende patentierte geschweißte Blechprofilträger sind ebenfalls als derzeitigen Stand der Technik zu benennen.
So ist eine bekannte Schweißkonstruktion aus der Patentschrift AT 404955 B bekannt. Gemäß dieser Patentschrift ergibt sich die Konzeption eines Formrohres aus Blech, das durch Kaltwalzen hergestellt und im Bereich zweier einander gegenüberliegenden
Seitenwänden Materialanhäufungen besitzt. Eine Längsschweißnaht verbindet die beiden längslaufenden Ränder des Blechstreifens zum Formrohr. Dieses Formrohr ist für das Herstellen von auf Biegung beanspruchten Bauelementen verwendbar. Aufgrund dieser Kaltwalztechnologie ist ein Blechumformen nur mit geringen Blechdicken möglich, was eine Profiltragfähigkeit entsprechend begrenzt. Infolge der erforderlichen
Längsschweißnähte über die gesamte Trägerlänge entstehen zusätzlich hohe Fertigungskosten infolge Material und Zeit.
Aus der Druckschrift JP 07 018 780 A ist ein aus Blechen zusammengesetzter Profilquerschnitt bekannt, der aus zwei Stegen sowie einem oberen und unteren seitlich überstehenden Flansch besteht. Dieser zusammengesetzte Profilquerschnitt kann hohe Vertikalkräfte aufnehmen und eignet sich so insbesondere für die Verwendung als Stützenprofil. Zusätzlich besitzt das Profil eine hohe Verformungsbeständigkeit, und die seitliche Knickgefahr wird bei einer Biegeträgerausführung minimiert. Es ist konstruktiv so ausgebildet, dass Anschlusskonstruktionen mit bestehenden unterschiedlichen Profilquerschnitten problemlos zu bewerkstelligen sind.
Als Nachteile dieses geschweißten Profilquerschnitts ergibt sich wieder die zwingende Notwendigkeit der Anordnung von zusätzlichen Querschotten, die eine Formtreue des zusammengesetzten geschweißten Hohlkastens sicherstellen (kein Verschieben des Profilquerschnitts zu einem Parallelogramm). Zusätzlich werden nachteilige Schweißeigenspannungen in den Profilquerschnitt eingeleitet.
Die Patentanmeldung ist darauf gerichtet, als Voraussetzung für die Dimensionierung der Stege und Flansche, sowie die Abstände der Stege und der Flansche zueinander, das plastische Verformungsvermögen eines solchen Profilquerschnitts zu ermitteln, das im praktischen Einsatzfall nicht überschritten werden darf. In der Patentbeschreibung wird für diese Querschnittsform deshalb das Verhältnis von elastischem zu plastischem Biegemoment in Abhängigkeit von zunehmender Trägerverformung (Bereich des plastischen Verformungsvermögens) untersucht, die als Ergebniswerte in Diagrammform dargestellt sind. Dafür wurde diese Querschnittsform aus Blechen in den Abmessungen Länge: I = 900 mm, Breite: b = 150 mm und entsprechender Dicke in unterschiedlichen Querschnittsgeometrien zusammengeschweißt und in Testreihen eingeteilt.
Als unterschiedliche Querschnittsgeometrien wurden sowohl die Abstände der beiden Stege (b1 : b2 : b1) als auch die Ausführung der Flanschdicken (t1 : t2 : t1) zueinander in verschiedenen Verhältnissen ausgeführt. Die zusammengeschweißten
Trägerquerschnitte wurden einzeln als Kragarm in eine Vorrichtung eingespannt und durch eine systematische Erhöhung der Punktlast an der Kragarmspitze belastet. Die Ergebnisse dieser Testreihen sind in den Darstellungen: Bild 2a bis 2d; Bild 3a bis 3b und Bild 4a bis 4b ersichtlich. In Patentbeschreibung und Patentansprüchen werden keinerlei Aussagen getroffen, wie diese Profilquerschnittsform hergestellt wird. Es gibt kein Schutzbegehren und keine Patentansprüche auf eine durch ein Warmumformverfahren bzw. einem Kaltumformverfahren hergestellte Ausführung dieser Profilquerschnittsform. Im heutigen Stand der Technik sind keine Kenntnisse bekannt, dass diese Profilquerschnittsform in einem Warmumformverfahren oder in einem Kaltumformverfahren hergestellt, und auf dem Markt angeboten wird. Als eigene Profilreihe ist diese Profilquerschnittsform ebenso unbekannt. Deshalb kann für die Testreihenuntersuchung diese Profilquerschnittsform nur aus Blechen zusammengeschweißt sein. Zielstellung dieser Testreihenuntersuchung war es zu zeigen, wie bei zunehmender Trägerverformung (Bereich des plastischen Verformungsvermögens) das Verhältnis von elastischem Biegemoment zu plastischem Biegemoment (maximal aufnehmbares Biegemoment bis zum Versagen des Querschnittes) in Abhängigkeit von gewählten Stegabständen und Flanschdickenausführungen weiter steigen bzw. absinken kann. In dieser Patentbeschreibung werden aufgrund der ausgewerteten Testreihen nur Aussagen zum Verhältnis von elastischem Biegemoment zum plastischem Biegemoment (M / MpI) bei zunehmender Trägerverformung (Bereich des plastischen Verformungsvermögens) getroffen, bei welchen Stegabständen und Flanschdicken ein Optimum bzw. Maxima dieser Systemreserve erzielt werden kann. Für die praktischen Anwendungsfälle wie beispielsweise im Kranbau sind diese Aussagen überhaupt nicht umsetzbar, da nach den DIN-Vorschriften keine plastischen System reserven angesetzt werden dürfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Träger zu schaffen, der als einstückiger, im Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellter Stahlträgerquerschnitt mit minimierter Querschnittsfläche hinsichtlich Biegesteifigkeit, Torsionssteifigkeit und Schubtragfähigkeit einzeln und zusammen optimiert ist und gegenüber den bekannten genormten Profilen eine
• gleichzeitig hohe Biegesteifigkeit (E * I) und Torsionssteifigkeit (G * lτ), • wesentlich erhöhte Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * lz)
• zentrische und exzentrische Vorspannmöglichkeit mit Spanngliedern erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Ausbildung eines einstückigen Stahlträgerquerschnitts mit zwei parallel, in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten senkrechten Stegen und einem ersten oberen und einem zweiten unteren seitlich überstehenden Flansch nach dem 1. Patentanspruch erreicht. Diese Aufgabe wird durch das Herstellen eines solchen Trägers im Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren erreicht. Die beiden Flansche und Stege können je nach den spezifischen Einsatzbedingungen entweder gleich oder unterschiedlich breit sein. Ebenso kann die Dicke der einzelnen Flansche und einzelnen Stege stufenweise verändert werden, so dass für die wesentlichsten Anwendungsfälle schon annähernd optimierte erfindungsgemäße Stahlträgerquerschnitte zur Verfügung stehen. Um diese annähernd optimierten Stahlträgerquerschnitte dem Markt anbieten zu können, ist es vorteilhaft, die vorhandenen Stahlbauprofilreihen der Doppel T-Träger (z.B. europäische Profilreihen: IPE -, HEA -, HEB -, und HEM) um eine oder mehrere zusätzlichen Profilreihen für den erfindungsgemäßen, durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte zu erweitern. Die Steg-, und Flanschdicken der erfindungsgemäßen, durch Warmumformverfahren und
Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte sind dabei innerhalb dieser zusätzlichen Profilreihen in Abhängigkeit von Profilhöhe und Breite optimiert. Wenn so ausgebildete erfindungsgemäße hergestellte Stahlträgerquerschnitte in genormten Größen bezogen werden können, sind wesentliche Einsparungen erzielbar. Das betrifft sowohl den Materialeinsatz als auch die Herstellungskosten gegenüber vergleichbaren anderen Konstruktionen. Durch eine gleichzeitige hohe Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit ist ein solcher Träger imstande, in allen Achsen hohe Belastungen bzw. Schnittgrößen (z.B. Biegemomente und Torsionsmomente) aufzunehmen.
Größen - und Dickenverhältnisse der Stege, Flansche und Radien sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Gewährleistung der Kompatibilität bestehender Doppel T-Träger mit dem erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte sind dabei mit zusätzlichen Vorteilen verbunden, weil es in diesen Fällen sogar möglich ist, diesen neuen Stahlträgerquerschnitt mit bestehenden Doppel T-Trägern in einem Gesamttragwerk zu integrieren, sowie mittels
Anschlusskonstruktionen, wie z.B.: biegesteife Stirnplattenstöße, miteinander zu verbinden.
Um diese Kompatibilität sicherzustellen, könnten beispielsweise die unterschiedlichen Profilhöhen, Profilbreiten dieser zusätzlichen Profilreihen für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt mit denen der gesamten bestehenden europäischen HEA - Profilreihe angepasst werden. Die Steg-, und Flanschdicken des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes sind dabei innerhalb dieser Profilreihe in Abhängigkeit von Profilhöhe und Breite optimiert.
Die beiden Stege des erfindungsgemäßen, durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes besitzen einen Abstand zueinander, verbinden den oberen und unteren Flansch miteinander und sind in die beiden Flansche eingerückt angeordnet.
Als erste mögliche Herstellungstechnologie für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt käme vorzugsweise das Strangpressen in Betracht. Das Strangpressen ist ein Warmumformverfahren, das aus vollen oder vorgelochten Stahlblöcken Profile oder Rohre/Hohlprofile presst. Der glühende Stahlblock wird in einen Druckzylinder geschoben und vom Pressenstempel durch die Matrizenöffnung gedrückt. Nahtlose Hohlprofile erzeugt man dabei mit einem Dorneinsatz in der Matrizenöffnung. Die Querschnittstoleranzen von Strangpressprofilen liegen dabei in der Größe von warm gewalzten Profilen. Um die gewünschte Querschnittsfläche des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes zu realisieren, bedarf es lediglich einer Modifikation der bestehenden Walzen und des Druckzylinders der Strangpresstechnologie, was mit überschaubaren finanziellen Mitteln technologisch umsetzbar ist.
Als zweite mögliche Herstellungstechnologie für den erfindungsgemäßen durch Kaltumformverfahren und auch Warmumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt käme auch ein Biege-/Walzverfahren in Betracht, bei dem durch hintereinander geschaltete Walzen (kontinuierliche Formgebung) die Bleche zu einem Hohlprofil gebogen werden, und nachträglich die beiden Blechenden mittels einer
Schweißnaht zu einem einstückigen Hohlprofil verschweißt werden. Um die gewünschte Querschnittsfläche des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes zu realisieren, bedarf es wiederum einer Modifikation der bestehenden Walztechnologie.
Die Vorteile der Erfindung sind aus statischer Sicht vielfältig und nachfolgend aufgeführt.
— Es ist kein Biegdrillknicknachweis (bzw. Kippbiegenachweis im Kranbau) mehr erforderlich; da gemäß DIN 18800 Teil 2 bei Stäben mit Hohlquerschnitt ein Biegedrillknicknachweis entfallen darf. Dies führt zu wesentlich geringeren Profilgrößen bzw. Profilquerschnittsflächen gegenüber den herkömmlichen
Walzprofilen und stellt eine beträchtliche Kostenreduzierung dar.
— Es ergibt sich in Abhängigkeit der Profilgröße eine beträchtliche Erhöhung des Trägheitsmomentes für die schwache Achse (lz), da jetzt der Steinersche Anteil angesetzt werden kann. Dies führt zu einer großen Steigerung der Biegetragfähigkeit sowie der Biegeknicktragfähigkeit gegenüber den herkömmlichen Walzprofilen für die schwache Achse.
— Eine hohe Torsionssteifigkeit (G * lτ) wird aufgrund der Vorteile der Kastenausbildung geschaffen, was entsprechend hohe Werte für das Torsionsträgheitsmoment und des Torsionswiderstandsmomentes bedingt. Damit kann der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt sogar hohe Schnittgrößen infolge Torsion aufnehmen. Auch für eine gleichzeitige Beanspruchung infolge Biegemomenten, Querkräften und Torsionsmomenten ergibt sich für den erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitt eine hohe Tragfähigkeit. - Durch die Vorteile der Hohlkastenausbildung wird die Möglichkeit geschaffen, mittels Spanngliedern den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt vorzuspannen, sodass vorgespannte Stahlträger bzw. Stahltragwerke möglich sind. Die Vorteile der
Vorspannung liegen in wesentlich geringeren Profileigengewichten und Bauhöhen sowie des Begrenzens von Durchbiegungen und Dehnungen. Zusätzlich sind die Spannglieder im erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitt vor mechanischen und korrosionsbedingten Einflüssen bzw. Beschädigungen geschützt. Die Details von Spannkrafteintragung, Verankerung, sowie Spannkrafteinleitung in den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt sind bautechnisch möglich und führen zu einer selbstständigen erfinderischen Lösung. Der Urheber behält es sich vor, diese spezielle Lösung separat schutzrechtlich zu sichern. — Es ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Schubtragfähigkeit, wenn die beiden Stege des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes mit entsprechender Dicke gegenüber herkömmlichen gewalzten Profilen eingesetzt werden. Dies führt zu wesentlich geringeren Profilhöhen gegenüber bestehenden Doppel T-Trägern. - Die Ausbildung des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und
Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes mit überstehenden Flanschen ermöglicht es zusätzlich, Stahlverbundstützen mit all ihren Vorteilen zu konzipieren.
— Durch die überstehenden Flansche sind alle bestehenden Anschlussmöglichkeiten wie sie bei gewalzten Doppel T-Trägern (z.B. biegesteife oder gelenkige Stirnplattenstöße nach DAST - Richtlinie) üblich sind, ohne Einschränkungen konstruktiv umsetzbar.
Durch ein Vorspannen des Trägers mittels angeordneter zentrischer oder exzentrischer Spannglieder im inneren des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes zwischen den beiden Stegen und Flanschen, kann seine Tragfähigkeit beträchtlich erhöht und die Dehnungen des Trägers minimiert werden. Als Ergebnis dieser Maßnahmen ergeben sich gegenüber den bekannten Profilen wesentlich geringere Trägereigengewichte. Da es für den Leser auf den ersten Blick relativ simpel erscheint, zwei Doppel T-Träger nebeneinander anzuordnen und als einstückiges geschweißtes Profil auszubilden und zu fertigen, werden die nachfolgenden Ausführungsbeispiele besonders umfassend dargelegt und die Vorteile dieser Lösung für unterschiedliche Einsatzfälle im Stahlbau durch Berechnungen untersetzt. Gerade diese immensen Vorteile führen zu dem
Schluss, dass der Bedarf für ein solches Profil groß ist und schon seit langem besteht, die Entwicklung dieses oder ähnlichen Profils jedoch bisher nicht betrieben und gefördert wurde. Deshalb werden der bisher bestehende Bedarf, die Nützlichkeit eines solchen Profilquerschnitts und die Blindheit der Fachwelt als indirekte Beweisanzeichen für ein erfinderisches Niveau dieser Lösung angesehen, zumal eine Herstellung des erfindungsgemäßen durch ein Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes technisch umsetzbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen verschiedener Ausführungsformen und mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Um die
Vorteile des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes gegenüber den bekannten Profilquerschnitten nachzuweisen, werden dazu im Anschluss Beispielrechnungen vorgenommen. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 3 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes mit gleichmäßig überstehenden Flanschen, Fig.3.1 für ein Berechnungsbeispiel eine Systemskizze, zu der im dazugehörigen Text einheitliche Angaben für den erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnitt und dem zum Vergleich herangezogenen HEA 550 Stahlträgerquerschnitt gegenüber gestellt werden, Fig.3.2 angenommene Querschnittsabmessungen für den erfindungsgemäßen
Stahlträgerquerschnitt für das Berechnungsbeispiel,
Fig.3.3 angenommene Querschnittsabmessungen für den bekannten HEA 550 Stahlträgerquerschnitt für das Berechnungsbeispiel,
Fig.4 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes mit kürzerem unterem Flansch, Fig.5 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes mit kürzerem oberem Flansch, Fig.6 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes mit aufgeschweißter Kranschiene auf einem Steg, Fig.7 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes mit abgewinkeltem Oberflansch und aufgeschweißter Kranschiene auf einem Steg, Fig.8 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes, der mit einem zentrisch angeordneten Spannglied (Spannlitze) vorgespannt wird,
Fig.8.1 Schnitt A - A nach Fig. 7 (Variablenbenennung für Querschnitt Fig. 7), Fig.9 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes, der mit mehreren angeordneten Spanngliedern (Spannlitzen) zentrisch vorgespannt wird, Fig.9.1 Schnitt A - A nach Fig. 8 (Variablenbenennung für Querschnitt Fig. 8),
Fig.10 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes, der als
Einfeldträger mit einem exzentrisch angeordneten Spannglied (Spannlitze) vorgespannt wird,
Fig.10.1 Schnitt A - A nach Fig. 9 (Variablenbenennung für Querschnitt Fig. 9) Fig.11 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes, der als
Durchlaufträger (am Beispiel Zweifeldträger) mit einem exzentrisch angeordneten Spannglied (Spannlitze) vorgespannt wird, Fig.11.1 Schnitt A - A nach Fig. 10 (Variablenbenennung für Querschnitt Fig. 10) und Fig.11.2 Schnitt B - B nach Fig. 10 (Variablenbenennung für Querschnitt Fig. 10).
Die Träger, die aus einem durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten einstückigen Stahlträgerquerschnittes nach den verschiedenen Ausführungsformen, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, gefertigt werden, bestehen aus einem oberen und unteren Flansch 1 und 4 sowie den beiden Stegen 2 und 3.
Erste Ausführungsform
Gemäß Fig. 3 der gezeigten ersten Ausführungsform werden die beiden Flansche 1 , 4 des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes in gleichen geometrischen Abmessungen in Bezug auf Breite und Querschnittsdicke ausgebildet.
Die beiden vertikalen Stege 2, 3 werden paarweise in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander angeordnet und verbinden die beiden Flansche 1 , 4. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 sind gegenüber den Flanschenden eingerückt angeordnet, so dass sich überstehende Flanschenden ergeben.
- Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des allgemeinen Stahlbaus Für lange Biegeträger ist sehr oft der Stabilitätsnachweis infolge Biegedrillknickens maßgebend für den statisch erforderlichen Profilquerschnitt. Beim Biegedrillknicken entsteht die instabile Verformungsfigur durch eine Biegebeanspruchung, welche im Oberflanschbereich des Trägers eine Druckbeanspruchung verursacht und zu einer seitlichen Verschiebung und Verdrehung des Querschnittes führt. Aufgrund der geringen Biegesteifigkeit für die schwache Achse sowie der geringen
Torsionssteif ig keit von Doppel T-Trägern ergibt sich die eindeutige Aussage, dass mit dieser Querschnittsform und eingesetzter Querschnittsfläche keine optimierten Profilquerschnitte zu erzielen sind.
Um die Vorteile des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes nachzuweisen, erfolgt nachfolgend eine Beispielrechnung, die auf Grundlage der HEA - Profilreihe basieren soll. Als vorhandener Stahlträger wird ein HEA 550 gewählt.
Als erfindungsgemäßer durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellter Stahlträgerquerschnitt wird ein Profilquerschnitt angesetzt, der in der Profilhöhe, Profilbreite und Flanschdicke den Abmessungen eines vorhandenen HEA 360 Profils entspricht. Die Stegdicke des vorhandenen HEA 360 Profils wird halbierend auf die beiden Stege des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes angesetzt.
Das Ziel dieser Profilgegenüberstellung ist es zu zeigen, in welcher Höhe die Einsparpotentiale des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes gegenüber den bestehenden Walzprofilen der Doppel T-Träger sind.
Nach Fig. 3.1 sind in einer Systemskizze die wichtigsten einheitlichen Angaben für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt und des bekannten HEA 550 Stahlträgerquerschnitt dargestellt. Dabei sind: g0 = Trägereigenlast; g^ = 9,0 KN/m Anschließend sind die statischen Werte für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt nach Fig.3.2 und des bekannten HEA 550 Stahlträgerquerschnitts angegeben.
Statische Werte für den erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnitt HEA 550 Stahlträgerquerschnitt
A = 138 cm2 A = 212 cm2 lγ = 32111 cm4 lγ = 111932cm4
Iz = 9746 cm4 Iz = 10819 cm4
Wγ = 1835 cm3 Wγ = 4146 cm3 αp,,y= 1,102 < 1,25 αp,,y = 1,115 < 1,25
IT = 6737 cm4 I7 = 352 cm4 lω = 1,65*106 cm6 lω = 7, 189*106 cm6
Spezifisches Gewicht für Stahl γM = 78,50 KN/m3 gE= A*γM gE= A*γM gE= (138 *10^m2)* 78,50 KN/m3 gE = (212 *1 O m2) * 78,50 KN/m3
Figure imgf000015_0001
My,d= [(gE *YE + gi *YQ)*(l)2]/8 My,d = [(gE*γE + gi *γQ)*(l)2]/8 Myd= [(1,09KN/m*1,35+9,0KN/m*1,5) Myd = [(1,66KN/m*1, 35+9,0 KN/m*1, 5)
* (15,0m)2 ]/8 ' * (15,0m)2] /8
MYH = 422 KNm M yrt = 443 KNm
γE = 1,35 Teilsicherheitsbeiwert für Eigenlast γQ= 1,50 Teilsicherheitsbeiwert für Verkehrslast
Für beide Profile erfolgt der Biegedrillknicknachweis gemäß DIN 18800, um eine Vergleichsmöglichkeit zu erlangen. Zusätzlich erfolgt eine Rückrechnung auf ein maximal aufnehmbares Torsionsmoment für beide Profilquerschnitte.
Figure imgf000016_0001
Ergebnisbewertung aus dem Biegedrillknicknachweis:
Die annähernd gleiche prozentuale Auslastung wird mit nachfolgend aufgeführten Querschnittsflächen erreicht.
- des erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnittes: A = 138 cm2
- des vorhandenen HEA 550 Stahlträgerquerschnittes: A = 212 cm2 Anhand dieses konstruktiv gewählten Beispieles ergibt sich eine Materialersparnis von 34,9 Prozent für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt gegenüber dem vorhandenen HEA 550 Profil unter der Voraussetzung gleicher Nachweisführung gemäß DIN 18800.
Eine zusätzliche prozentuale Materialersparnis für den durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt gegenüber den herkömmlichen Doppel T-Trägern liegt im Biegedrillknicknachweis gemäß DIN 18800 begründet. Wenn sichergestellt werden kann (ggf. durch eine neue Nachweisführung), dass der erfindungsgemäße hergestellten Stahlträgerquerschnitt ein vollwertiges
Hohlprofil darstellt, kann ein Biegdrillknicknachweis für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt vollständig entfallen, d.h. er ist nicht mehr als Biegedrillknickgefährdet anzusehen, was zusätzliche Vorteile bedingt, auf die aber nicht näher eingegangen werden soll.
Ergebnisbewertung aus den maximal aufnehmbaren Torsionsmomenten:
Anhand des gewählten Beispiels ergibt sich eine Erhöhung des aufnehmbaren Torsionsmomentes um 330 Prozent [ η = (MT 1 / M72)* 100% ] für den durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt gegenüber dem herkömmlichen HEA 550 Profil.
Aus den prozentualen Auslastungsergebnissen ist rechnerisch eindeutig belegbar, dass der durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt aufgrund seiner Torsionssteifigkeit wesentlich besser für den Biegedrillknicknachweis geeignet ist. Aufgrund seiner „Hohlkastenausbildung" kann der erfindungsgemäße hergestellte Stahlträgerquerschnitt sogar hohe Schnittkräfte infolge Torsion aufnehmen, was für die vorhandenen Profilreihen der Doppel T-Träger nur bedingt möglich ist.
Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des Kranbaus Bei Kranen (z.B.: Einträgerbrückenkrane, Zweiträgerbrückenkrane, Portalkrane) besteht ein prozentualer Zusammenhang zwischen vorhandenen Vertikallasten und Horizontalkräften. Vergrößern sich die Vertikallasten, so erhöhen sich zwangsläufig auch die Horizontalkräfte. Auf diesem Grundsatz baut eine erfinderische Lösung für die erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte für die Dimensionierung von Brückenträgern für Einträgerbrückenkrane, Portalkrane, Zweiträgerbrückenkrane und Kranbahnen auf. In direkter Abhängigkeit vieler Einfußfaktoren wie beispielsweise:
- vorhandene Vertikallasten und Horizontallasten eines Kranes
- Länge der Brückenträger eines Kranes
- Länge der Kopfträger eines Kranes
- Länge und Belastung einer Kranbahn durch einen oder mehrerer Krane usw. lassen sich durch numerische statische Parameteruntersuchungen „Bereiche" festlegen, die einen minimalen und maximalen Grenzwert aufweisen. Und für jeden dieser definierten „Bereiche" sind nach dem Grundsatz minimaler Eigenmasse konzipierte erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitte verfügbar. Diese definierten „Bereiche" könnten ebenfalls in eine oder mehrere neu zu konzipierenden eigenständigen Profilreihen für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt auf dem Weltmarkt erstmalig angeboten werden, wie sie bisher nur üblich sind für bestehende Doppel T- Träger Stahlbauprofilreihen. Die Steg-, und Flanschdicken der erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte sind dabei innerhalb dieser zusätzlichen Profilreihen in Abhängigkeit von Profilhöhe und Breite optimiert. Mit diesen erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte könnten erstmalig weltweit optimierte Stahlträgerquerschnitte für den Bau von:
Einträgerbrückenkranen Zweiträgerbrückenkrane Portalkrane Kranbahnen auf dem Weltmarkt als eigenständige Profilreihe angeboten werden.
- Vorteilsbenennung für Einträgerbrückenkrane
Einträgerbrückenkrane werden bis zu einer Spannweite von ca. 22,0 m und einer Tragfähigkeit von ca. 10,01 eingesetzt. Der Brückenträger liegt dabei auf den Kopfträgem auf, oder ist zwischen den Kopfträgern biegesteif angeschlossen. Am Unterflansch des Brückenträgers ist eine Hängekatze angehangen, die die Hubarbeit verrichtet. Um diese angegebenen Spannweiten und Tragfähigkeiten zu erreichen, werden die Brückenträger als geschweißte Hohlkastenträger ausgeführt. Diese Ausführung ist jedoch als sehr teuer und zeitaufwendig zu bewerten.
Für die Brückenträgerausführung als Doppel T-Träger kommen bisher leider nur wesentlich geringere Spannweiten und Tragfähigkeiten in Betracht. Dies ist auf die geringe Biegesteif ig keit für die schwache Achse (E * lz) zurückzuführen. Aus dem geringen Trägheitsmoment (lz) errechnet sich wiederum eine geringe horizontale Eigenfrequenz der Brückenkrananlage, die eine Gebrauchsfähigkeit des ganzen
Einträgerbrückenkranes in Frage stellt. Deshalb ergibt sich die eindeutige Aussage, dass eine Brückenträgerausführung in bisheriger Doppel T-Träger Ausführung ab einer gewissen Grenze die von Spannweite und Tragfähigkeit abhängt, nicht mehr möglich ist. Mit dem erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt können Einträgerbrückenkrane für noch längere Spannweiten und höhere Tragfähigkeiten als bisher konzipiert werden, ohne auf eine sehr teure geschweißte Hohlkastenträgerausführung zurückzugreifen. Dies wird dadurch erreicht, dass der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt als geschlossener und dünnwandig im Stegbereich konzipierter Kastenquerschnitt mit überstehenden Flanschen 1 , 4 ausgebildet wird. Infolge der geschlossenen Querschnittsform und des maximalen horizontalen Abstandes der beiden vertikalen Stege untereinander ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * I2) sowie der Torsionssteifigkeit (G * lτ).
- Vorteilsbenennung für Zweiträgerbrückenkrane
Zweiträgerbrückenkrane werden bis zu einer Spannweite von ca. 30,0 m und einer Tragfähigkeit von ca. 100,0 1 eingesetzt, wobei in Einzelfällen noch längere Spannweiten und höhere Tragfähigkeiten möglich sind. Die beiden Brückenträger liegen dabei wieder auf den Kopfträgern auf, oder sind zwischen den Kopfträgern biegesteif angeschlossen. Auf den Oberflanschen der beiden Brückenträger wird eine Laufkatze eingesetzt, die die Hubarbeit verrichtet. Um diese angegebenen Spannweiten und Tragfähigkeiten zu erreichen, werden die Brückenträger als geschweißte Hohlkastenträger ausgeführt. Diese Ausführung ist jedoch wieder, als sehr teuer und zeitaufwendig zu bewerten.
Für eine Brückenträgerausführung als Doppel T-Träger kommen wiederum nur wesentlich geringere Spannweiten und Tragfähigkeiten in Betracht, was sich durch folgende Gegebenheiten bedingt. Die Laufkatze trägt ihre horizontalen und vertikalen Lasten an die Brückenträger ab. Infolge des Hebelarmes zwischen horizontalem Lasteintrag und Lage des Schubmittelpunktes entsteht eine Torsionsbelastung für die beiden Brückenträger. Aufgrund der geringen Torsionssteifigkeit von Doppel T-Trägern ergibt sich die Konsequenz, dass die Brückenträgerausführung in bisheriger Doppel T-Träger
Ausführung ab einer gewissen Grenze, die von Spannweite und Tragfähigkeit abhängt, nicht mehr möglich wird.
Mit dem erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt können Zweiträgerbrückenkrane für noch längere Spannweiten und höhere Tragfähigkeiten als bisher konzipiert werden, ohne auf eine sehr teure geschweißte Hohlkastenträgerausführung zurückzugreifen. Dies wird dadurch erreicht, dass der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt als geschlossener und dünnwandig im Stegbereich konzipierter Kastenquerschnitt mit überstehenden Flanschen 1 , 4 ausgebildet wird. Infolge der geschlossenen Querschnittsform und des maximalen horizontalen Abstandes der beiden vertikalen Stege untereinander ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * lz) sowie der Torsionssteifigkeit (G * I7). Zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten bestehen in der Dimensionierung der beiden Stegdicken. Der durch die Radlasten der Hubkatze direkt belastete Steg (Hauptsteg) wird mit stärkerer Wanddicke gegenüber dem indirekt belasteten zweiten Steg (Nebensteg) ausgeführt.
- Vorteilsbenennung für Kranbahnen
Kranbahnträger werden mit horizontalen und vertikalen Punktlasten aus den Radblöcken der Kopfträger von Ein- und Zweiträgerbrückenkranen belastet. Diese Punktlasten verursachen zweiachsige Biegemomente Mγ und Mz, zweiachsige Schubkräfte Vγ und Vz, und das Torsionsmoment M1-, welches durch den Hebelarm zwischen horizontalem Lasteintrag und Schubmittelpunkt des Trägers entsteht. Die Verdrehung des Kranbahnquerschnittes infolge Torsion führt zu einem vergrößerten Hebelarm der vertikalen Radlasten zum Schubmittelpunkt des Trägers und somit zu einer weiteren Vergrößerung des Torsionsmomentes Mτ. Das Torsionsmoment Mτ des Kranbahnträgers ist dabei sehr oft als querschnittsbestimmend für den Kranbahnträger zu bezeichnen. Aufgrund der geringen Torsionssteif ig keit von Doppel T-Trägern ergibt sich die eindeutige Aussage, dass mit dieser Querschnittsform keine optimierbaren Profilquerschnitte bei anzustrebender Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche zu erzielen ist. Zusätzlich kann aufgrund der vorhandenen Belastungseinleitungen für einen Kranbahnträger in Doppel T-Träger Ausführung (z.B.: Horizontalkräfte greifen am Oberflansch an) der untere Flansch nicht
Bemessungsrelevant sein, was bedeutet, dass der untere Flansch immer eine Spannungsreserve gegenüber dem stärker beanspruchten oberen Flansch aufweist, obwohl beide Flansche in gleichen geometrischen Abmessungen ausgeführt werden. Aufgrund dieser Tatsache ergibt sich die eindeutige Aussage, dass mit dieser Doppel T- Träger Querschnittsform keine optimierbaren Profilquerschnitte bei anzustrebender Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche zu erzielen ist. Einen geschweißten Biegeträger als torsionssteifen Profilquerschnitt herzustellen (z.B.: Hohlkastenprofil), wie er unter der Rubrik Stand der Technik beschrieben wird, ist als zu kostenintensiv anzusehen. Der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt führt bei der Bemessung als Kranbahnträger zu wesentlich wirtschaftlicheren Profilquerschnitten, so dass eine rechnerische Bemessung von Kranbahnträgern mit Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche und damit auch reduzierter Eigenmasse erstmals wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt als geschlossener und dünnwandig im Stegbereich konzipierter Kastenquerschnitt mit überstehenden Flanschen 1 , 4 ausgebildet wird. Infolge der geschlossenen Querschnittsform und des maximalen horizontalen Abstandes der beiden vertikalen Stege untereinander ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * lz) sowie der Torsionssteifigkeit (G * lτ). Zweite Ausführungsform
Gemäß Fig. 4 der gezeigten Ausführungsform wird der überstehende obere Flansch 1 des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes breiter und ggf. mit stärkerer Querschnittsdicke gegenüber dem unteren Flansch 4 ausgebildet.
Die beiden vertikalen Stege 2, 3 werden paarweise in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander angeordnet und verbinden die beiden Flansche 1 , 4. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 sind gegenüber den Flanschenden eingerückt angeordnet, so dass sich überstehende Flanschenden ergeben, wobei der obere Flansch 1 aufgrund der breiteren Ausführung mehr übersteht als der untere Flansch 4.
Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des Kranbaus
- Vorteilsbenennung für Kranbahnen Kranbahnträger benötigen infolge der angreifenden horizontalen und vertikalen Punktlasten, die zweiachsige Biegemomente Mγ und Mz, zweiachsige Schubkräfte Vγ und Vz, und ein Torsionsmoment Mτ verursachen, zusätzlich zur gewünschten hohen Torsionssteifigkeit (G * I7) eine möglichst hohe Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * Iz)- Eine vorhandene geringe Torsionssteifigkeit sowie geringe Biegesteifigkeit für die schwache Achse ergibt für Kranbahnträger in bisheriger Doppel T-Träger
Querschnittsform sehr oft rechnerisch unerwünschte starke Profilquerschnitte. Daraus ergibt sich wiederum die eindeutige Aussage, dass mit dieser Querschnittsform keine optimierbaren Profilquerschnitte bei anzustrebender Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche zu erzielen sind.
Der durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt führt bei der Bemessung von Kranbahnträgern zu wesentlich wirtschaftlicheren Profilquerschnitten, so dass eine rechnerische Bemessung von Kranbahnträgern mit Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche und damit auch reduzierter Eigenmasse erst wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt als geschlossener und dünnwandig im Stegbereich konzipierter Kastenquerschnitt mit überstehenden Flanschen 1 , 4 ausgebildet wird. Die breitere und optional dickere obere Flanschausführung 1 erhöht die Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * I2). Infolge der geschlossenen Querschnittsform und des maximalen horizontalen Abstandes der beiden vertikalen Stege untereinander ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Torsionssteifigkeit (G * lτ). Da der untere Flansch 4 zur Abtragung der Horizontalkräfte nur wenig beiträgt, wird dieser nicht so breit und dick wie der obere Flansch 1 ausgeführt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Schwerpunkt und Schubmittelpunkt des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes in Richtung Oberflansch wandert. Das vorhandene Torsionsmoment, welches durch den Hebelarm zwischen horizontalem Lasteintrag und Schubmittelpunkt des Trägers entsteht, wird dabei zusätzlich reduziert.
Dritte Ausführungsform Gemäß Fig. 5 der gezeigten Ausführungsform wird der überstehende untere Flansch 4 des erfindungsgemäßen, durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes breiter und ggf. mit stärkerer Querschnittsdicke gegenüber dem oberen Flansch 1 ausgebildet. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 werden paarweise in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander angeordnet und verbinden die beiden Flansche 1 , 4. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 sind gegenüber den Flanschenden eingerückt angeordnet, so dass sich überstehende Flanschenden ergeben, wobei der untere Flansch 4 aufgrund der breiteren Ausführung mehr übersteht als der obere Flansch 1.
Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des allgemeinen Stahlbaus In der Praxis werden sehr oft Stahlträger in bisheriger Doppel T-Träger Ausführung als Abfangungsträger für Stahlbeton-, oder Spannbetonplatten verwendet. Um dabei eine möglichst geringe Bauhöhe (Deckendicke) zu erzielen, werden die Betonplatten auf dem unteren Flansch dieser Stahlträger aufgelagert.
Dabei ergibt sich die Forderung, dass sich für den zu wählenden Profilquerschnitt eine unerwünschte Bauhöhe (Profilhöhe) ergeben muss, die immer höher gegenüber der Betonplattendicke sein wird, damit die Betonplatte überhaupt erst auf den unteren
Flansch geschoben werden kann und nicht am oberen Flansch blockiert. Somit stellt sich die übliche Problematik dar, dass der obere Flansch in bisheriger Doppel T-Träger Ausführung immer über der Betonoberkante übersteht, was immer bautechnische Probleme nach sich zieht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass der untere Flansch breiter und gegebenenfalls dicker ausgeführt wird als der obere Flansch. Dies hat den immensen Vorteil, dass die Profilhöhe des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes nicht mehr zwingend höher gegenüber der Betonplattendicke ausgeführt werden muss. Die Betonplatte kann somit auf dem unteren Flansch aufgelagert werden und schlägt nicht mehr am oberen Flansch 1 an, da dieser eine geringere Querschnittsbreite besitzt. Somit kann gewährleistet werden, dass kein oberer Flansch 1 mehr über der Betonplattenoberkante übersteht, was die bisher bestehenden bautechnischen Probleme vollständig löst, und somit werden zusätzliche Baukosten eingespart. Diese erfindungsgemäße Ausführung führt bei bestehenden Anschlüssen und Detailausbildungen zu wesentlichen Verbesserungen und wirtschaftlicheren Profilquerschnitten, und zusätzlich ergeben sich neue Konstruktionsmöglichkeiten.
Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des Kranbaus
- Vorteilsbenennung für Hängekranbrückenträger sowie Kranbahnträger von Hängekranen und Hängekatzen
Bei Hängekranbrückenträger und Kranbahnträger für Hängekatzen greifen die vertikalen und horizontalen Radlasten nur am Unterflansch 4 an. Für den Unterflansch 4 ergeben sich somit zusätzlich zur globalen Haupttragwirkung auch lokale Flanschbiegungen. Aus dem statischen Bemessungsalgorithmus ist eindeutig ersichtlich, dass der Unterflansch 4 immer wesentlich höher gegenüber dem Oberflansch 1 beansprucht wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass der rechnerisch erforderliche Profilquerschnitt für Hängekranbrückenträger und Kranbahnträger für Hängekatzen in Doppel T-Träger Querschnittsform nur von Querschnittsdicke und Querschnittsbreite des unteren Flansches abhängt, obwohl der obere Flansch 1 gleichzeitig immense Spannungsreserven aufweist. Schon relativ geringe Flanschdicken bedingen große Profilquerschnittsflächen und Profilhöhen. Zusätzlich können für Hängekranbrückenträger und Kranbahnträger für Hängekatzen ab einer bestimmten Grenze, die von Spannweite und Tragfähigkeit abhängt, nicht mehr in bisheriger Doppel T-Träger Querschnittsform ausgeführt werden, da die Profilflanschdicken und Profilflanschbreiten als begrenzt zu bezeichnen sind. Um höhere Tragfähigkeiten und längere Spannweiten zu erreichen, muss der Brückenträger bzw. der Kranbahnträger als geschweißter Profilquerschnitt ausgeführt werden, was jedoch als sehr teuer und zeitaufwendig zu bewerten ist.
Daraus ergibt sich die eindeutige Aussage, dass mit dieser Querschnittsform keine optimierbaren Profilquerschnitte bei anzustrebender Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche zu erzielen sind.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber der ersten Ausführungsform dadurch, dass der untere Flansch 4 breiter und gegebenenfalls dicker gegenüber dem oberen Flansch 1 ausgeführt wird. Durch den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt können bei der Dimensionierung der beiden
Flansche 1 , 4 erstmals rechnerisch für beide Flansche 1 , 4 eine annähernd gleiche prozentuale Auslastung ermittelt werden, der wesentlich geringere Profilquerschnittsflächen bedingt. Dies führt zu einer beträchtlichen Einsparung bezüglich des Trägereigengewichtes, sodass eine Bemessung von Hängekranbrückenträger und Kranbahnträger für Hängekatzen mit minimaler
Querschnittsfläche und damit auch reduzierter Eigenmasse überhaupt erst wirtschaftlich umgesetzt werden kann.
Vierte Ausführungsform
Gemäß Fig. 6 der gezeigten Ausführungsform werden die beiden Flansche 1 , 4 des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes in gleichen geometrischen Abmessungen in Bezug auf Breite und Querschnittsdicke ausgebildet. Eine zusätzliche Ausführungsform besteht in unterschiedlichen geometrischen Abmessungen der beiden Flansche, indem der obere Flansch breiter und dicker als der untere Flansch ausgebildet wird. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 sind wieder gegenüber den Flanschenden eingerückt angeordnet, so dass sich überstehende Flanschenden ergeben. Auf dem oberen Flansch 1 ist eine Kranschiene 5 mittig auf einen der beiden vertikalen Stege 2 oder 3 aufgesetzt, welche als Schraubverbindung geklemmt oder verschweißt ausgeführt werden kann (in Figur 6 als aufgeschweißt dargestellt). Der direkt belastete Steg (Hauptsteg) 2 oder 3 der sich unter der aufgesetzten Kranschiene 5 befindet, wird mit stärkerer Wandstärke als der indirekt belastete Steg (Nebensteg) 3 oder 2 ausgeführt. Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des Kranbaus
- Vorteilsbenennung für Kranbahnen
Da bereits in der ersten Ausführungsform eine umfassende detaillierte Erläuterung in der Rubrik Vorteilsbenennung für Kranbahnen erfolgte, soll hier nicht nochmalig darauf eingegangen werden.
In dieser Ausführungsform soll jedoch eine zusätzliche Möglichkeit für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt aufgezeigt werden, einen Stahlträgerquerschnitt auf Grundlage minimaler Querschnittsfläche herzustellen, der alle beschriebenen Nachteile beseitigt. Der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und
Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt führt bei der Bemessung von Kranbahnträgern zu den wirtschaftlichsten Profilquerschnitten überhaupt, so dass eine rechnerische Bemessung von Kranbahnträgern mit Grundforderung nach minimaler Querschnittsfläche und damit auch reduzierter Eigenmasse sehr gut wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt als geschlossener und dünnwandig im Stegbereich konzipierter Kastenquerschnitt ausgebildet wird, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Biegesteif ig keit für die schwache Achse (E * lz) sowie der Torsionssteif ig keit (G * lτ) führt, gemäß der ersten Ausführungsform. Die Kranschiene 5 wird mittig über den direkt belasteten Steg
(Hauptsteg) angeordnet, so dass die vertikalen Radlasten direkt in den Hauptsteg des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes eingeleitet werden. Der indirekt belastete Nebensteg fungiert dabei als Aussteifung, um die hohe Torsionssteifigkeit sicherzustellen. Der direkt belastete Steg (Hauptsteg) 2 oder 3 wird mit stärkerer Wanddicke als der indirekt belastete Steg (Nebensteg) 3 oder 2 ausgeführt. Bei einer Ausführungsform in der der obere Flansch breiter und dicker als der untere Flansch ausgebildet wird, wandert der Schubmittelpunkt des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes in Richtung Oberflansch. Das vorhandene Torsionsmoment, welches durch den Hebelarm zwischen horizontalem Lasteintrag und Schubmittelpunkt des Trägers entsteht, wird reduziert. Fünfte Ausführungsform
Gemäß Fig. 7 der gezeigten Ausführungsform werden die beiden Flansche 1 , 4 des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes in gleichen geometrischen Abmessungen in Bezug auf Breite und Querschnittsdicke ausgebildet. Eine Besonderheit gegenüber der vierten Ausführungsform besteht in der oberen Flanschausführung. Dieser obere Flansch ist so konzipiert, dass zwei Teilbereiche seiner Flanschfläche parallel zu den Stegen stehen. Eine zusätzliche optimierte Ausführungsform besteht in unterschiedlichen geometrischen Abmessungen der beiden Flansche, indem der obere Flansch breiter und dicker als der untere Flansch ausgebildet wird.
Die beiden vertikalen Stege 2, 3 sind wieder gegenüber den Flanschenden eingerückt angeordnet, so dass sich überstehende Flanschenden ergeben. Auf dem oberen Flansch 1 ist eine Kranschiene 5 mittig auf einen der beiden vertikalen Stege 2 oder 3 aufgesetzt, welche als Schraubverbindung geklemmt oder verschweißt ausgeführt werden kann (in Figur 7 als aufgeschweißt dargestellt). Der direkt belastete Steg (Hauptsteg) 2 oder 3 der sich unter der (aufgeschweißten) aufgesetzten Kranschiene 5 befindet, wird mit stärkerer Wandstärke als der indirekt belastete Steg (Nebensteg) 3 oder 2 ausgeführt.
Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet des Kranbaus
- Vorteilsbenennung für Kranbahnen Da bereits in der ersten Ausführungsform eine umfassende detaillierte Erläuterung in der Rubrik Vorteilsbenennung für Kranbahnen erfolgte, soll hier nur noch auf eine Besonderheit eingegangen werden.
Aufgrund der Konzeption des Oberflansches (Die beiden Flanschenden des Oberflansches stehen parallel zu den Stegen) und einer Ausführungsform, indem der obere Flansch breiter und dicker als der untere Flansch ausgebildet wird, wandert der Schubmittelpunkt des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes sehr weit in Richtung Oberflansch. Dies kann durch eine Optimierung zwischen Trägerhöhe und Fläche von Oberflansch und Unterflansch so optimiert werden, dass der Schubmittelpunkt sogar im Oberflansch liegen kann. Ein Torsionsmoment, welches durch den Hebelarm zwischen horizontalem Lasteintrag und Schubmittelpunkt des Trägers entsteht, würde dann gar nicht mehr entstehen, da die Horizontalkräfte mit dem Schubmittelpunkt eine Wirkungslinie bilden. Dieser erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt würde bei der Bemessung von Kranbahnträgern zum wirtschaftlichsten Profilquerschnitt überhaupt führen, so dass eine rechnerische Bemessung von Kranbahnträgern mit Grundforderung nach minimaler
Querschnittsfläche und damit auch reduzierter Eigenmasse am besten wirtschaftlich umgesetzt werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, dass der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt als geschlossener und dünnwandig im Stegbereich konzipierter Kastenquerschnitt ausgebildet wird, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * lz) sowie der Torsionssteifigkeit (G * lτ) führt, gemäß der ersten Ausführungsform. Der obere Flansch wird in abgeknickter Form konzipiert, sodass die beiden Flanschenden des Oberflansches parallel zu den Stegen stehen. Für diese Flanschenden kann jetzt der Steinersche Anteil der Biegesteifigkeit für die schwache Achse (E * lz) berücksichtigt werden, was zu einer zusätzlichen Erhöhung der Biegesteifigkeit der schwachen Achse führt.
Zusätzlich wandert der Schubmittelpunkt sehr weit in Richtung Oberflansch und vermindert das Torsionsmoment, welches durch den Hebelarm zwischen horizontalem Lasteintrag und Schubmittelpunkt des Querschnittes entsteht, sehr stark. Die
Kranschiene 5 wird mittig über den direkt belasteten Steg (Hauptsteg) angeordnet, so dass die vertikalen Radlasten direkt in den Hauptsteg des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt eingeleitet werden. Der indirekt belastete Nebensteg fungiert dabei als Aussteifung, um die hohe Torsionssteifigkeit sicherzustellen. Der direkt belastete Steg (Hauptsteg) 2 oder 3 wird mit stärkerer Wanddicke als der indirekt belastete Steg (Nebensteg) 3 oder 2 ausgeführt.
Sechste Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt die umfangreichen Möglichkeiten erläutert, mittels Spanngliedern (Spannlitzen) 6, die im Hohlraum des erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnittes angeordnet werden, den erfindungsgemäßen Stahlträgerquerschnitt bzw. die erfindungsgemäße Stahlträgerkonstruktionen als vorgespannte Konstruktion zu konzipieren, um noch wesentlich höhere Belastungen bzw. Schnittgrößen aufzunehmen, ohne auf eine sehr teure geschweißte Hohlkastenträgerausführung zurückzugreifen. Die Vorspannung kann als interne Vorspannung ohne Verbund ausgeführt werden. Gemäß Fig. 8; Fig. 8.1 ; Fig. 9; Fig. 9.1 ; Fig. 10; Fig. 10.1 ; sowie Fig. 11 ; Fig. 11.1 ; und Fig. 11.2, der gezeigten Ausführungsform werden die beiden Flansche 1 , 4 des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes in gleichen geometrischen Abmessungen in Bezug auf Breite und Querschnittsdicke ausgebildet. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 werden paarweise in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander angeordnet und verbinden die beiden Flansche 1 , 4. Die beiden vertikalen Stege 2, 3 sind gegenüber den Flanschenden eingerückt angeordnet, so dass sich überstehende Flanschenden ergeben.
Erfindungsgemäße Vorteile auf dem Gebiet vorgespannter Stahlträger bzw. Stahlkonstruktionen - Vorteilsbenennung für zentrisch vorgespannte Konstruktionen
Die Fig. 8; Fig. 8.1 sowie Fig. 9 und Fig. 9.1 der Ausführungsform stellen die zeichnerische Darstellung für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt dar. Im Hohlraum des erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnittes werden zentrisch Spannglieder (Spannlitzen) angeordnet, mit denen der erfindungsgemäße hergestellte Stahlträgerquerschnitt als vorgespannte Konstruktion ausgeführt wird. Die Details von Spannkrafteinleitung und Verankerung in den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt sind bautechnisch möglich, und führen zu einer weiteren selbständigen erfinderischen Lösung. Der Urheber behält sich dazu eine weitere Patentanmeldung vor.
Diese erfindungsgemäße Ausführungsform ist besonders für Hängestützen und Zugstäbe geeignet, die in vielen Bereichen des Stahlbaus benötigt werden. Hängestützen werden z.B.: für Abstützungen im Hochbau, im Kranbau sowie für räumliche Konstruktionen aller Arten benötigt. Zugstäbe werden ebenfalls für Abstützungen sowie für Aussteifungen von räumlichen Tragwerken benötigt. Eine Tragsicherheit für Hängestützen und Zugstäbe definiert sich über ihre Profilquerschnittsfläche. Hohe Zugkräfte bedingten in bisheriger Doppel T-Träger Ausführung entsprechend große Querschnittsflächen und geometrische Abmessungen in Bezug auf Profilhöhe und Profilbreite. Da die vorhandene Querschnittsfläche in bisheriger Doppel T-Träger Ausführung begrenzt ist, ergibt sich zwangsläufig ab einer Zugkrafthöhe (die sich aus Multiplikation von Querschnittsfläche mit Streckgrenze ergibt) die Notwendigkeit, einen geschweißten Profilquerschnitt zu konzipieren, was jedoch als sehr teuer und zeitaufwendig zu bewerten ist. Für Aussteifungen müssen zulässige horizontale und vertikale Verformungen des räumlichen Tragwerkes berücksichtigt werden, die eine minimale Dehnung der Zugstäbe voraussetzt und bedingt. Diese Dehnungsminimierung konnte bisher nur mit großen Profilquerschnitten erreicht werden, obwohl gleichzeitig eine geringe prozentuale Auslastung der Tragfähigkeit besteht. Eine Hängestützenausführung in Spannbetonbauweise ist ebenfalls als Stand der Technik zu benennen. Für diese Ausführung müssen allerdings Schalungsarbeiten, Betonieren des Stützenquerschnittes und ein anschließendes Vorspannen des Profilquerschnittes mittels Spanngliedern miteinander abgestimmt werden, das sich jedoch als sehr teuer und zeitaufwendig darstellt. Im Hohlraum des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und
Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes wird eine zentrische Spanngliedführung mittels Spannlitzen konzipiert, mit der der erfindungsgemäße hergestellte Stahlträgerquerschnitt infolge Vorspannung ohne Verbund vorgespannt wird. Somit ist es durch die Vorspannung erstmals möglich, die hohen Streckgrenzen und Druckfestigkeiten von Stählen vollständig für die Dimensionierung von Hängestützen und Zugstäbe auszunutzen.
Durch diese Vorspannung wird bereits im unbelasteten Zustand eine Druckspannung im erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitt erzeugt. Es besteht bei Bedarf die Möglichkeit, trotz Lasteintrag infolge Eigengewicht oder Nutzlast keine Zugspannung im erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt entstehen zu lassen, das heißt, der erfindungsgemäße hergestellte Stahlträgerquerschnitt bleibt überdrückt. Dies kann soweit optimiert werden, dass infolge Vorspannung eine rechnerisch maximal mögliche Druckspannung in den erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitt eingeleitet werden kann. Diese vorgespannte Trägerkonstruktion kann dann eine so hohe Zugkraft aufnehmen, dass (nach Subtraktion der maximalen Druckspannung infolge Vorspannung) im erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitt eine rechnerisch maximal mögliche Zugspannung anliegt. Zusätzlich könnte der zentrisch vorgespannte erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt auch erst nach einem Lasteintrag infolge Eigengewicht oder Nutzlast vorgespannt werden, was zusätzliche Vorteile bedingt wie z.B.: Tragsicherheitsnachweise für Bauzustände usw.
Mit diesem vorgespannten erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt wird eine Druckspannung im erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitt erzeugt, die zur Aufnahme wesentlich höherer Zugkräfte führt. Außerdem ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der Tragfähigkeitsgrenze gegenüber der bisherigen Doppel T-Träger Querschnittsform, die bisher die Konzeption eines teuren geschweißten Profilquerschnittes erforderlich macht.
Diese Ausführung des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes führt zu einer immensen Verminderung von Trägereigengewichten und erforderlicher Bauhöhen. Infolge der zentrischen Vorspannung des erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnittes besteht erstmals die Möglichkeit, Dehnungsverformungen und Stauchungsverformungen je nach Bedarf zu regulieren, was weitere Vorteile nach sich zieht. Des weiteren wird diese Ausführung zu neuen Konstruktionsmöglichkeiten führen.
- Vorteilsbenennung für exzentrisch vorgespannte Konstruktionen Die Fig. 9; Fig. 9.1 sowie Fig. 10; Fig. 10.1 und Fig. 10.2 der Ausführungsform stellen die zeichnerische Darstellung für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt dar. Im Hohlraum des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes erfolgt eine exzentrische Anordnung der Spannglieder (Spannlitzen), mit denen der erfindungsgemäße hergestellte Stahlträgerquerschnitt als vorgespannte Konstruktion ausgeführt wird. Die Details von Spannkrafteinleitung, Konzeption der Umlenkkräfte und Verankerung im erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt sind bautechnisch möglich, und führen wieder zu einer weiteren selbständigen erfinderischen Lösung. Der Urheber behält sich dazu eine weitere Patentanmeldung vor. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform ist besonders für Biegeträger geeignet, die als Einfeld-, oder Mehrfeldträger ausgeführt, und als statisch bestimmte und unbestimmte Systeme konzipiert werden können. Im Stahlbau werden Biegeträger für z.B.: für Hochbau-, Tiefbau sowie
Kranbaukonstruktionen benötigt. Die Belastungen auf einen Biegeträger erzeugen Schnittgrößen wie z.B.: Normalkräfte, Querkräfte und Biegempmente. Der Tragsicherheitsnachweis für Biegeträger in bisheriger Doppel T-Träger Querschnittsform definiert sich über seine statischen Werte wie z.B.: Trägheitsmomente, Widerstandsmomente, Querschnittsflächen usw. die sich gemäß den Profiltabellen ergeben. Da die Höhe dieser statischen Werte begrenzt ist ergibt sich die Konsequenz, dass Biegeträger in bisheriger Doppel T-Träger Ausführung ab ihrer Tragfähigkeitsgrenze, die von Spannweite und Belastungen abhängt, nicht mehr ausführbar sind! Dies bedingte die Notwendigkeit einen geschweißten Profilquerschnitt zu konzipieren, das sich als sehr teuer und zeitaufwendig darstellt.
Im Spannbetonbau werden für Brückenkonstruktionen ebenfalls Biegeträger als Überbaukonstruktion eingesetzt. Für diese Ausführung müssen beispielsweise aufwendige Schalungsarbeiten, aufwendige Bewehrungsführungen für Spannglieder und schlaffer Bewehrungen, aufwendige Betonierarbeiten für den Überbauquerschnitt sowie ein anschließendes Vorspannen des Querschnittes mittels Spanngliedern miteinander abgestimmt werden, das sich als sehr teuer und zeitaufwendig darstellt. Da die Zugfestigkeit des Betons nur ca. 1/10der Druckfestigkeit entspricht, kann der Betonquerschnitt auch nur so stark vorgespannt werden, damit der Querschnitt überdrückt bleibt, d. h.: die maßgebende Randfaser des Querschnittes steht noch unter einer Druckspannung. Ergibt sich infolge einer statischen Berechnung die Notwendigkeit einer so hohen Vorspannung, dass die maßgebende Randfaser eine Zugspannung erleidet, so bedingt dies zusätzliche Bewehungsführungen.
Für kleine bis mittlere Brückenkonstruktionen in bisheriger Stahl-, Stahlbeton bzw. Spannbetonausführung ergibt sich daraus der Grundgedanke, dass diese wesentlich billiger und in einem kürzeren Zeitraum konzipiert werden könnten mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Im Hohlraum des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes wird eine exzentrische Spanngliedführung mittels Spanngliedern (Spannlitzen) konzipiert, mit der der erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt infolge Vorspannung ohne Verbund vorgespannt wird. Bei Biegeträgern ergibt sich sowohl für Einfeldträger als auch für Durchlaufträger zwar ein belastungsabhängiger, aber dennoch charakteristischer Spannungsverlauf aus der Verteilung der Biegemomente und Querkräfte. Beispielsweise erreicht bei einem
Einfeldträger das positive Biegemoment in Feldmitte unter einer konstanten Gleichlast seinen Maximalwert. Im Auflagerbereich des Einfeldträgers ergibt sich das Biegemoment zu Null. Die Querkräfte sind an der Stelle des maximalen Biegemomentes Null, erreichen aber im Auflagerbereich ihren Maximalwert. Bei einem Durchlaufträger ergeben sich im Feldbereich positive und im Auflagerbereich negative Biegemomente. Die Querkräfte erreichen wieder im Auflagerbereich ihren Maximalwert. Diesem charakteristischen Spannungsverlauf wird die exzentrische Spanngliedführung angepasst d.h.: sie folgt dem Verlauf der Biegemomente.
Für Einfeldträger werden die Spannglieder im Bereich des maximalen positiven Biegemomentes, knapp über dem unteren Flansch und zwischen den beiden Trägerstegen innerhalb des erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes angeordnet. Für Durchlaufträger werden die Spannglieder im Bereich der positiven Biegemomente knapp über dem unteren Flansch und zwischen den beiden Trägerstege innerhalb des erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnittes angeordnet. Diese Spanngliedanordnung wird im Auflagerbereich, wo negative Biegemomente auftreten, knapp unter dem oberen Flansch und zwischen den beiden Trägerstegen innerhalb des erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnittes angeordnet. Diese exzentrische Vorspannung bewirkt im erfindungsgemäßen hergestellten
Stahlträgerquerschnitt für den unbelasteten Zustand Schnittgrößen (z.B.: Querkräfte und Biegemomente). Diese Schnittgrößen subtrahieren sich mit den Schnittgrößen infolge Belastungen, die durch Eigenlasten oder Verkehrslasten hervorgerufen werden. Der Vorteil der Erfindung ist vor allem darin zu sehen, dass somit an jeder Querschnittsstelle des Biegeträgers die hohen Streckgrenzen und Druckfestigkeiten von Stählen vollständig für die Dimensionierung von Biegeträgern ausgenutzt werden kann. Im Lastfall Vorspannung ergibt sich infolge der exzentrischen Spanngliedführung für den Biegeträger beispielsweise an einer beliebigen Stelle ein maximales negatives Biegemoment, welches maximale Zugspannungen im Oberflansch und maximale Druckspannungen im Unterflansch erzeugt. Im Lastfall Eigenlast bzw. für die Verkehrslasten würde sich für den Biegeträger an dieser beliebigen Stelle ein maximales positives Biegemoment ergeben, welches maximale Druckspannungen im Oberflansch und maximale Zugspannungen im Unterflansch erzeugt. In der Überlagerung ergibt sich eine Subtraktion der beiden Spannungsanteile für den Oberflansch und Unterflansch. Dies bedeutet, dass diese beliebige Stelle des Biegeträgers Spannungsmäßig entlastet wird. Für die Querkräfte ergibt sich die gleiche Philosophie, sodass auf diese nicht weiter eingegangen werden soll. Deshalb könnten die Biegemomente und Querkräfte soweit optimiert werden, dass im Lastfall Vorspannung für den erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt an maßgebender Stelle eine rechnerisch maximal ertragbare Druck bzw. Zugspannung für beide Flansche erzeugt werden könnte. In der Lastfallüberlagerung (Vorspannung + Lastfall aus Eigenlast bzw. für die Verkehrslasten) könnte sich somit für den erfindungsgemäßen hergestellten
Stahlträgerquerschnitt an maßgebender Stelle wieder eine rechnerisch maximal ertragbare Druck bzw. Zugspannung für beide Flansche ergeben, die allerdings gegenüber der Vorspannung das Vorzeichen gewechselt haben. Zusätzlich könnte der zentrisch vorgespannte erfindungsgemäße durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte Stahlträgerquerschnitt auch erst nach einem
Lasteintrag infolge Eigengewicht oder Nutzlast vorgespannt werden, was zusätzliche Vorteile nach sich zieht wie z.B.: Tragsicherheitsnachweise für Bauzustände usw. Mit dieser erfindungsgemäßen vorgespannten Ausführung werden für Biegeträger Schnittgrößen erzeugt, die den Schnittgrößen aus Belastungen infolge Eigenlasten und Verkehrslasten entgegenwirken d.h.: sie subtrahieren sich miteinander. Für Biegeträger bedeutet dies eine Vielzahl von wirtschaftlichen Vorteilen. Im Stahlbau bedeutet dies für den vorgespannten erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt eine wesentliche Erhöhung der Tragfähigkeitsgrenze die von Belastung und Spannweite abhängt, gegenüber der bisherigen Doppel T-Träger Querschnittsform, die bisher die Konzeption eines teuren geschweißten Profilquerschnittes erforderlich machte. Zusätzlich führt die erfindungsgemäße vorgespannte Ausführung zu beträchtlichen Verminderungen von Trägereigengewichten und erforderlicher Bauhöhen. In vielen Biegeträgern von Stahlbaukonstruktionen ist nicht der Tragsicherheitsnachweis maßgebend, sondern der Durchbiegungsnachweis. Um diesen Durchbiegungsnachweis zu erfüllen, müssen in der Praxis sehr oft hohe Profilquerschnitte gewählt werden, obwohl gleichzeitig eine geringe prozentuale Auslastung des Tragsicherheitsnachweises vorliegt. Da mit dieser vorgespannten erfindungsgemäßen Ausführung auch die Durchbiegungen begrenzt werden können, ergeben sich wiederum Möglichkeiten der Minderung von Profilquerschnitten, sodass Trägereigengewichte beträchtlich minimiert werden können.
Kleine bis mittlere Brückenkonstruktionen wurden bisher sehr oft als Stahlbeton bzw. Spannbetonbaukonstruktionen konzipiert. Aufgrund von aufwendigen Schalungsarbeiten die meistens zusätzliche Abspannungen und Abstützungen erfordern, aufwendige Bewehrungsführungen für Spannglieder und schlaffer Bewehrungen, aufwendige Betonierarbeiten für den Überbauquerschnitt usw. ergibt sich die Konsequenz, das diese Ausführung als sehr teuer und zeitaufwendig zu bewerten ist. Diese bisherigen Stahlbeton bzw. Spannbetonkonstruktionen könnten durch den vorgespannten erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitt ersetzt werden. Aufwendiger Formschalungsbau und Bewehrungsführungen etc. entfallen komplett.
Die erfindungsgemäßen durch Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnitte könnten vorgespannt auf die Baustelle angeliefert und eingebaut werden, oder erst im eingebauten Endzustand vorgespannt werden. Für kleine bis mittlere Brückenkonstruktionen in bisheriger Stahlbeton bzw. Spannbetonausführung ergibt sich daraus der Grundgedanke, dass diese wesentlich billiger und in einem kürzeren Zeitraum konzipiert werden könnten. Diese vorgespannte erfindungsgemäße Ausführung wird zu neuen Konstruktionsmöglichkeiten führen. Mit diesen umfangreichen Erläuterungen von Vorteilen des erfindungsgemäßen durch
Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellten Stahlträgerquerschnittes wird ausführlich dokumentiert, dass durch den Einsatz der erfindungsgemäßen hergestellten Stahlträgerquerschnitte gegenüber bekannten Lösungen wesentliche Vorteile in solchen Größenordnungen entstehen, die den hohen Aufwand für das Errichten einer Walzstraße für derartige Hohlprofile absolut rechtfertigen würden.

Claims

Patentansprüche
1. Aus einem einstückigen Stahlbauprofil bestehender Träger, der im Prinzip als rechteckiges Hohlprofil ausgebildet ist, im Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellt wird, bestehend aus
• zwei parallel, in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten senkrechten Stegen (2, 3),
• einem oberen ersten seitlich überstehenden Flansch (1) und
• unteren zweiten seitlich überstehenden Flansch (4), mit allen veränderlichen Variablen für die Ausführungsgeometrie der Stege (2, 3), Flansche (1 , 4), Kranschiene (5) und Spannglieder (Spannlitzen) (6).
2. Träger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flansche (1 ; 4) gleich breit sind und gleiche Flanschdicken aufweisen.
3. Träger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der obere Flansch (1) breiter als der untere Flansch (4) ist, und die Dicke des Oberflansches (1) größer gegenüber der Dicke des Unterflansches (4) ausgeführt wird.
4. Träger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der untere Flansch (4) breiter als der obere Flansch (1) ist, und die Dicke des Unterflansches (4) größer gegenüber der Dicke des Oberflansches (1) ausgeführt wird.
5. Träger nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausführungsform als Kranträger mit oben aufgesetzter Schiene (5) die Schiene (5) mittig über einem der beiden Stege (2 oder 3) angeordnet ist und dieser Steg (2 oder 3) zur direkten Aufnahme der Radlasten des Kranes dicker als der andere Steg (3 oder 2) ausgebildet ist.
6. Träger nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Flansch (1) an beiden Enden in abgeknickter Form ausgebildet wird, sodass die beiden Flanschenden des Oberflansches (2) parallel zu den Stegen (2, 3) stehen und bei der Ausführungsform als Kranträger mit oben aufgesetzter Schiene (5) die Schiene (5) mittig über einem der beiden Stege (2 oder 3) angeordnet ist und dieser Steg (2 oder 3) zur direkten Aufnahme der Radlasten des Kranes dicker als der andere Steg (3 oder 2) ausgebildet ist.
7. Träger nach den Ansprüchen 1 bis 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorspannen des Trägers durch die Anordnung von zentrischen Spanngliedern (6) im
Hohlraum des Stahlträgerquerschnittes zwischen den beiden Stegen (2, 3) und den beiden Flanschen (1 , 4) vorgesehen ist.
8. Träger nach Anspruch 1 bis 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorspannen des Trägers durch die Anordnung von exzentrisch angeordneten Spanngliedern (6) im
Hohlraum des Stahlträgerquerschnittes zwischen den beiden Stegen (2, 3) und den beiden Flanschen (1 , 4) vorgesehen ist.
9. Träger nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Verschweißen zweier zueinander gerichteten Blechenden die im
Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren hergestellte einstückige geschlossene Querschnittsform des Trägers vollendet ist.
10. Eigenständige Profilreihe, gekennzeichnet durch mehrere Träger nach den Ansprüchen 1 bis 6 mit unterschiedlichen Profilhöhen und Profilbreiten sowie unterschiedliche Querschnittsdicken für Flansche (1 , 4) und Stege (2, 3) für jede der offenbarten Querschnittsformen.
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