Leitfaden für den Bau von Metallträgern und modularen Stahlbrücken

Arten von Metallträgern, die bei Bauprojekten verwendet werden

Gebäuderahmen kombinieren mehrere gewalzte und gefertigte Formen, die jeweils für eine bestimmte Spannweite, einen bestimmten Lastpfad oder ein bestimmtes Verbindungsdetail geeignet sind. Die Auswahl des falschen Profils ist eine der häufigsten Ursachen für Änderungsaufträge beim Stahlbau.

Zusammengebaute Plattenträger, die aus Flansch- und Stegplatten geschweißt und nicht in einem Walzwerk gewalzt werden, dominieren Arbeiten mit großen Spannweiten, bei denen die Standardtiefen im Katalog ausgehen. Dies ist das Profil, das am häufigsten für Hauptträger modularer Stahlbrücken angegeben wird, da Hersteller die Flanschdicke Abschnitt für Abschnitt anpassen können, um sie an das Biegemomentdiagramm anzupassen, anstatt einen konstanten Querschnitt für die gesamte Spannweite zu verwenden.

Tragfähigkeits- und Spannweitenberechnungen

Die zulässige Spannweite für einen bestimmten Träger hängt von drei Eingaben ab: der Streckgrenze des Stahls, dem Widerstandsmoment des Profils und der angewendeten Lastkombination (Eigenlast plus Nutzlast, gegebenenfalls mit Wind- oder Erdbebenlast). Als Arbeitsregel gilt, dass Ingenieure Bodenträger auf eine Tiefe von ungefähr der Spannweite geteilt durch 20 für typische Bürolasten von 50 Pfund pro Quadratfuß dimensionieren und dann überprüfen, ob die Durchbiegung unter der Spannweite geteilt durch 360 bleibt, um Oberflächen zu erhalten, die empfindlich auf Bewegungen reagieren.

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Beziehung für eine gängige W-förmige Serie bei gleichmäßiger Bodenbelastung und zeigt, wie die zulässige Spannweite mit der Balkentiefe bei einer festen Last von 50 psf zunimmt.

Diese Zahlen gehen von Stahl der Güteklasse A992 50 mit Standardaussteifungsabständen aus und dienen eher zur Veranschaulichung als als Ersatz für eine gestempelte Strukturberechnung. Tiefere Abschnitte skalieren die Spannweite nicht linear mit dem Gewicht : Bei der Umstellung von W10 auf W30 wird die zulässige Spannweite ungefähr verdreifacht, während sich das Gewicht pro Fuß nur verdoppelt. Aus diesem Grund bevorzugen Dächer und Brückendecks mit großer Spannweite tiefere, im Verhältnis zur Spannweite leichtere Abschnitte gegenüber der Stapelung mehrerer flacher Träger.

Stahlsorten und Materialauswahl für Träger

Die Sortenauswahl wirkt sich sowohl auf die Kosten als auch auf die Abschnittsgröße aus. Vier Klassen decken den Großteil der Arbeiten im Bauwesen und bei der Herstellung modularer Stahlbrücken ab.

• A36-Kohlenstoffstahl: 36.000 psi Streckgrenze, die gebräuchlichste Sorte für Winkel, Platten und Sekundärteile, bei denen Gewichtseinsparungen weniger wichtig sind als Kosten.
• A992 Güteklasse 50: 50.000 psi Ausbeute, seit Anfang der 2000er Jahre die Standardgüte für gewalzte W-Formen in den Vereinigten Staaten, die etwa 39 Prozent mehr Festigkeit als A36 bei einem ähnlichen Stückpreis bietet.
• A572 Güteklasse 50/60/65: hochfester niedriglegierter Stahl für Plattenträger und hochbelastete Brückenelemente, verfügbar bis zu einer Streckgrenze von 65.000 psi.
• Witterungsbeständiger Stahl (Typ A588): Bildet eine stabile Oxidschicht, die wiederholte Lackierzyklen überflüssig macht und häufig für freiliegende modulare Stahlbrückenträger in ländlichen Gebieten und auf Autobahnen eingesetzt wird.

Gewichtseinsparungen durch die Sortenauswahl der Mischung im gesamten Projekt. Bei einem 30.000 Quadratfuß großen Lagerhausrahmen wird durch den Wechsel der Primärträger von A36 auf Güteklasse 50 die Gesamtstahltonnage in der Regel um 12 bis 18 Prozent reduziert, was sowohl die Material- als auch die Kranzeitkosten senkt, auch wenn der Preis pro Tonne für Güteklasse 50 etwas höher ausfällt.

Korrosionsschutz- und Beschichtungssysteme

Unbeschichteter Baustahl verliert in einer typischen Industrieumgebung im Freien pro Jahr etwa 0,001 bis 0,005 Zoll an Querschnittsdicke, weshalb die Auswahl der Beschichtung als Entwurfsentscheidung und nicht als nachträglicher Gedanke behandelt wird, insbesondere bei freiliegenden Trägern und modularen Stahlbrückenträgern, die in der Nähe von Wasserübergängen liegen.

Feuerverzinkung ist die Standardwahl für Träger unter 40 Fuß, die in ein Tauchbecken passen, während vor Ort angewendete Epoxidharz-/Polyurethansysteme längere Plattenträger und zusammengesetzte modulare Stahlbrückenabschnitte abdecken, die über die Beckenabmessungen hinausgehen.

Herstellungs-, Schweiß- und Verbindungsmethoden

Die Werkstattfertigung eines Metallträgers folgt einer festen Reihenfolge, und die Reihenfolge ist wichtig, da Bohren oder Schweißen in der falschen Reihenfolge zu Verzerrungen führen, deren nachträgliche Korrektur kostspielig ist.

1. Ablängen von Flansch- und Stegblechen mittels CNC-Plasma- oder Autogenschneiden, wobei die Schnitttoleranzen typischerweise bei plus oder minus 1/16 Zoll liegen.
2. Passung und Heftschweißen des Stegs an die Flansche, Prüfung auf Rechtwinkligkeit, bevor mit dem vollständigen Schweißen begonnen wird.
3. Vollständiges Schweißen, normalerweise Unterpulverschweißen für lange gerade Strecken auf Plattenträgern, wodurch das Schweißgut schneller und mit weniger Fehlern aufgetragen wird als beim manuellen Metalllichtbogenschweißen mit Schutzschild.
4. Bohren oder Stanzen von Bolzenlöchern für Feldspleißplatten und Verbindungswinkel, positioniert anhand einer Werkstattschablone, um die Montage vor Ort zu gewährleisten.
5. Überprüfung und Begradigung der Überhöhung, da lange Träger vorab nach oben gewölbt sind, um einer Durchbiegung durch Eigenlast bei Belastung entgegenzuwirken.
6. Oberflächenvorbereitung und Beschichtungsauftrag vor dem Versand.

Bei Feldverbindungen an Gebäuderahmen werden in der Regel hochfeste Schrauben (Qualität A325 oder A490) anstelle von Feldschweißungen verwendet, da sich Schraubverbindungen schneller installieren lassen, leichter auf das richtige Drehmoment überprüft werden können und sowohl bei Gebäuderahmen als auch bei Verbindungsverbindungen von modularen Stahlbrücken eine vorhersehbare Leistung erbringen.

Kostenvergleich: Stahlträger vs. Beton und Holz

Die Materialkosten pro Tonne erzählen nur einen Teil der Geschichte; Die Installationskosten pro Quadratfuß der gerahmten Fläche sind die Zahl, die bei den meisten Projekten tatsächlich für die Auswahl des Trägers ausschlaggebend ist.

Stahl gewinnt vor allem bei Projekten mit großen lichten Spannweiten, engen Zeitplänen oder dem Bedarf an Flexibilität bei späteren Renovierungen, da das Entfernen einer tragenden Wand oder das Hinzufügen einer Öffnung bei verschraubten Stahlrahmen unkompliziert ist und bei Gussbeton weitaus störender ist.

Wartungs- und Inspektionsrichtlinien

Ein dokumentiertes Inspektionsintervall verlängert die Lebensdauer der Träger weit über die ursprünglichen Entwurfsannahmen hinaus, insbesondere bei freiliegenden Trägern und modularen Stahlbrückenkonstruktionen, die Verkehrsbelastungen und Wetterwechseln ausgesetzt sind.

Zu den vorrangigen Punkten bei jeder Inspektion gehören das Schraubendrehmoment an den Verbindungsstellen, die Dicke der Beschichtungsschicht an den Trägerenden, an denen sich Wasser ansammeln kann, und etwaige sichtbare Querschnittsverluste an Lagerpunkten, an denen der Träger ein Fundament oder Widerlager berührt.

Häufig gestellte Fragen