Arten von kaltgeformten Stahlprofilen
In den späten 1980er Jahren legten Forscher einige kritische Bedingungen für die Massenproduktion von Wohnungen fest, und kaltgeformte Stahlprofile verfügen über einige starke Eigenschaften, um diese Bedingungen zu erreichen [2].
- Die Bauteile müssen vergleichsweise klein, zerlegbar und möglichst einfach sein.
- Das Leitungs- und Rohrnetz muss weitestgehend unabhängig von den anderen Bauteilen sein.
Derzeit kommen in der Branche mehrere Bauweisen zum Einsatz, am weitesten verbreitet ist jedoch die Stabbauweise. Bei dieser Methode erfolgt die Endmontage vor Ort. Eine Beispielwandanordnung, die in vielen Aspekten (strukturell, thermisch, akustisch) von verschiedenen Forschern getestet wurde, ist in Abbildung 1 dargestellt [3]. Vertikale Lasten werden über die Bodenbalken und Wandpfosten übertragen. Dünne, relativ lange Stahlprofile sind ebenso einfach und zerlegbar, und mechanische Systemkomponenten laufen unabhängig voneinander in Strukturkomponenten.
Abbildung 1. Beispiel für eine Wandmontage [3]
Kaltumgeformte Bauteile und Profilbleche sind Stahlprodukte aus beschichteten oder unbeschichteten warm- oder kaltgewalzten Flachbändern oder Coils. Sie haben einen im zulässigen Toleranzbereich konstanten oder variablen Querschnitt. Kaltgeformte Bauteile können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine davon sind die einzelnen Elemente wie Ständer, Balken usw. (Abbildung 2). Zweitens: Paneel- und Deckelemente (Abbildung 3) [1].
Abbildung 2. Typische kaltgeformte Abschnitte für einzelne Elemente
Abbildung 3. Typische kaltgeformte Abschnitte für Terrassendielen
In den meisten Anwendungen wählen Designer offene Profile mit Höhen von 50–70 mm bis 350–400 mm und Dicken von 0,7 mm bis 6,0 mm. Bei Terrassendielen können die Profildicken auf 0,3 mm reduziert werden. Hybridsysteme (kombiniert aus kaltgeformten Stahlbauteilen mit warmgewalzten Stahlprofilen) sind ebenfalls eine praktische Option, um die Probleme zu überwinden, die sich aus strukturellen Systemunregelmäßigkeiten ergeben. Wenn jedoch die architektonischen Pläne, Volumina und Abmessungen geeignet sind, ist es möglich, die gesamte Struktur ohne Verwendung anderer Strukturelemente zu entwerfen.
Kaltgeformte Stahlbauteile werden mit Schrauben, Nieten und Bolzen miteinander verbunden. Aufgrund seiner Flexibilität in der Anwendung ist es einfach, Verbindungen von jedem Teil des Abschnitts aus herzustellen. Neben Stahl-Stahl-Verbindungen eignen sich ebene Flächen von Stahlprofilen für die Verbindung mit Verkleidungsmaterialien wie OSB und Gipsplatten, die eine erhebliche Steifigkeit bieten [4].
Um die Steifigkeit von kaltgeformten Profilen und Blechen zu erhöhen, werden Rand- und Zwischenversteifungen eingesetzt. Die Versteifung eines Querschnitts bedeutet kleine Biegeteile des flachen Teils des Profils [5].
Abbildung 4. Die Versteifung eines Abschnitts
Strukturelles Verhalten
Kaltgeformte Stahlprofile sind im Allgemeinen dünn und Teile der Profile sind im Vergleich zu ihrer Dicke relativ lang. Die Dicke zur Abschnittslänge oder das Verhältnis von Abschnittsbreite zu Abschnittslänge ist in den Codes auf die Verwendung entsprechender, im Code angegebener Formeln beschränkt. Wenn Abschnitte jedoch physisch getestet werden, dürfen unterschiedliche Verhältnisse verwendet werden [6].
Abbildung 5. Typische Abschnitte mit offenem Querschnitt
Bei kaltgeformten Profilen ist die Querschnittsstabilität von großer Bedeutung. Diese Formen können als „schlanke“ oder „nicht kompakte“ Abschnitte betrachtet werden, was bedeutet, dass eine Faser des Abschnitts unter einer bestimmten Belastung möglicherweise nicht die Streckgrenze erreicht, bevor sie lokal oder global knickt. Darüber hinaus ist es bei dünnwandigen Bauteilen möglich, zumindest lokale Knickungen zu erkennen, selbst wenn der Abschnitt vollständig gegen Torsion oder seitliche Verschiebung abgestützt ist. Daher wird bei der Bemessung dünnwandiger Abschnitte besonders auf Knickfälle geachtet. Bei dünnwandigen Strukturen sind einige Knickmodi vorherrschend. In erster Linie handelt es sich um lokales, verzerrendes und globales Knicken. In einigen Ausnahmefällen sollten Scherknicken und Bahnverkrüppelung auf die Querschnittsstabilität hin untersucht werden [7].
Bis Ende der 1970er Jahre war es eine Standardberechnungsmethode, die effektive Breitenmethode von Winter zu verwenden [8]. Im Jahr 1978 schlug Hancock [9][7] die Verwendung einer Signaturkurve vor, die die Knickmodi im Zusammenhang mit der Bauteillänge veranschaulicht. Mit der Berechnung der kritischen Knickspannungen für jede Länge wird ein Diagramm erstellt. Minima des Diagramms definieren einen bestimmten Knickfall. Hauptsächlich bewegen sich größere Teile des Abschnitts aus der Ebene und Ecken des Abschnitts bleiben bestehen (Punkt A in Abb. 6). Wenn die Länge zunimmt, nimmt die Belastung tendenziell zu und dann ab. Die Grafik gibt für eine bestimmte Länge wieder ein Minimum an, und in der entsprechenden Länge tritt Knickung auf. Im Allgemeinen bewegen sich Teile mit Versteifung vollständig aus der Ebene (Punkt B in Abb. 6). Bei größeren Längen unterliegt das Bauteil einer globalen Knickung.
Abbildung 6. Typisches Diagramm einer Signaturkurve eines dünnwandigen Abschnitts
In der gängigen Praxis werden die Glieder über ihre schlanken Teile miteinander verbunden. Beispielsweise können C-förmige Träger auf einem steifen Element sitzen. In diesem Fall kann es zu einer lokalen Knickung der Bahn kommen, die als „Web-Verkrüppelung“ bezeichnet wird. Die Verkrüppelung der Stege kann bei kaltgeformten Stahlkonstruktionen ein kritisches Problem darstellen, da diese Aktion eine weiche und schwache Unterstützung für das Bauteil erzeugt [1].
Bolzen und Träger werden normalerweise mit Löchern im Steg und an den Flanschen verwendet. Die Auswirkungen von Löchern für Bolzen und Schrauben sind gering, Löcher für den Durchgang von Versorgungsleitungen wie Elektro-, Sanitär- oder ähnlichem wirken sich jedoch auf die Steifigkeit aus [10]. Aufgrund der Störung der Spannungsverteilung auf Spannung durch Löcher können Öffnungen je nach Halbwellenlänge und Lochmuster die kritische Knicklast verringern oder erhöhen [7].
Verweise
[1] Dubina, D.; Ungureanu, V.; R. Landolfo (2012). Design of Cold-Formed Steel Structures, ECCS.
[2] Bats, J. O.; Janssen, J. F. G.; Industrial Housing with Cold-Formed Sheet-Steel Elements, in Proceedings of the 9th Int. Specialty Conference on Cold-Formed Structures. 1988.
[3] G. D. Corte; L. Fiorino; and R. Landolfo; Seismic Behavior of Sheathed Cold-Formed Structures: Numerical Study. 2006.
[4] Baran E, Alica C, Behavior of cold-formed steel wall panels under monotonic horizontal loading, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 79, 2012, pp 1-8,
[5] Peköz, Teoman; Winter, George; and Desmond, T. P., “Edge Stiffeners for Cold-formed Steel Members”
(1978). International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. 6.
[6] EN 1993-1-3 (2006): Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.
[7] Adany S; Signature curve for general thin-walled members. Proceeding of the annual stability conference, Baltimore, Maryland, 2018.
[8] Winter, G.: “Light Gage (Thin-Walled) Steel Structures for Building in the U.S.A.,” preliminary publication, 4th Congress of the International Association for Bridge and Structural Engineering, 1952.
[9] Hancock, G.J. (1978), Local, Distortional, and lateral buckling of I-beams, ASCE Journal of structural engineering, 104(11), pp. 1787-1798.
[10] Moen, C.D., Schafer, B.W., 2009. Direct Strength Design of Cold-formed Steel Members with Perforations, Research Report. American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, DC.
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