Institut fr Baustatik und Stahlbau

Stahlbau ISkriptum zur Vorlesung

Jrgen PriebeUwe Starossek

September 2008

IInhaltsverzeichnis

1 bersicht 1-11.1 Entwicklung des Werkstoffes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-11.2 Stahlproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1

1.2.1 Das Sauerstoff-Blasverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-11.2.1.1 Der Hochofenproze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-11.2.1.2 Die Stahlproduktion im Sauerstoffkonverter . . . . . . . . . . . . . . 1-3

1.2.2 Das Elektrostahl-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-41.2.2.1 Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-41.2.2.2 Metallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4

1.2.3 Sekundr- oder Pfannenmetallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-41.2.3.1 Allgemeine Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4

1.2.4 Die Stahlbehandlung in der Giepfanne: Desoxidation und Veredelung . . . . . 1-51.2.5 Vergieen und Erstarren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-6

1.2.5.1 Allgemeine Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-61.2.6 Gutechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-7

1.2.6.1 Blockguverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-71.2.6.2 Strangguverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-7

1.3 Formgebungstechniken und Wrmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-81.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-81.3.2 Warmwalzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8

1.3.2.1 Beschreibung der Walzvorgnge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-81.3.3 Walzen von Halbzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-91.3.4 Walzen von Fertigungsprodukten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-111.3.5 Warmwalzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-12

1.3.5.1 Warmwalzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-121.3.5.2 Thermomechanische Behandlung (TMB) . . . . . . . . . . . . . . . . 1-121.3.5.3 Normalisierendes Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-121.3.5.4 Thermomechanisches Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-131.3.5.5 Beschleunigtes Abkhlen (AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-131.3.5.6 Hrten und Selbstanlassen (Vergten, QST) . . . . . . . . . . . . . . 1-131.3.5.7 Einflu der Walzverfahren auf die mechanischen Eigenschaften . . . . 1-13

1.4 Lieferformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-151.5 Einige Vor- und Nachteile des Bauens mit Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-201.6 Anwendungsgebiete (Auszug) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-201.7 Baubestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-21

2 Werkstoff Baustahl 2-12.1 Stahlsorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1

2.1.1 Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12.1.2 Wrmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1

2.1.2.1 Normalglhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22.1.2.2 Spannungsarmglhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2

2.2 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22.3 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3

2.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-32.3.2 Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4

II

2.3.3 Kerbschlagzhigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4

3 Einfache Bauteile 3-13.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1

3.1.1 Nachweiskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-13.1.2 Nachweisverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2

3.2 Zugstab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-23.2.1 Tragverhalten des zentrisch gezogenen Stabes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3

3.2.1.1 Duktiler Stahl ( Baustahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-33.2.1.2 Sprder Stahl (unerwnscht) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-43.2.1.3 Stahl ohne ausgeprgte Streckgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4

3.2.2 Bemessung des Zugstabes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-43.2.3 Nachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6

3.3 Biegetrger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-63.3.1 I-Profile unter einachsiger Biegung: Verfahren Elastisch - Elastisch . . . . . . . 3-63.3.2 Vergleichsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-93.3.3 Instabilittserscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-11

3.3.3.1 Versagen des Trgers durch Biegedrillknicken (Kippen) . . . . . . . . 3-113.3.3.2 Konstruktive Mglichkeiten: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-123.3.3.3 Nachweis des Druckgurtes als Druckstab (DIN 18800, T.2, El. 3.3.3 ) . 3-133.3.3.4 Genauere rechnerische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . 3-143.3.3.5 Versagen durch Ausbeulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-143.3.3.6 Beanspruchung in z-Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-14

3.3.4 I-Profile unter zweiachsiger Biegung, Verfahren Elastisch - Elastisch . . . . . . . 3-153.3.5 Weitere Profile bei Biegebeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-153.3.6 Biegetrger unter einachsiger Biegung, Verfahren Elastisch - Plastisch . . . . . . 3-16

3.3.6.1 Einige Hinweise zur plastischen Querschnittstragfhigkeit . . . . . . . 3-163.3.6.2 Das vollplastische Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-18

3.3.7 Biegetrger bei einachsiger Biegung, Verfahren Plastisch - Plastisch . . . . . . . 3-243.3.7.1 Bedeutung der Verfahrensbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . 3-243.3.7.2 Plastische Schnittgrenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-25

3.4 Druckstab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-303.4.1 Materialverhalten bei Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-303.4.2 Ideale Knicklasten von Druckstben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-30

3.4.2.1 Stbe mit anderen Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-323.4.3 Knicklngen und Knicklngenbeiwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-343.4.4 Knickspannung und Schlankheitsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-353.4.5 Knicken im Bereich unelastischen Materialverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . 3-363.4.6 Baupraktisch erreichbare Druckkrfte (Traglasten) . . . . . . . . . . . . . . . . 3-37

3.4.6.1 Nachweis des Druckstabes nach DIN 18800, Teil 2 . . . . . . . . . . 3-383.4.6.2 Nachweis des Druckstabes nach DIN 4114 (veraltet) . . . . . . . . . . 3-413.4.6.3 Knicken in y - oder z - Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-44

3.4.7 Nachweis des Druckstabes nach Theorie II. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . 3-453.4.8 Mehrteilige Druckstbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-463.4.9 Versagensmglichkeiten des zentrisch gedrckten Stabes . . . . . . . . . . . . . 3-603.4.10 Planmig einachsige Biegung mit Normalkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-603.4.11 Versagensmglichkeiten des Druckstabes mit planmiger einachsiger Biegung . 3-68

III

4 Verbindungsmittel 4-14.1 Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1

4.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14.1.2 Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1

4.1.2.1 Rohe Schrauben (schwarze, geprete Schrauben) . . . . . . . . . . . . 4-14.1.2.2 Paschrauben (blanke, gedrehte Schrauben) . . . . . . . . . . . . . . 4-24.1.2.3 Hochfeste Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3

4.1.3 Verbindungsarten mit Schrauben - Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-34.1.3.1 Verbindungsmittel senkrecht zur Kraftrichtung . . . . . . . . . . . . . 4-44.1.3.2 Verbindungsmittel in Kraftrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-9

4.1.4 Statisch-konstruktive Forderungen bei Schraubverbindungen . . . . . . . . . . . 4-124.1.4.1 Wahl der Schraubendurchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-124.1.4.2 Abstnde der Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-134.1.4.3 Anzahl der Schrauben in einer Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . 4-14

4.1.5 Schraubverbindungen in Stahlkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-154.1.5.1 Verbindungsmittel senkrecht zur Kraftrichtung . . . . . . . . . . . . . 4-154.1.5.2 Verbindungsmittel in Kraftrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-19

4.2 Niete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-264.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-264.2.2 Nietverbindungen - allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-26

4.2.2.1 Verbindungsmittel senkrecht zur Kraftrichtung . . . . . . . . . . . . . 4-264.2.3 Statisch-konstruktive Forderungen bei Nietverbindungen . . . . . . . . . . . . . 4-274.2.4 Nietverbindungen in Stahlkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-27

4.3 Schweinhte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-284.3.1 Schweiverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-28

4.3.1.1 E-Schweien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-284.3.1.2 UP-Schweien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-294.3.1.3 Metall-Schutzgas-Schweien (MSG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-30

4.3.2 Schweinahtarten (DIN 18800, Teil 1, Tabelle 19) . . . . . . . . . . . . . . . . 4-304.3.3 Schweiverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-33

4.3.3.1 Einachsige Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-344.3.3.2 Mehrachsige Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-364.3.3.3 Einige Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-38

1-1

1 bersicht

1.1 Entwicklung des Werkstoffes

Gueisen:sprde, nicht schmiedbar, Coalbrookdale-Brcke in England ber den Severn, Bogenbrcke miteiner Spannweite von l = 31 m, 1777-1779

Schweieisen:Herdfrischen oder Puddeln des Roheisens entfernte teilweise unliebsame Nebenbestandteile wieSilizium, Phosphor, Schwefel und Kohlenstoff. Dadurch Verbesserung der Festigkeit und Zhig-keit. Vor dem Erstarren nur in teigigem Zustand. Britannia-Brcke in England, vollwandige Bal-kenbrcke mit einer Spannweite von max l = 142 m, 1850

Flueisen:Im Herdofen - oder Birnenproze nach dem Bessemer und spter Thomas-Verfahren wird derSchmelzpunkt des gereinigten Eisens berschritten, es wird flssig. Die Nebenbestandteile werdenauf das gewnschteMa reduziert. Firth of Forth - Brcke in Schottland, Fachwerkbrcke mit einerSpannweite von max l = 521 m, 1890

Flustahl:wurden frher die hrteren Sorten des Flueisens genannt. Da aber eine scharfe Trennung nichtmglich war, wurde spter beschlossen, jedes Eisen, das ohne Nebenbehandlung schmiedbar ist,als Stahl zu bezeichnen.

1.2 Stahlproduktion

1.2.1 Das Sauerstoff-Blasverfahren

Im Hochofen werden gesinterte Eisenerze zu Roheisen reduziert. Im Sauerstoffkonverter wird das Roh-eisen anschlieend in Rohstahl umgewandelt. Bei diesem Vorgang wird weiterer Schrott zugegeben, umdie Temperatur kontrollieren zu knnen.Als Ausgangsmaterial im Hochofen dient Sinter, der im Sinterwerk hergestellt wird. Im Sinterprozewird eine Mischung aus Eisenerz, Kalk und Koks (fast reiner Kohlenstoff) auf einem Frderband ineine 45 cm dicke Schicht aufgebracht (Dwight Lloyd Proze) und teilweise reduziert, um eine porseMischung aus Eisenoxiden und Nichtmetallen zu erhalten. Der Koksverbrauch liegt bei ungefhr 50 kg/tSinterprodukt.

1.2.1.1 Der HochofenprozeDer Geblsehochofen ist ein schachtartiger Hochofen, der mit der Gegenflutechnik arbeitet: das herab-sinkende Gemisch aus Sinter und Koks, das von oben in den Ofen eingebracht wird, wird von der ausdem Winderhitzer zur Verbrennung von C zu CO eingeblasenen heien Luft und den heraufsteigendenVerbrennungsgasen erwrmt und reduziert. Der Luftstrom wird vorher in einem Geblse komprimiertund durch Verbrennung der gereinigten Hochofengase auf 1100C erhitzt.Die Eisenoxide (FeO,Fe2O3) werden durch die CO-Gase reduziert und es entsteht Roheisen.Die Hochofenasche enthlt ungefhr 40% Fe und wird durch den Sintervorgang recycled.Die hohe Permeabilitt des Sinter und die gleichmige Verteilung der Charge, helfen die Produktivittdes Hochofens zu verbessern. Der Koksverbrauch lt sich somit auf 470 kg/t Flssigmetall verringern.Der Einsatz von Zustzen, wie zerstubtem Benzin (120 kg/t) oder l (60 kg/t), senkt den Koksverbrauchim Hochofen und somit ebenfalls die Kosten.

1-2

8 0 0 C

8 0 0 C

1 6 0 0 C

S a u e r s t o f f - B l a s v e r f a h r e n E l e k t r o s t a h l - V e r f a h r e n

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P r o f i l e

1 2 5 0 C

S t o - o d e r H u b b a l k e n o f e n

Abbildung 1.1: Verfahren der Stahlproduktion

1-3

Unterhalb des Winderhitzers, also dort wo die hchste Temperatur herrscht, sammelt sich die Schmelz-masse auf dem Hochofengestell. Dabei trennt sich das flssige Eisen (Roheisen) durch Dichteunterschie-de von der Schlacke. Anschlieend werden beide durch separate ffnungen abgestochen. Die abgegos-sene Schlacke wird mittels Wasserstrahlung granuliert und zur Verwendung in anderen Produkten, wieStraenbaustoffen, Dngern, etc. benutzt. Das flssige Roheisen wird in Giepfannen oder in Torpe-dopfannen (mit Kapazitten von 300 - 400 t) geleitet und dann zu den Stahlwerken zur Umwandlung zuStahl gebracht.

Eine typische Analyse des flssigen Roheisen bei 1400C liefert:

4,7% Kohlenstoff (C); 0,5% Mangan (Mn); 0,4% Silizium (Si); 0,1% Phosphor (P); 0,04% Schwefel (S)und der Rest Eisen (Fe).

Die Beseitigung des Schwefels erfordert geringe Sauerstoffaktivitten. Die Entschwefelung in Roheisenwird durch die Injektion wie Kalziumkarbid zur Bildung von Kalziumsulfiden (CaS), oder Magnesium,zur Bildung von MgS erreicht.

1.2.1.2 Die Stahlproduktion im SauerstoffkonverterDer typische Sauerstoff- oder auch LD-Konverter (nach dem Linz-Donawitz Verfahren von 1956) basiertauf dem Sauerstoffeinblasen mittels einer Lanze auf das Roheisen. Zum Khlen und zur Beseitigung vonPhosphor, Silizium und Mangan, werden noch Schrott und Kalk zugegeben.

Zuvor wird der Konverter mit Dolomit oder Magnesit ausgemauert, die der Erosion durch Schlackeund Hitze whrend des Sauerstoffblasens am besten widerstehen. Eine solche Schutzschicht hat eineungefhre Lebensdauer von 800 bis 1400 Schmelzen.

Der Sauerstoff verbrennt den Kohlenstoff in Form von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2),das gesammelt und von seiner Asche (Fe2O3, Kalkpartikel, etc.) gereinigt wird. Die Elemente Mn, Siund P werden oxidiert und verbinden sich mit Kalk (CaO) und FeO aus der Oxidation von Fe zu einerflssigen Schlacke.

Da es sich hierbei um uerst exotherme Oxidationsprozesse handelt, mu der Vorgang gekhlt werden,um die Schmelztemperatur kontrollieren zu knnen. Dies wird durch Zugabe von Schrott (recyclierterWerkschrott) und Eisenerz whrend des Blasvorgangs erreicht.

Das Sauerstoffblasen dauert, unabhngig von der Konvertergre (70 bis 400 t), 15 bis 20 Minuten, dader Sauerstoffzuflu der Lanze an das Gewicht der Schmelze angepat wird. Das Zugeben und Entneh-men von Stahl und Schlacke, inklusive Probeabstiche zur Temperatur- und Schmelzanalyse, streckt dieAbstichzeit eines Konverters auf 30 bis 50 Min.

Charakterisiert wird der gesamte Proze durch eine hohe Produktivitt und durch einen Stahl mit einemsehr hohen Reinheitsgrad.

Das Abstechen des Stahls in eine Giepfanne geschieht mittels Kippen des Ofens. Whrend dieses Vor-gangs werden zur Einstellung der Stahlzusammensetzung in die Giepfanne Eisenlegierungen zugege-ben. Anschlieend wird die oxidierte Schlacke mit 12 bis 16% Fe in eine gesonderte Pfanne abgegossenund auf einem Schlackenhof entsorgt.

Ein groer Fortschritt in der Sauerstoff-Blastechnik, das Lance Bubbling Equilibrium (LBE), wurdeMitte der 70er Jahre entwickelt, und ist mittlerweile weit verbreitet. Dazu wird ein neutrales Gas, mei-stens Argon, durch permeable Filterelemente am Boden des Konverters geblasen, und die Schmelze mitder Schlacke vermischt. Hierdurch erhhen sich die metallurgische Wirkung (geringere Fe-Verluste undP-Gehalte), die Produktivitt, und das Wrme- und Massengleichgewicht des Prozesses erheblich (Ko-stenreduzierung).

1-4

1.2.2 Das Elektrostahl-Verfahren

1.2.2.1 TechnologieBeim Elektrostahl-Verfahren wird der feste Einsatz, hauptschlich Schrott, mit elektrischer Energie durchLichtbgen zwischen Graphitelektroden eingeschmolzen.Zum Beladen mit Schrott, werden die drei Elektroden und der Ofendeckel von der Ofenschssel angeho-ben und beiseite geschoben. Zwischen den Elektroden brennt der Lichtbogen entsprechend der gewhltenSpannung und Stromstrke, um bei gewnschter Bogenlnge die zum Schmelzen bentigte Energie zuliefern. Da der durch die Lichtbgen erzeugte Lrm whrend der Einschmelzphase mit bis zu 120 dBAsehr gro ist, wird die Steuerkabine speziell gedmmt, und der Ofen mit einer besonderen Hlle umge-ben.Der Dreiphasen-Wechselstrom kommt von der Niedervoltseite (300 - 700 V) eines Hochspannungs-Transformators. Der nominelle Leistungsgrad, ausgedrckt in kVA/t, erstreckt sich von 300 bis 500 kVA/tbei Hochleistungsfen, und von 500 kVA/t an aufwrts bei Ultrahochleistungsfen (UHP). Solche fenhaben einen Innendurchmesser von 6 bis 9 Metern, und eine Kapazitt von 100 bis 200 Tonnen Stahl.Die Zeit zwischen den Abstichen bei solchen fen dauert 90 bis 110 Minuten.Die traditionelle Rolle der Elektrostahlproduktion, ist die Herstellung von Legierungs-, Werkzeug- undKohlenstoffsthlen, und hat sich mit den UHP-fen auf die Produktion von Massenstahl ausgeweitet.Damit wurde auch das Konzept der Mini-Stahlwerke eingefhrt. Mit zunehmender Gre und Produk-tivitt der fen, wurde die Stranggutechnik zur Produktion von Knppeln mglich. Die Vorgaben frFlachprodukte erfordern jedoch geringe Restverunreinigungsgrade und hhere Produktivittsraten, dievon UHP-fen nur zum Teil nicht erfllt werden.Der Anteil der Elektroofentechnik an der Stahlproduktion betrgt ungefhr 30%, und stabilisiert sichaufgrund des sinkenden Angebots akzeptabler Schrottqualitt auf diesem Niveau. Um bei kritischenStahlgten die Grenzen schdigender Elemente wie Kupfer, Nickel, Zinn, u.a. kontrollieren zu knnen,mssen teurere Pellets und Eisenschwamm zugegeben werden.

1.2.2.2 MetallurgieHerkmmliche Hochleistungsfen liefern mit der Zwei-Schlackentechnik qualitativ hochwertigeKohlenstoff- und Legierungssthle. Nach Einschmelzen des Schrottes entfernt eine erste oxidierendeSchlacke die Elemente Phosphor und Silizium und senkt den Kohlenstoffgehalt auf das gewnschte Ma.Nach dem Entschlacken bildet sich eine zweite, reduzierende basische Schlacke, um den Schwefel- undSauerstoffgehalt zu senken. Dabei wird die Stahlzusammensetzung durch Zugabe von Eisenlegierungenangepat.UHP-fen arbeiten nur mit einer auf Kalk basierenden Schlacke. Das Schmelzen des Schrottes wirddurch Brenngase beschleunigt, die so angeordnet werden, da auch kltere Bereiche in dem groenOfenraum erreicht werden. Frischen mit Sauerstoff und Zugeben von Kohlenstoff geschieht, um eineaufschumende Schlacke zu erhalten, die eine bessere Energiezufuhr aus den Lichtbgen ermglicht unddie Entphosphorung verbessert. Nach dieser Phase wird die Schmelze durch eine ffnung abgegossen.Die Desoxidation und Veredlung bei reduzierender Schlacke geschieht in der Giepfanne (Sekundrme-tallurgie). Der 100%ige Schrotteinsatz macht den Vorgang anflliger fr schdigende Begleitelemente,wie Kupfer, Nickel und Zinn, die hherwertiger als Eisen sind, und sich durch diesen Proze nicht entfer-nen lassen. Folglich ist es zur Kontrolle dieser Begleitelemente wichtig, die Ursprnge des verwendetenSchrottes zu kennen, und die unterschiedlichen Qualitten zu trennen.

1.2.3 Sekundr- oder Pfannenmetallurgie

1.2.3.1 Allgemeine AspekteUm die gewnschten Eigenschaften eines Stahls zu erzielen, ist hufig eine genaue Kontrolle der

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Kohlenstoff-, Phosphor-, Schwefel-, Stickstoff-, Wasserstoff- und der Sauerstoffgehalte erforderlich. Al-leine oder in Kombination, bestimmen diese Elemente die Materialeigenschaften wie Umformbarkeit,Festigkeit, Zhigkeit, Schweibarkeit und Korrosionsverhalten.In leistungsfhigen Schmelzvorrichtungen wie Konvertern oder Elektrofen, sind der metallurgischenBehandlung der Metallschmelze Grenzen gesetzt. Zwar lassen sich im Konverter die Gehalte von Stick-stoff und Phosphor auf geringe Werte reduzieren, niedrige Kohlenstoff-, Schwefel-, Wasserstoff- undSauerstoffgehalte (< 2 ppm) knnen aber nur durch eine Nachbehandlung in der Giepfanne erzieltwerden. Um vor dem Gieen die gewnschte Stahlzusammensetzung zu erhalten, werden in den Gie-pfannen die Legierungserstellung und spezielle Veredelungen durchgefhrt.Die Ziele der Stahlbehandlung in der Giepfanne knnen wie folgt zusammengefat werden:

Veredeln und Desoxidieren

Beseitigen von Desoxidationsprodukten (MnO, SiO2, Al2O3)

Starke Entschwefelung (< 0,008%)

Homogenisieren der Schmelze

Einstellen der Gietemperatur, gegebenenfalls durch Wiedererwrmung (Giepfannenofen)

Starkes Herabsenken des Wasserstoffgehaltes durch Vakuumbehandlung.

1.2.4 Die Stahlbehandlung in der Giepfanne: Desoxidation und Veredelung

Der hohe Sauerstoffgehalt des Stahls im Konverter wrde beim Erstarren zur Bildung von Einschls-sen fhren. Die Beseitigung dieses berschssigen Sauerstoffs ("Beruhigen") ist vor dem nachfolgendenGieen folglich unerllich. Auf diese Weise behandelte Sthle heien beruhigte Sthle. Bei allen Me-thoden der sekundren Stahlbehandlung ist die Zugabe von Mitteln zur Desoxidation in die Giepfannemglich, so da die Desoxidation im Konverter nicht erforderlich ist.Zur Desoxidation werden in zunehmender Reihenfolge ihrer Affinitt, folgende Elemente verwendet:Mangan - Kohlenstoff - Silizium - Titan - Aluminium. Die gngigsten sind Silizium und Aluminium.Nach der Zugabe und vor der Bestimmung des endgltigen Sauerstoffgehaltes mittels EMF-Probe (elek-trochemische Probe fr gelste Sauerstoffgehalte) mu bis zum Eintreten der Reaktion und einer Homo-genisierung eine gewisse Zeit verstreichen.Da die meisten dieser Desoxidationsmittel unlsliche Oxide bilden, die im erstarrten Stahl zu schdlichenEinschlssen fhren, mssen sie in der anschlieenden Veredelungsphase durch eines der folgendenVerfahren entfernt werden:

Argon-Frischen und Injektionen von reagierenden Elementen (CaSi, und/oder auf Kalk basierendeZustze) bewirken:

eine homogene Stahlkomposition und Temperatur

Beseitigung der Desoxidationsprodukte

Entschwefelung Aluminiumberuhigter Stahlsorten

Formbeeinflussung der Sulfideinschlsse.

Giepfannenofen: Umrhren der Schmelze mit Argon oder einem induktiven Rhrgert, und Er-hitzen der Schmelze mittels Lichtbogen (geringe Stromstrke, gewhnlich 200 kVA/t) bewirken:

lange Verarbeitungszeiten

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Zugabemglichkeit

Beseitigung der Desoxidationsprodukte, aufgrund der langen Behandlung unter optimalenBedingungen

eine homogene Zusammensetzung und Temperatur

bei heftigem Rhren durch Argon eine Entschwefelung.

Vakuum-Behandlung, d.h. RH-Verfahren (Ruhrstahl-Heraeus) oder ber die Schlacke Staubentga-sung.Beim RH-Verfahren wird mittels Gasinjektionen der Stahl in eine Kammer des Vakuums gezogen,whrend der behandelte Stahl durch die andere in die Giepfanne zurck fliet. Bei der Entgasungwird die Giepfanne in einem Vakuumtank plaziert und die Stahlschmelze durch Argoninjektionenaus ffnungen im Pfannenboden heftig gerhrt.

Die Vakuumbehandlung bewirkt:

Reduzierung des Wasserstoffgehaltes auf weniger als 2 ppm

erhebliche Entkohlung auf weniger als 30 ppm, bei Sauerstoffzugabe mit einer Lanze (RH -OB)

Legierung im Vakuum

eine homogene Zusammensetzung, hoher Reinheitsgrad an Desoxidationsprodukten.

Da sich groe Temperaturverluste (50 - 100C) nachteilig auswirken, ist vor dieser Behandlungeine berhitzung der Schmelze erforderlich.

Bei vielen Methoden der sekundren Metallurgie ist das Rhren des flssigen Stahls erwnscht odergar erforderlich. Zur Beseitigung von Einschlssen gengt sachtes Rhren, dabei geraten nichtmetal-lische Einschlsse in Kontakt mit der Schlacke und werden somit an der Oberflche gebunden. ZumEntlften und Entschwefeln ist allerdings heftiges Rhren erforderlich, um die dem Vakuum ausgesetzteStahloberflche zu erhhen (H-Beseitigung), oder den Stahl und die Schlacke zu durchmischen, um dieEntschwefelung zu verbessern.

1.2.5 Vergieen und Erstarren

1.2.5.1 Allgemeine AspekteZum Erstarren wird Stahl entweder in gueiserne Kokillen (Blockgieen) oder im Strang vergossen.Die Hitze des flssigen Stahles wird durch die kalte Oberflche der Form abgeleitet, so da Kristalleentstehen und sich somit eine feste Schale bildet. Die Erstarrung schreitet durch das Beibehalten derKhlung fort.Whrend der Erstarrung steigt die Dichte und erzeugt Schrumpfvorgnge. Hierdurch wird zwar das Ab-lsen des Gustckes von der Form begnstigt. Allerdings verursacht diese Kontraktion auch internesSchrumpfen und hat hufig Hohlrume (Lunker) zur Folge. Beim Strangguverfahren wird dies durchden kontinuierlichen Zuflu von Schmelze verhindert. Beim Blockguverfahren ist auf der Formobersei-te ein entsprechendes Schmelzbad durch exothermes Material auszubilden (hottop).Ein weiterer Aspekt whrend der Erstarrung ist die Entmischung (Seigerung), die dadurch hervorgeru-fen wird, da einige gelste Elemente im festen Zustand eine wesentlich geringere Lslichkeit besitzenals in der flssigen Phase. Die Neigung zur Entmischung ist bei Schwefel, Phosphor, Wasserstoff undSauerstoff am ausgeprgtesten. Wie bereits erwhnt, knnen die Gehalte dieser Substanzen durch me-tallurgische Verfahren befriedigend gering gehalten werden. Des weiteren verbindet sich das Mangandes Stahls mit Schwefel unter der Bildung von Mangan-Sulfid-Einschlssen, die whrend des Walzens

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gestreckt werden und sich negativ auf die Stahleigenschaften auswirken, falls senkrecht zur Walzrich-tung erhebliche Spannungen aufgebracht werden. Fr diese Zwecke mssen die Form und der Gehalt derSulfid-Einschlsse whrend der Stahlerzeugung streng kontrolliert werden.

1.2.6 Gutechnologien

1.2.6.1 Blockguverfahren Beim Blockgu handelt es sich um ein diskontinuierliches Verfahren,bei dem die Blockformen einzeln von oben oder zusammen durch eine gemeinsame ffnung und Zu-lufe in der Bodenplatte gefllt werden. Letztere uphill-Technik wird durch eine niedrige Aufstiegsge-schwindigkeit des Stahls in der Form charakterisiert, wodurch beim Vergieen kritischer Stahlsorten dieEnstehung von Rissen und Oberflchenfehlern vermindert wird.Das Vergieen geschieht direkt aus der Giepfanne mittels eines Schubventiles im Boden, das den Zuflureguliert, und einer Dse, die einen konzentrischen Stahlstrahl liefert.Das Gewicht und der Querschnitt der Blcke werden durch die Kapazitten des primren Walzwerkesbestimmt und knnen zwischen 4 und 30 t liegen, zum Schmieden sogar darber.Die Blcke verbleiben bis zur vollstndigen Erstarrung in der Kokille. Anschlieend werden diese perKran entfernt und zum Auskhlen in das Formlager gebracht. Die Blcke kommen zum Erhhen undAngleichen auf die Verarbeitungstemperatur des Walzvorgangs (ca. 1300C) in Tieffen.Die Erstarrung der Blcke beginnt am Fu, wo sie durch die Bodenplatte und die Form gekhlt werden,und endet am Kopf.Bei besonders beruhigten Sthlen (Si + Al) mit niedrigen Gehalten an freiem Sauerstoff, konzentriert sichdas Erstarrungsschrumpfen im obersten Blockbereich. Um die Bildung solcher Hohlrume in diesemBereich zu minimieren, wird der Blockkopf isoliert (hottop), um ein Schmelzreservoir zum Ausfllendes Hohlraumes zu bilden. Der Kopf wird anschlieend abgeschlagen. Dieser Schrott macht ungefhr12% des Blockgewichtes aus.Bei alleiniger Desoxidation durch Silizium kann der Gehalt an freiem Sauerstoff auf ein bestimmtesNiveau festgelegt werden, so da er zum Erstarrungsende hin mit dem Kohlenstoff der Schmelze CObildet. Durch die Bildung dieser kleinen Gasblasen wird die Schrumpfung des Stahls kompensiert, undder Verlust gesenkt (auf 2%). Die Gasblasen werden whrend des primren Walzvorgangs eliminiert,und so behandelte Sthle als halbberuhigte Sthle bezeichnet.Das Blockguverfahren ist in bezug auf die Produktspezifikationen und die Herstellung kleiner Men-gen in relativ kurzer Lieferzeit sehr flexibel. Eingesetzt wird es zur Herstellung schwerer Bleche oderschwerer Schmiedestcke, sowie schwerer Profilquerschnitte.

1.2.6.2 StrangguverfahrenDie Stranggutechnik hat sich in den Stahlwerken aus nachfolgenden Grnden zum dominierenden Ver-fahren entwickelt:

Ertragsverbesserung

Energieeinsparung (direkte Produktion halbfertiger Produkte)

Einsparung von Arbeitskrften.

Der Stahlanteil des Strangguverfahrens betrgt mittlerweile in den westlichen Industrielndern 80 - 90%an der gesamten Rohstahlproduktion. Das Aufkommen und schnelle Wachstum der Mini-Stahlwerkehtte ohne die Stranggutechnik gar nicht stattgefunden.Das wesentliche Merkmal des Strangguverfahrens ist die oszillierende wassergekhlte Kupferkokille.Hauptfunktion dieser Kokille ist, eine erstarrte Strangschale mit ausreichender Festigkeit zu bilden, umDurchbrche unterhalb der Kokille zu verhindern. Dies wird durch die hohe Wrmeleitung in der Kokille

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erreicht. Zum Ausgleichen der Strangschrumpfung und zur Beibehaltung eines groen Wrmeflusses,verjngt sich die Kokille ber die Hhe von 700 mm.Die Oszillation erzeugt zwischen Strang und Kokille eine relative Bewegung und verhindert somit auchein Anhaften der Strangschale. Das Ablsen wird durch Verwendung entsprechender Schmiermittel anden Stahlmenisken erleichtert (Giepulver oder -l). Diese Mittel dienen ebenfalls zur Erhaltung derhohen Wrmeableitung und zur Vorbeugung von Durchbrchen.Nach Verlassen der Kokille wird der Strang mit Sprhwasser gekhlt und in Rollen gefhrt, um Durch-biegungen bis zur kompletten Erstarrung zu verhindern. Strangprofile gibt es fr Warmwalzwerke fr denBereich der halbfertigen Produkte, wie Bramme, Knppel oder Blcke. In Abhngigkeit der zu gieen-den Profile, werden Strangguanlagen mit zwei (Brammen), vier (Blcke oder Rundprofile) oder sechsStrngen (fr Knppel unter 180 mm2) ausgelegt.Modernere Anlagen sind gebogen ausgelegt, da sie so sparsamer und einfacher in den Werken unterge-bracht werden knnen als Vertikalanlagen. Die gebogenen Strnge werden nach vollstndiger Erstarrungdurch Walzen begradigt und fr die weitere Verarbeitung in den Walzwerken auf die entsprechende Ln-ge gebracht.Die Stranggutechnologie bietet ein ununterbrochenes Verfahren zum Gieen, so da mehrere Stahl-chargen in einer Folge verarbeitet werden knnen. Um fr einen stetigen Zuflu in die Kokille zu sorgen,wird der Stahl aus der Giepfanne zunchst in einen Verteiler gegossen, der whrend des Wechselnsder Giepfannen als Reservoir dient, und den Stahl in die verschiedenen Knppel der Anlage fllt. DieBehlter sind mit Stoppern oder Schiebern versehen, um den Zuflu an die Abkhlgeschwindigkeit desStranges anzupassen. Zur Vermeidung der Oxidation durch Umgebungsluft werden die Giestrahlen ausden Giepfannen durch feuerfeste Rohre geschtzt.

1.3 Formgebungstechniken und Wrmebehandlungen

1.3.1 Einleitung

Um Stahl zu fertigen Produkten zu verarbeiten, stehen verschiedene Methoden zur Auswahl, wie Warm-und Kaltwalzen, Warmschmieden und die Herstellung von nahtlosen oder geschweiten Rhren. Dasam hufigsten verwendete Verfahren ist das Warmwalzen, das fr mehr als 90% aller Stahlprodukteverwendet wird.

1.3.2 Warmwalzen

1.3.2.1 Beschreibung der WalzvorgngeDer Vorgang des Warmwalzens beinhaltet die Erwrmung von Blcken, Brammen und Knppeln auf1200 -1300C und das Durchlaufen des Materials zwischen zwei Walzen. Dabei kann der Stahl einWalzenpaar mehrmals vor und zurck durchlaufen und der Walzenabstand dabei progressiv verkleinertwerden.Dieser Arbeitsschritt geschieht im warmen Zustand, da die Streckgrenze von Stahl mit zunehmenderTemperatur abnimmt. Somit lassen sich mit geringen Walzkrften groe Verformungen erzielen. Dabeiist es erforderlich, sowohl die Gesamtverformung, als auch die Verformungen bei jedem Durchgangzu kontrollieren, um bermige Verformungen, die zur Ribildung und zum Bruch fhren knnen, zuverhindern.Die Anzahl der Durchgnge hngt vom Ausgangsmaterial und der Gre des Endproduktes ab und kannbis zu 70 betragen, bevor das Material zum weiteren Walzen zu stark abgekhlt ist. Fr Flachproduktewie Platten, Streifen und Bleche werden zylindrische Walzen verwendet, fr Profile, Schienen, Rund-und Vierkantprofile, Trger, Spundwandprofile u.a. hingegen Profilwalzen.

1-9

Das Walzgerst besteht aus den Walzen und dem Stnder. Ein Walzwerk besteht aus einem Gerst oderaus einer Gruppe von Gersten und Hilfseinrichtungen zur Kontrolle und Steuerung, wie Walzmotoren,Walztische zum Ein- und Ausfahren des Stahls, Schneideanlagen, etc. .Die einfachsten Walzwerke bestehen lediglich aus einem Duo-Walzgerst, bei dem sich die Walzen nor-malerweise in beide Richtungen drehen knnen. Somit lt sich der Arbeitsvorgang umkehren, das war-me Werkstck wiederholt durch die Walzen passieren und eine zunehmende Reduzierung der Dickeerzielen.Sind groe Verformungen erforderlich, werden Quarto-Walzgerste eingesetzt, um die ntigen hohenWalzkrfte aufzubringen. Die zylindrischen Arbeitswalzen, zwischen denen das warme Walzgut durch-luft, haben relativ kleine Durchmesser und werden ober- und unterhalb durch ein Paar Sttzwalzenmit grerem Durchmesser abgesttzt, die die Kraft auf die Arbeitswalzen aufbringen. Bei Quarto-Walzgersten lt sich die Durchlaufrichtung ebenfalls umkehren.Eine Dickenreduzierung des warmen Materials geht sowohl mit einer Lngenzunahme als auch mit ei-ner Seitenausdehnung einher. Letztere hngt hauptschlich vom Abnahmema, der Temperatur und demWalzendurchmesser ab und mu fr die gewnschten Abmessungen und Querschnitte kontrolliert wer-den. Groe Walzwerke besitzen auf der Einsatzseite der Horizontalwalzen zustzlich noch Vertikalwal-zen. In Werken zur Profilherstellung geben sie dem Endprodukt eine abschlieende Magenauigkeit; beiFlachprodukten dienen sie zum Entgraten und verbessern die mechanischen Eigenschaften und Charak-teristik der Oberflchen.Neben der Funktion, den Stahl in die gewnschte Form zu bringen, verbessert Warmwalzen auch diemechanischen Eigenschaften. Es ist eine genaue Kontrolle der chemischen Zusammensetzung der End-walztemperatur und der Stichabnahme erforderlich. Fr bestimmte Eigenschaften (z.B. hohe Festigkeitmit guten Zhigkeiten bei niedrigen Temperaturen) setzt man kontrolliertes Walzen oder ein Verfah-ren zum Abschrecken und Selbstanlassen (QST-process) whrend des Walzens ein. Hierbei wird derWerkstoff vor dem abschlieenden Walzen bis zum Erreichen einer niedrigen Temperatur abgekhlt.Die Hauptproduktionswege fr Baustahl sind in Abb. 1.2 zusammengefat.

1.3.3 Walzen von Halbzeugen

Der erste Warmwalzvorgang dient dazu, Blcke in die Grundformen Block, Bramme, Knppel, Stabumzuformen. Dies geschieht meistens auf einem groen Einzelgerst mit Duo-Umkehrwalzen, und wirdallgemein "Walzen 1. Hitze"bezeichnet. Zwischen Stahl- undWalzenstrae besteht Raum, um die Blckein Tieffen zu erwrmen. Diese knnen bis zu 150 Tonnen an Blcken aufnehmen und dienen dazu, dieBlcke vor dem Walzen auf eine einheitliche Temperatur zu bringen und fr eventuelle Engpsse alsZwischenlager zu dienen. Die Temperatur dieser fen wird fr gewhnlich auf 1300C gehalten.Die Walzengerste sind mit Steuerungen zum Positionieren und Kanten der Blcke ausgestattet, um imWalzproze jede Seite gleichmig bearbeiten zu knnen. Zur Herstellung verschiedener Grundformenwerden Walzriffeln angeordnet. Nach Abschlu des Primrwalzens mssen die Enden entfernt werden,da sie eine unregelmige Kokille besitzen und sich dort starke Seigerungen, Risse und andere Defekteausbilden. Die Menge an Kopf- und Fuschnitt variiert je nach Stahlart (beruhigt, unberuhigt, etc.), demGuverfahren (direkt, von unten, hot topping, etc.) und vor allem mit der gewnschten Qualitt desEndproduktes.Die Brammen oder Knppel werden anschlieend teilweise direkt zum weiteren Walzen, wo sie in Blechoder andere Endprodukte wie Schienen oder Profile weiterverarbeitet werden, weitergeleitet. Hufigerwerden sie jedoch auf bestimmte Lngen geschnitten und zur Inspektion gelagert, um anschlieend wie-der erwrmt und im Walzwerk zu Endprodukten verarbeitet zu werden.Walzwerke 1. Hitze erreichen Leistungen von 500 000 bis 5 Millionen Tonnen pro Jahr.

1-10

etc

Stahlwerk

Flssiger Stahl

Strangguverarbeitung

Kokillen

Primr Walzwerk

Direktes

Walzen

schwere Trger

Universalwerke f.

Schienenw.

Schienen

Fischtrger

Kran-

schienen

Winkel

U-Sthle

Spundbohlen

Wulsttrger

Deckentrger

Spezial Profile

Trger

Sttzen

Diese Walzvorgnge lassen sich durch

Blcke

Grund-

formen

Rohre

Draht

Kabel/Litzen

Ngel

Rund-

Vierkant-

Hexagonal-

querschnitte

Rohre

Bleche

Werk

mehrere Walzstraen in einem Werk kombinieren

Tiefofen

Knppel

profile

Universal-

Walzwerk f. Baust.

Stabstahl-

walzwerk

walzwerk

Kabelstahl-

Nahtloses-

Rhrenwerk

Drahtwalz-

werk

Kaltgewalzte

Bleche und Bnder

walz-

Kalt-

Bnder

Brammen

Warmband-

walzwerk

Bleche

Blechwalz-

werk

Band fr

Skelpwerk

balkenofen

Sto- oder Hub-

balkenofen

Sto- oder Hub-

balkenofen

Sto- oder Hub-

Abbildung 1.2: Hauptproduktionswege

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1.3.4 Walzen von Fertigungsprodukten

Das abschlieende Walzen von Produkten zu Konstruktionszwecken lt sich grob in vier Bereiche auf-teilen: Bleche, Profilquerschnitte, Stab- und Bandstahl. Die Profilquerschnitte beinhalten die Standard-formen wie Trger, U-Profile, Winkelprofile, Wulstprofile und Sonderprofile. In der Regel werden groeQuerschnitte direkt aus Blcken gewalzt, mittlere Gren aus wiedererwrmten Strngen und kleine Pro-file aus wiedererwrmten Knppeln. Zunchst beginnt das Verfahren jedoch mit Stichen, bei denen deranfnglich quadratische oder rechteckige Querschnitt durch wiederholte Walzdurchlufe allmhlich dieUmrisse des gewnschten Endproduktes annimmt. Diesen schliet sich, ebenfalls mit mehreren Durch-lufen, das Abschluwalzen an, um dem Profil die endgltigen Mae und Formen zu geben. Die Tem-peraturen beim abschlieenden Walzen liegen gewhnlich zwischen 900 - 1000C. In Abb. 1.3 ist alsBeispiel die Kalibrierung fr ein Winkelprofil abgebildet. Das Universalverfahren fr Trger wird inAbb. 1.4 gezeigt. Je nach Gre und Auslegung des Walzwerkes, schaffen Profilwalzwerke Leistungenvon 200 000 bis 1 Million Tonnen pro Jahr.

Abbildung 1.3: Walzen eines Winkelprofils

P r i m r w a l z e n

K a n t e n w a l z e n

H o r i z o n t a l e u n d v e r t i k a l e

G r o b w a l z e n

H o r i z o n t a l e u n d v e r t i k a l e

E n d w a l z e n

Abbildung 1.4: Walzen eines I-Trgers

Als Stabstahl werden traditionell kleine Rund-, Vierkant-, Sechskant-, Flach- und andere Stahlquer-schnitte bezeichnet, die aus wiedererwrmten Knppeln in kontinuierlichen Walzwerken mit bis zu 23Gersten hergestellt werden. Als Ausgangsmaterial dienen gewhnlich 100 mm Knppel, die zwischen-zeitlich quadratische, rautenartige oder ellipsenartige Kokillen annehmen, und erst im letzten Gerst ihreendgltige Form erhalten.

1-12

Die Herstellung von warmgewalztem Bandstahl ist in vielerlei Hinsicht eine Ausweitung des Blechwal-zens mit Dicken zwischen 2 - 16 mm und Breiten von bis zu 2 m. Moderne Werke sind vollstndigautomatisiert und computergesteuert, um eine hohe Magenauigkeit und gute Oberflcheneigenschaftenzu erzielen.

1.3.5 Warmwalzverfahren

Diese Verfahren lassen sich in das traditionelle Warmwalzen und das kontrollierte Walzen einteilen.Beim traditionellen Warmwalzen versucht man die gewnschte Form mit einer minimalen Anzahl vonStichen zu erreichen. Beim kontrolliertenWalzen versucht man hingegen die Festigkeit und die Zhigkeitdes Stahls durch kontrollierte Steuerung der Temperatur und der Verformung whrend des Walzens zuerhhen.

1.3.5.1 WarmwalzenBeim herkmmlichen Warmwalzen werden maximale Temperaturen eingehalten, um die Warmfestigkeitdes Stahls zu senken und pro Stich mglichst groe Verformungen zu erzielen. Aufgrund der hohenTemperatur tritt zwischen den Stichen eine Rekristallisierung und Kornvergrerung ein, weswegen sichkeine Gefgeverfeinerung erzielen lt. Heutzutage wird dieses Verfahren lediglich zum Vorwalzen undbei Sthlen niedrigerer Gte eingesetzt, die keine bestimmten Anforderungen bezglich der Festigkeitund des Widerstandes gegen Sprdbruch erfllen mssen.

1.3.5.2 Thermomechanische Behandlung (TMB)In den 60er und 70er Jahren verlangten neue Anwendungsbereiche, wie Atomkraftwerke und Offshore-Plattformen Konstruktionselemente aus Stahl mit verbesserten Eigenschaften und grerer Zuverlssig-keit als bis zu diesem Zeitpunkt blich. Fr Offshore-Konstruktionen in der Nordsee, die unter widrigstenUmstnden wie tiefen Gewssern, schweren Strmen und niedrigen Einsatztemperaturen errichtet wur-den, war nicht nur die Festigkeit, sondern auch der Widerstand gegen Sprdbruch entscheidend. Wertlegte man auch auf Verarbeitungskriterien; die Schweibarkeit von Stahlkomponenten unter erschwertenBedingungen mute garantiert sein. Zu diesem Zeitpunkt wurde deutlich, da diese Anforderungen mitdem herkmmlichen Warmwalzverfahren nicht erreichbar waren, und somit neue Produktionstechnolo-gien wie die thermomechanische Behandlung erforderlich wurden.Mit thermomechanischer Behandlung bezeichnet man allgemein Walzverfahren, bei denen die Tempe-ratur und Verformung whrend des Walzens gesteuert werden, um gewnschte Materialeigenschaften zuerlangen.TMB beinhaltet:

Normalisierendes Walzen (N)

Thermomechanisches Walzen (TM). Dieses Verfahren beinhaltet, z.T. bei erhhten Abkhlge-schwindigkeiten, und mit oder ohne Anlassen, u.U. folgende Prozesse:

Beschleunigtes Abkhlen

Hrten und Selbstanlassen (Vergten)

1.3.5.3 Normalisierendes WalzenBeim NormalisierendenWalzen handelt es sich um ein thermomechanisches Verfahren, bei dem die End-verformungen im Temperaturbereich des Normalglhens (950C) durchgefhrt werden. Die Austenit-phase rekristallisiert zwar zwischen den Durchlufen, erfhrt aber wegen der abgesenkten Temperatur

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keine Kornvergrerung. Folglich werden durch die Luftkhlung nach dem letzten Durchlauf Materialei-genschaften hnlich denen nach dem Normalglhen erreicht. Das Kurzzeichen fr diesen Lieferzustandist N.Da der abschlieende Walzvorgang bei relativ hohen Temperaturen (950C) geschieht und somit keinebermigen Krfte und Belastungen aufgebracht werden mssen, kann NormalisierendesWalzen in fastallen Walzwerken durchgefhrt werden.

1.3.5.4 Thermomechanisches WalzenBeim Thermomechanischen Walzen (TM) handelt es sich um ein thermomechanisches Verfahren, beidem die Endverformungen in einem Temperaturbereich durchgefhrt werden, bei dem Austenit nichtmehr signifikant rekristallisiert. Beim anschlieenden Abkhlen geht die verformte Kornstruktur desAustenit in ein endgltiges Feingefge aus Ferrit-Perlit ber. Gewhnlich findet die letzte Formgebungbei einer Temperatur knapp oberhalb der Umwandlungstemperatur von Austenit zu Ferrit statt. Ther-momechanisches Walzen fhrt zu Materialeigenschaften, die sich durch Wrmebehandlung alleine nichterzielen lassen. Der feinkrnige Stahl besitzt bei niedrigen Temperaturen und mittleren Dicken und ho-hen Streckgrenzen gute Zhigkeitseigenschaften.Seit einigen Jahren besteht erhhter Bedarf an gewalzten Sthlen mit Streckgrenzen bis zu 500 N/mm2

und groen Dicken, kombiniert mit verbesserten Verarbeitungseigenschaften. Da das TM sich wegen derGrenzen fr die mechanischen Belastungen der Walzwerke nicht noch weiter nutzen lt, muten neueProduktionstechnologien gefunden werden.

1.3.5.5 Beschleunigtes Abkhlen (AC)Die beschleunigte Khlung (mit Wasser) findet nach der letzten Verformung statt, um die mechani-schen Eigenschaften durch Verfeinerung des Gefges zu verbessern. Dieser Proze hat sowohl auf dieFestigkeit als auch auf die Zhigkeit positive Auswirkungen und ermglicht es, den Legierungsgehalt,verglichen mit TM, noch weiter zu senken. Das Gefge von beschleunigt abgekhlten Sthlen bestehthauptschlich aus feinkrnigem Ferrit+Perlit und Ferrit+Bainit mit niedrigen duktilsprden bergang-stemperaturen, d.h. guter Zhigkeit.

1.3.5.6 Hrten und Selbstanlassen (Vergten, QST)Beim Hrten und Selbstanlassen (Vergten) wird nach dem letzten Walzvorgang die Oberflche mitSprhwasser so stark gekhlt, da Martensit entsteht. Bevor der Kern durchhrtet, wird die Khlungunterbrochen, anschlieend werden die ueren Lagen durch den Wrmeflu vom Kern zur Oberflchewhrend des Temperaturausgleiches angelassen. Das Vergtungsverfahren hat zu einer neuen Genera-tion von Stahlprodukten mit hohen Streckgrenzen bis zu 500 N/mm2 und hervorragenden Zhigkeits-eigenschaften bei niedrigen Temperaturen gefhrt, die ohne Vorerwrmung schweibar sind. BezglichGewichtseinsparungen und Bearbeitungskosten bieten solche Sthle, verglichen mit der herkmmlichenProduktion, bedeutende Vorteile.

1.3.5.7 Einflu der Walzverfahren auf die mechanischen EigenschaftenDie dominierenden mechanischen Eigenschaften von Stahl sind Festigkeit, d.h. Streckgrenze und Zug-festigkeit sowie Zhigkeit oder Widerstand gegen Sprdbruch. Beide Eigenschaften knnen durch dieeingesetzten Walzverfahren, die die letztliche Korngre und -struktur bestimmen (Ferrit/Perlit oder ge-hrteter Martensit/Bainit), beeinflut werden.Die Hauptparameter, die das Feingefge und die Eigenschaften beeinflussen, sind:

Die Endtemperatur, zusammen mit dem Verformungsgrad pro Stich, beeinflut die Korngredes Endproduktes: Temperaturen auerhalb des Rekristallisationsbereiches (TM) fhren zu feinem

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Korn, Temperaturen oberhalb dieses Bereiches (Warmwalzen) zu grobem Korn

Die Abkhlgeschwindigkeit unmittelbar nach dem letzten Stich bestimmt Gefge und Korngre.Dabei werden drei verschiedene Khlungen unterschieden:

langsame Khlung (Luft) mit einer Abkhlgeschwindigkeit von weniger als 1C/s hat auf mecha-nische Eigenschaften wenig Einflu: Die Korngre und -struktur werden durch das vorhergehen-de Walzen bestimmt,

beschleunigte Khlung (Wasser) mit einer Geschwindigkeit ber 1C/s, aber nicht so hoch, umdas Produkt abzuschrecken und Martensit zu bilden. Dieser Proze fhrt zu einer weiteren Korn-grenverfeinerung des Ferrit/Perlit-Gefges, bei erheblicher Verbesserung der Zhigkeit und Er-hhung der Festigkeit,

Hrten und Selbstanlassen (Vergten) fhrt zu Martensit in den Oberflchenschichten und zu ei-nem feinkrnigen Bainit/Ferrit/Perlit-Gefge im Kernbereich. Dieser Proze erhht die Zugfe-stigkeit um 120 bis 150 N/mm2 verglichen mit dem unbehandelten Zustand und verbessert dieZhigkeit erheblich.

In Abhngigkeit vom Walzverfahren mu die chemische Zusammensetzung des Stahls zum Herstellender verschiedenen Sorten abgestimmt werden. Durch Kombination des TM-Prozesses mit beschleunig-ter Khlung lt sich bei niedrigerem Legierungsgehalt praktisch der gesamte Dickenbereich erzielen.Der niedrigste Legierungsgehalt bei voller Abdeckung des Bereichs moderner Stahlprodukte kann durchKombination von TM und Hrten und Selbstanlassen (Vergten) erreicht werden. Mit diesem Verfah-rensablauf lassen sich hochfeste Sthle nicht nur uerst wirtschaftlich herstellen, sie besitzen aufgrundihres geringen Legierungsgehaltes auch noch eine hervorragende Schweibarkeit.Bezglich der Zhigkeit oder des Widerstandes gegen Sprdbruch besitzen Sthle aus dem traditio-nellen Warmwalzverfahren die schlechtesten Eigenschaften. Sie sind fr Anwendungen bei modernenStahlkonstruktionen, besonders bei greren Dicken und tiefen Temperaturen (TMAC) sowie hherenStreckgrenzen nicht geeignet. Durch die Kombination von TM mit beschleunigter Abkhlung oder mitHrten und Selbstanlassen ist man in der Lage, diese Anforderungen zu erfllen. Durch Verfahren mitbeschleunigter Abkhlung, und besonders mit TM/Vergten, lassen sich Sthle mit Fliegrenzen bis zu500 N/mm2 und bergangstemperaturen bis unter -60C erzielen. Diese Eigenschaften reichen aus, umden schwierigsten Anforderungen aus modernen Hochtechnologiebereichen wie der Offshore-Industrieoder Brckenbau in Polargebieten zu gengen.

1-15

1.4 Lieferformen

StabstahlU-Stahl mit h< 80mmWinkel-, Z- und T- Stahl bis h 200mmFlachstahl (FI) mit 10 b 150 und t 5mmRund-, Vierkant-, Sechskantstahl kalibriertNormallngen 612m

D I N

k l e i n s t e u n d

g r t e A b m e s s u n g

1 0 1 3

R d 8 - 2 0 0

5 9 1 3 0

R d 9 , 7 5 - 5 1 , 5

2 0 7 7

R d 7 - 8 0

1 0 1 4

4 k t 8 - 1 2 0

1 0 1 5

6 k t 1 3 - 1 3 0

1 0 1 8

H r d 1 6 - 7 5

1 0 1 8

F l H r d 1 4 x 4 - 1 0 0 x 2 5

1 0 1 7 / 1

F l 1 0 x 5 - 1 5 0 x 6 0

1 0 1 7 / 2

F l 2 1 , 5 x 8 - 1 2 2 x 3 2

1 0 2 8

L 2 0 x 3 - 1 8 0 x 1 8

n i c h t g e n o r m t :

2 0 0 x 1 6 - 3 0

2 5 0 x 1 8 - 2 8

1 0 2 9

L 3 0 x 2 0 x 3 -

L 2 0 0 x 1 0 0 x 1 4

1 0 2 2

L S 2 0 x 3 - 5 0 x 5

1 0 2 4

T 2 0 - 1 4 0

1 0 2 4

T B 3 0 - 6 0

5 9 0 5 1

T P S 2 0 - 4 0

1 0 2 6

U 3 0 - 6 0

1 0 2 7

Z 3 0 - 2 0 0

Abbildung 1.5: Stabsthle

1-16

FormstahlI-Trger und U-Stahl mit h 80mmU-Stahl bis h= 400mmIPE 80 h 600, dazu weitere nicht genormte Profile 180 h 750mmNormallngen 615m

I P B

D I N 1 0 2 5 T . 2

( H E - B )

1 0 0 - 1 0 0 0

I P B l

D I N 1 0 2 5 T . 3

( H E - A )

1 0 0 - 1 0 0 0

I P B v

D I N 1 0 2 5 T . 4

( H E - M )

1 0 0 - 1 0 0 0

T

D I N 1 0 2 4

b = h

2 0 - 1 4 0

T B

D I N 1 0 2 4

b = 2 h

3 0 - 6 0

T P S

D I N 5 9 0 5 1

h = b

2 0 - 4 0

Z

D I N 1 0 2 7

3 0 - 2 0 0

I

D I N 1 0 2 5 T . 1

8 0 - 5 0 0

I P E

D I N 1 0 2 5 T . 5

8 0 - 6 0 0

U

D I N 1 0 2 5

3 0 - 4 0 0

L S

D I N 1 0 2 2

2 0 - 5 0

L

D I N 1 0 2 9

3 0 - 2 0 0 / 2 0 - 1 0 0

L

D I N 1 0 2 8

2 0 - 2 5 0

a b 2 0 0 n i c h t g e n o r m t

Abbildung 1.6: Formsthle

1-17

S T A B S T A H L

F O R M S T A H L

D I N

1 0 2 6

8 %

U 3 0 x 1 5

U 4 0 x 2 0

U 5 0 x 2 5

U 6 0

U 6 5

U 5 0

U 4 0

U 3 0

5 % N e i g u n g

8 % N e i g u n g

U 4 0 0U 8 0

Abbildung 1.7: Warmgewalzter, rundkantiger U-Stahl, DIN 1026

Breitflachstahlin einer Richtung universal gewalztBrFl mit 150 b 1250mm und t 4mmNormallngen 212mVerwendung fr Gurtplatten, nicht fr Knotenbleche

Bleche

in zwei Richtungen gewalzt, auch zweiachsig zu beanspruchen (isotrope Eigenschaften). Verwendungfr Stegbleche und Knotenbleche.Grobbleche t 4,75mmMittelbleche 4,75 t 3,00mmFeinbleche t 3,00mm

Weitere Lieferformen

Rundrohre, nahtlos oder geschweit oder mit Wendelnaht geschweit sind gnstig bei Knickgefhrdung.Quadratrohre und RechteckrohreGeschweite I-Profile in vielen AbmessungenWabentrger

1-18

Abkantprofile

A r b e i t s g n g e

P r o f i l A

P r o f i l B

P r o f i l C

S

t

e

m

p

e

l

M

a

t

r

i

z

e

1 + 2 3 + 4 5 6 7 8

1 2 + 3 + 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5

Abbildung 1.8: Herstellung von Abkantprofilen

1-19

KaltprofileBlechdicke konstant

K a l t w a l z e nW a r m b a n d

K a l t b a n d

O b e r f l c h e n v e r e d e l t e s B a n d

N i c h t r o s t e n d e r S t a h l

N E - M e t a l l e

B e i s p i e l d e r F o r m g e b u n g e i n e s k a l t g e w a l z t e n H o h l p r o f i l e s m i t B r d e l u n g

T r a p e z b l e c h p r o f i l

S t a n d a r d p r o f i l e S p e z i a l p r o f i l e

S y m m e t r i s c h e P r o f i l e U n s y m m e t r i s c h e P r o f i l e

G e r a d w i n k l i g e P r o f i l e S c h i e f w i n k l i g e P r o f i l e

O f f e n e P r o f i l e G e s c h l o s s e n e P r o f i l e

Abbildung 1.9: Herstellung von Kaltprofilen

1-20

1.5 Einige Vor- und Nachteile des Bauens mit Stahl

Vorteile

hohe Materialfestigkeit fhrt zu kleinen Querschnittsabmessungen oder geringer Bauhhe

geringe Eigenlast (bei groen Spannweiten besonders wichtig)

Vorfertigung mit hoher Genauigkeit

rasche Montage der vorgefertigten Bauteile mit einfachen Verbindungsmitteln

kleine Montagelasten

Verstrkung und Vernderung durch Schweien nachtrglich mglich

einfache Demontage

Verwertung von Schrott

Nachteile

hohe Werkstoffkosten

bei schlanken Bauteilen kann die Materialfestigkeit nicht voll ausgenutzt werden

vielfach Korrosionsschutz erforderlich, wenn nicht wetterfeste Sthle verwendet werden

Formgebung beschrnkt, da Lieferformen weitgehend vorgegeben

1.6 Anwendungsgebiete (Auszug)

Hoch- und Industriebau

Stahlgeschobauten

Stahlhallen

Krane

Frderanlagen

Stahltankbauwerke, Behlter, Reaktorbehlter, Rohrleitungen

Maste, Radioteleskope

Schornsteine aus Stahl, Wassertrme

Fliegende Bauten

Windkraftanlagen

Brcken

Fugngerbrcken

Straenbrcken

Eisenbahnbrcken

1-21

Verbundbrcken

Wasserbau

Stauwehre

Schleusentore

Druckleitungen

Verschlsse

Bauten im Meer

Offshore-Technik

Plattformen

Schiffbau

1.7 Baubestimmungen

Die Landesbauordnungen stellen allgemeine Anforderungen an die Bauwerke:Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten und zu unterhalten, da Recht oder Ordnung nichtverletzt, insbesondere Leben und Gesundheit nicht bedroht werden und da sie ihrem Zweck entspre-chend ohne Mistnde benutzbar sind. Sie drfen nicht verunstaltet wirken und ihre Umgebung nichtverunstalten. Die allgemeinen Regeln der Baukunst sind zu beachten.Der Ingenieur hat zu garantieren

Standsicherheit

Gebrauchsfhigkeit.

Als anerkannte Regel der Baukunst gilt insbesondere die von der obersten Baurechtsbehrde durch f-fentliche Bekanntmachung

eingefhrte bautechnische Bestimmung.

Neue Baustoffe, Bauteile und Bauarten, die noch nicht allgemein gebruchlich und bewhrt sind, drfennur verwendet werden, wenn ihre Brauchbarkeit nachgewiesen ist durch

Prfzeichen

allgemeine baurechtliche Zulassung

Zustimmung im Einzelfall (der obersten Behrde)

2-1

2 Werkstoff Baustahl

2.1 Stahlsorten

Die Stahlerzeuger stellen ein breites Spektrum von Bausthlen zur Verfgung. Fr den allgemeinenStahlbau sind in DIN 17100 die zur Anwendung kommenden Sorten zusammengestellt und die Gte-vorschriften definiert.In den Anwendungsnormen ist die Auswahl auf bestimmte Sorten reduziert (siehe z.B. DIN 18800, Teil1). Im blichen Stahlbau werden die Sthle S235(St37) und S355(St 52) verwendet.Nun ist aber bei der Stahlbestellung nicht nur die Festigkeit zu bercksichtigen, da innerhalb der Festig-keitsgruppen noch weitere Unterschiede bestehen. So werden zum Beispiel die Sthle St 37 und St 52angeboten als:

Tabelle 2.1: Bezeichnungen fr bliche Bausthle nach verschiedenen NormenDIN 17100 DIN EN 10025/94 EN 10027-2

(alt) DIN EN 10027-1St 37 - 2 S235JR 1.0037U St 37 - 2 S235JRG1 1.0036R St 37 - 2 S235JRG2 1.0038St 37 - 3 U S235J0 1.0114St 37 - 3 N S235J2G3 1.0116St 52 - 3 U S355J0 1.0553St 52 - 3 N S355J2G3 1.0570

Es ist aus Wirtschaftlichkeits- und Sicherheitsgrnden notwendig, da der Ingenieur seinen Anforderun-gen entsprechend die richtige Auswahl trifft.

2.1.1 Chemische Zusammensetzung

In der folgenden Tabelle ist die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Bausthle (obere Grenz-werte nach DIN 17100 bzw. DIN EN 10025) fr eine Schmelzanalyse in Gewichtprozenten fr Erzeu-gungsdicken < 40 mm angegeben.

Tabelle 2.2: Chemische Zusammensetzung der EisenbegleiterC P S N Si Mn

St 37 - 2 0,20 0,05 0,05 0,009 - -U St 37 - 2 0,20 0,05 0,05 0,007 - -R St 37 - 2 0,17 0,05 0,05 0,009 - -St 37 - 3 0,17 0,04 0,04 - - -St 52 - 3 0,22 0,04 0,04 - 0,55 1,60

2.1.2 Wrmebehandlungen

Nach DIN 17100 unterscheidet man bei Bauteilen

U unbehandelt

N normalgeglht

Beim Normalglhen (Normalisieren) wird das Bauteil bis ber 906C erwrmt und nachfolgend langsamabgekhlt.

2-2

2.1.2.1 NormalglhenErwrmen auf 20 bis 40C oberhalb der AC3-Linie mit nachfolgender Abkhlung an der Luft. Ergebnis:feines gleichmiges Gefge. Anwendung bei unregelmigem Gefge durch Kaltverformung, Alte-rung, Schweien. Das Normalglhen bringt geringere Sprdbruchneigung

durch Beseitigung von Eigenspannungen und einer mglichen Kornverfeinerung

durch Beseitigung der Folgen von Kaltverfestigung.

2.1.2.2 SpannungsarmglhenErwrmen auf 550 bis 650C, dadurch groe Formnderungsfhigkeit. Langsame Abkhlung. Ergebnis:Eigenspannungen knnen ohne Gefgenderung reduziert werden.

2.2 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Das Gefge und die Ausbildung von Mischkristallen oder Kristallgemischen ist vom Kohlenstoffgehaltund von der Temperatur abhngig. Kristalle des reinen kohlenstofffreien Eisens nennt man Ferrit. Ze-mentit (Fe3C) ist Eisenkarbid mit 6,7 % C (hart und sprde). Ist es in Ferrit eingelagert, dann nennt mandas Gefge Perlit. Ist zu wenig C vorhanden, bildet sich ein Gemisch von Perlit und Ferrit. Eutektikumist die Legierung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt. Sie geht vom flssigen direkt in den festen Zustandber. Als Gefge heit das Eutektikum auch Ledeburit.

K o h l e n s t o f f g e h a l t [ M . - % ]

Z e m e n t i t g e h a l t [ M . - % ]

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

1 1 0 0

1 2 0 0

1 3 0 0

1 4 0 0

1 5 0 0

1 6 0 0

7 6 9

9 1 1

1 5 3 6

T e m p e r a t u r [ C ]

Z e m e n t i t

H o m o g e n e S c h m e l z e

G a m m a -

M i s c h k r i s t . u .

R e s t s c h m e l z e

G a m m a -

M i s c h k r i s t a l l e

G a m m a - M i s c h k r .

u n d F e r r i t

G a m m a -

M i s c h k r . u .

Z e m e n t i t

M i s c h k r i s t a l l e

u n d L e d e b u r i t

P r i m r z e m e n t i t

u n d R e s t s c h m e l z e

L

i

q

u

i

d

u

s

l

i

n

i

e

L

i

q

u

i

d

u

s

l

i

n

i

e

S o l i d u s l i n i e 1 1 4 7 C

D e l t a g e b i e t

1 4 9 3 C

P e r l i t l i n i e 7 2 3 C

Z e m e n t i t u n d P e r l i t

L e d e b u r i t s t r u k t u r

P e r l i t u n d Z e m e n t i t

L e d e b u r i t s t r u k t u r

P e r l i t u n d

Z e m e n t i t

Perlit

F e r r i t u .

P e r l i t

Ledeburit

L e d e b u r i t u n d

P r i m r z e m e n t i t

E u t e k t o i d E u t e k t i k u m

0 , 5 1 , 0 2 , 0 3 , 0 4 , 0 5 , 0 6 , 0 6 , 6 7

F e F e

3

C

0

00 7 , 5 1 5 3 0 4 5 6 0 7 5 9 0 1 0 0

4 , 32 , 10 , 8

6 4 , 2

A

B

C

D

E

F

G

K

OM

SP

Q

a

b

1 2

Abbildung 2.1: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

2-3

2.3 Mechanische Eigenschaften

2.3.1 Allgemeines

Die bei der Erzeugung und Behandlung des Stahls gemachten Anstrengungen mssen sich in meba-ren Gren ausdrcken und kontrollieren lassen. DIN 17100 bzw. DIN EN 10025 geben daher fr dieeinzelnen Stahlsorten zu gewhrleistende Werte der mechanischen Eigenschaften an.

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8

k N

c m

2

Z u g f e s t i g k e i t

S t r e c k g r e n z e

B r u c h e i n s c h n r u n g

B r u c h d e h n u n g

C i n [ % ]

Abbildung 2.2: Mechanische Eigenschaften unlegierter Sthle in Abhngigkeit vom C-Gehalt

Tabelle 2.3: Charakteristische Werte fr Walzstahl und Stahlgu aus DIN 18800 Teil 11 2 3 4 5 6 7

Stahl Erzeugnisdicke Streckgrenze Zugfestigkeit E-Modul Schubmodul lineareTemperatur-dehnzahl

t fy,k fu,k E G Tmm N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 K1

Baustahl1 t

2-4

2.3.2 Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung

Die Werte werden an Proben im einachsigen Zugversuch ermittelt.

F

A

s =

f

u , k

f

y , k

D e h n u n g e

B r u c h d e h n u n g d

Abbildung 2.3: Schematisches Diagramm fr Baustahl

Dabei ist:

=LL0L0

100% mit L0 = 5d0

Die Bruchdehnung betrgt bei S235 ca. 25 bis 30% und bei S355 ca. 20 bis 25%. ist ein Ma fr die erwnschte Duktilitt.Die Brucheinschnrung ist ein Ma fr die Geschmeidigkeit des Werkstoffes.

=A0A1

A0100%

mit A0 = der Ausgangsflche und A1 = der Flche im BruchzustandSie betrgt bei zhem Stahl ca. 70 %Die Brucheinschnrung wird auch bei der Beurteilung von der Neigung des Materials zum Terassen-bruch herangezogen.

2.3.3 Kerbschlagzhigkeit

P r o b e m i t K e r b e

h

1

h

2

Abbildung 2.4: Kerbschlagversuch

2-5

Die Kerbschlagzhigkeit ist ein Ma fr die Sprdigkeit des Werkstoffes. In der Probe wird eine Kerbeangebracht. Dadurch ergeben sich bei der Belastung rumliche Spannungszustnde, die auch das Verfor-mungsvermgen des Werkstoffes einschrnken.Auerdem ist die Beanspruchung schlagartig, wodurch ein langsamer Flievorgang nicht eintreten kannund somit ein Sprdbruch ebenfalls begnstigt wird.Kerbschlagarbeit

A= G (h1h2) [Nm] = [J]

Kerbschlagzhigkeit K

K =AF0

[KJ/cm2]

mit F0 =Restflche aus KerbquerschnittDer Versuch wird bei unterschiedlichen Temperaturen durchgefhrt. Bei tiefen Temperaturen neigt dasMaterial zu grerer Versprdung.Die Forderungen der DIN 17100 sind in Tabelle 2.4 fr die ISO-Spitzkerbprobe angegeben.

Tabelle 2.4: Geforderte KerbschlagarbeitenStahlsorte Behandlungszustand Neue Bezeichnung Prftemperatur Kerbschlagarbeit

[C] A [J] = [Nm]St 37 - 2 U, N S235JR +20 27U St 37 - 2 U, N S235JRG1 +20 27R St 37 - 2 U, N S235JRG2 +20 27St 37 - 3 U S235J0 0 27

N S235J2G3 -20 27St S2 - 3 U S355J0 0 27

N S355J2G3 -20 27

b e r g a n g s t e m p e r a t u r

- 2 0 0 + 2 0 + 4 0 C

H o c h l a g e

T i e f l a g e

g e a l t e r t e r

S t a h l

Abbildung 2.5: Kerbschlagzhigkeit abhngig von der Temperatur

3-1

3 Einfache Bauteile

3.1 Allgemeines

3.1.1 Nachweiskonzept

Die Beanspruchung Sd darf nicht grer sein als die Beanspruchbarkeit Rd eines Bauteils.

SdRd

1,0

Es wird angesetzt

fr die Beanspruchung der Bemessungswert der Einwirkungen Fd

fr die Beanspruchbarkeit der Bemessungswert der Widerstnde Md

Einwirkungen F sind

stndige Einwirkungen G, z. B. Eigenlast

vernderliche Einwirkungen Q, z. B. Nutzlasten

Der Bemessungswert der Einwirkungen ergibt sich zu:

Fd = F FkWiderstandsgren sind

aus geometrischen Gren und Werkstoffkennwerten abgeleitete Gren,

z. B. Biegesteifigkeit EI, Festigkeit fy

Der Bemessungswert der Widerstandsgren ergibt sich zu

Md =MkM

Der Teilsicherheitsbeiwert fr den Widerstand wird beim Nachweis der Tragsicherheit normalerweisemit M = 1,1 angesetzt.Bei den Einwirkungen sind Einwirkungskombinationen zu bercksichtigen:

1. Stndige Einwirkungen G und alle ungnstig wirkenden vernderlichen Einwirkungen Qi

Fd = Gd +Qd,i= F Gk +F Qk,i= 1,35 Gk +1,5 0,9 Qk,i = 1,35 (Gk+Qk,i)

Fr mehr als 2 vernderliche Einwirkungen drfen auch Kombinationsbeiwerte < 0,9 verwendetwerden, wenn diese zuverlssig ermittelt werden.

2. Stndige Einwirkungen G und jeweils eine vernderliche Einwirkung Qi

Fd = Gd +Qd,i= F Gk +F Qk,i= 1,35 Gk +1,5 Qk,i

3-2

3. Kombination bei auergewhnlichen Einwirkungen F

Fd = Gd +Qd,i +FA,d= F Gk +F Qk,i +F FA,k= 1,0 Gk +1,0 0,9 Qk,i +1,0 FA,k

Wenn stndige Einwirkungen gnstig wirken, z. B. bei Windsog, gilt

Gd = F Gk = 1,0 GkNachweis der Gebrauchstauglichkeit:Bei diesem Nachweis wird F = 1,0 gesetzt

3.1.2 Nachweisverfahren

Die Nachweise knnen nach einem der drei Verfahren gefhrt werden:

Tabelle 3.1: Nachweisverfahren im StahlbauBerechnung der

Nachweisverfahren Schnittgren infolge Beanspruchbarkeitender Einwirkungen

nach1 Elastisch-Elastisch Elastizittstheorie Elastizittstheorie2 Elastisch-Plastisch Elastizittstheorie Plastizittstheorie3 Plastisch-Plastisch Fliegelenktheorie Plastizittstheorie

blicherweise wird der Nachweis beim Verfahren

Elastisch - Elastisch mit Spannungen

Elastisch - Plastisch mit Schnittgren

Plastisch - Plastisch mit Einwirkungen oder Schnittgren

gefhrt. Fr die Berechnung der Beanspruchungen gengen in gewissen Fllen die Gleichgewichtsbe-dingungen.

3.2 Zugstab

Zugstbe kommen z. B. in Fachwerken vor.

Z u g s t a b

L a s t

Abbildung 3.1: Zugstab in einem einfachen Fachwerk

3-3

3.2.1 Tragverhalten des zentrisch gezogenen Stabes

3.2.1.1 Duktiler Stahl ( Baustahl)

Im Zugversuch ergibt sich bei einer Belastungsgeschwindigkeit v < 1,0kNcm2s folgendes Spannungs-

Dehnungs-Diagramm ( Diagramm)

N / A

0

s =

f

u , k

f

y , k

D e h n u n g e

B r u c h d e h n u n g

d

a r c t a n E

E n t l a s t u n g

p l a s t i s c h e r

B e r e i c h

V e r f e s t i g u n g s -

b e r e i c h

a r c t a n E

v

G l e i c h m a d e h n u n g

E i n s c h n r -

d e h n u n g

e

y

= 1 , 1 4 ( S 2 3 5 )

= 1 , 7 1 ( S 3 5 5 )

e

v

= 3 0 b i s 3 5 ( S 2 3 5 )

e

u

= 2 0 b i s 2 5 %

v e r e i n f a c h t :

e

s

Abbildung 3.2: Spannungs-Dehnungs-Diagramm fr Baustahl

Gewhrleistete Eigenschaften nach DIN 17100:

Zugfestigkeit fu,k

Streckgrenze, Fliegrenze fy,k

Bruchdehnung (bleibende Dehnung nach Bruch) = LL0L0 100%, Melnge L0 = 5 d0

Faltversuch (180)

Kerbschlagarbeit

3-4

3.2.1.2 Sprder Stahl (unerwnscht)

Das Versagen erfolgt pltzlich. Das Flievermgen, das oft hilfreich eine Umlagerung von Krften er-mglicht, fehlt.

s

e

B r u c h o h n e A n k n d i g u n g

fy,kfu,k

= 1 klein (Bruchdehnung)

Abbildung 3.3: Spannungs-Dehnungs-Diagramm fr sprde Materialien

3.2.1.3 Stahl ohne ausgeprgte Streckgrenze

s

e

E n t l a s t u n g

f

y , k

= s

0 , 2

0 , 2 %

fy,k = 0,2 (Annahme)

Abbildung 3.4: Spannungs-Dehnungs-Diagramm fr Stahl ohne ausgeprgte Streckgrenze

3.2.2 Bemessung des Zugstabes

Im Tragsicherheitsnachweis wird die Sicherheit gegenber der statischen Beanspruchung nachgewiesen.Bei dynamisch beanspruchten Konstruktionen (Belastung nicht vorwiegend ruhend) wie Krahnbahnenund Eisenbahnbrcken ist darber hinaus noch ein Betriebsfestigkeitsnachweis zu fhren. Der Nachweisbei vorwiegend ruhenden Lasten erfolgt gegen die Streckgrenze oder gegen die Zugfestigkeit.Die Sicherheit gegen Materialflieen ist eine Sicherheit gegenber einem angekndigten Versagen, danach Erreichen der Streckgrenze fy nicht unmittelbar das Versagen eintritt, sondern infolge der groenBruchdehnung beim Material Baustahl starke Verformungen auftreten. Aus diesem Grund konnten auchrelativ geringe Teilsicherheitsbeiwerte gewhlt werden. Gegen ein unangekndigtes, pltzliches Versa-gen mssen hhere Sicherheiten angesetzt werden.

3-5

Das ausgeprgte Flievermgen des Stahls bringt auch noch weitere Vorteile: In Bauteilen knnen Ei-genspannungen vorhanden sein, die nach dem Erkalten des Walzproduktes im Material zurckbleiben.

s

Z

s

D

s

e

E i g e n s p a n n u n g e n

b

Bedingung fr Eigenspannungen: b0edA= 0

Abbildung 3.5: Eigenspannungsverteilung im Zugstab (Beispiel)

Wrde das Material mit Erreichen von fy reien, knnten im vorliegenden Fall aus einer Belastung nurfolgende Zugspannungen aufgenommen werden:

= fyzAuerdem mte die Eigenspannung z bekannt sein.Tatschlich kann aber der Querschnitt voll ausgenutzt werden. Whrend nmlich die Zonen mit Zugei-genspannungen frher zu flieen beginnen, setzt bei den Zonen mit Druckeigenspannungen das Flieendes Materials erst ein, wenn im Querschnitt

= y+ D mit D =DE

und y = Dehnung bei fy

erreicht wurde.

+ =

+

--

+

f

y

E i g e n s p a n n u n g e n

r e c h n e r i s c h

a u f n e h m b a r e

S p a n n u n g e n

S p a n n u n g e n

n a c h A u f b r i n g e n

v o n e = e

y

+ e

D

Abbildung 3.6: Addition von Eigenspannungen und aufnehmbaren Spannungen

Infolge des ausgeprgten Flievermgens des Baustahls knnen also die Querschnitte trotz

Eigenspannungen oder

ungleichmiger Spannungsverteilung im Querschnitt

voll mit N = fy A ausgenutzt werden, da sich nach hinreichender Dehnung schlielich in jeder Faserdie Fliegrenze fy einstellt.

3-6

3.2.3 Nachweis

Der NachweisSdRd 1 fr die magebenden Einwirkungen lautet nach dem Verfahren Elastisch-Elastisch

mit Spannungen

dR,d

=N/Afy,d

1

Sofern Querschnittsschwchungen z.B. durch Schraubenlcher vorhanden sind, ist die Nettoquer-schnittsflche A= ANetto zu bercksichtigen, wenn

1,2 fr S235ABruttoANetto

>1,1 fr S355

Alternativ darf bei Zugstben mit gebohrten Lchern der Nachweis unter Zugrundelegung der Zugfe-stigkeit gefhrt werden.

Nd/ANettofu,d/1,25

1

BeiWinkeln mit unsymmetrischemAnschlu durch nur eine Schraube ist der Nachweis fr den kleinerenTeil des Nettoquerschnitts mit der halben zu bertragenden Kraft zu fhren.

3.3 Biegetrger

Hier sollen nur die einfachsten Biegetrger aus Walzprofilen beschrieben werden.

3.3.1 I-Profile unter einachsiger Biegung: Verfahren Elastisch - Elastisch

m a x M M o m e n t e

Q u e r k r f t e

m a x V

Abbildung 3.7: Biegemomente an einem Einfeldtrger

Nachweis fr Biegebeanspruchung:Allgemeiner Nachweis

SdRd

1

mit der Grenznormalspannung

R,d = fy,d =fy,kM

Nachweis mit Spannungen

dR,d

=maxdfy,d

1

und der maximalen Biegespannung

max =maxMd

WNach DIN 18800, T.1, Tab. 1 gilt fr St 37 (S235) eine charakteristische Streckgrenze von 24,0 kN/cm2,fr St 52 (S355) eine Streckgrenze von 36,0 kN/cm2

3-7

Fr den Druckrand gilt:

W1 =Ie1

Fr den Zugrand gilt:

W2 =IIe2

mit I = 2 ALoch a2Loch

y y

e

1

e

2

a

L o c h

s

D r u c k r a n d

Z u g r a n d

s

R a n d

-

+

Abbildung 3.8: Biegespannungen am I-Profil

Dabei ist I das Trgheitsmoment der Schrauben- oder Nietlcher in der Zugzone bezogen auf denSchwerpunkt des ungeschwchten Querschnitts. Dieser Lochabzug kann unbercksichtigt bleiben, fallsfr die Flche des zugbeanspruchten Flansches gilt:

1,2 fr S235ABruttoANetto

1,1 fr S355

Nachweis fr Schubspannung im Steg:

Allgemeiner Nachweis

SdRd

1

mit der Grenzschubspannung

R,d =R,d3

=fy,d3

Nachweis mit Spannungen

dR,d

=maxdfy,d/

3 1

und der maximalen Schubspannung

maxd =maxV Syy

Iy s maxV

ASteg= Durchschnittswert

V

/

A

S

t

e

g

m

a

x

t

t

s

y

t

y

1

1

s

t

1

1

1

2

3

4

t

t

Abbildung 3.9: Schubspannungen an einem I-Profil

Diese Nachweise sind fr smtliche Einwirkungskombinationen zu fhren.

3-8

Im brigen gilt fr eine beliebige Stelle im Querschnitt:

11 =V S11Iy s

Wobei S11 das statische Moment der ber Schnitt 1-1 liegenden Flche ist. Syy ist das maximale statischeMoment. Das Gleichgewicht am abgeschnittenen Teil A2 ergibt:

A

1

A

2

d x

s

1

s

1

+

d s

1

d x

d x

T

a

1

y

1

Abbildung 3.10: Schubflu und Biegespannung

T dx =A2

d1dx

dx dA

=A2

d[MI (a1+ y1)

]dx

dx dA

=dMdx

dx 1IA2(a1+ y1) dA

T = V 1IA2(a1+ y1) dA

Fr den Schnitt zwischen Flansch und Steg gilt dann:

TFS = V 1I [

A1(a1+ y1) dA

]

= V 1I

A1 a1+A1y1 dA = 0

TFS =VIA1 a1 = V SI mit S= statisches Moment des Flansches

Fr die Schubspannung gilt dann:

=V SI s mit s= Stegdicke

3-9

3.3.2 Vergleichsspannung

Ein Elementchen 1,2,3,4 des Steges (siehe auch Abb. 3.9, 3.11) wird sowohl durch die Normalspannung als auch durch Schubspannungen beansprucht. Es besteht nun die Frage, durch welche Intensitt dermehrachsigen Spannungen das Material zum Versagen, hier also zum Flieen, gebracht wird.

1

23

4

s

z

s

z

s

x

s

x

t

t

t

t

Abbildung 3.11: Mehrachsige Beanspruchung am Element

ber die Hypothese der konstanten Gestaltnderungsenergie wird eine einachsige Ersatzspannung for-muliert, welche den mehrachsigen Spannungszustand durch eine einachsige Spannung ersetzt.

s

v

s

v

s

z

s

z

s

x

s

x

t

t

t

t

=

^

Abbildung 3.12: Mehrachsige Beanspruchung und Vergleichsspannung

Diese Spannung wird Vergleichsspannung genannt. Sie ergibt sich aus der Hypothese zu

v =2x +2z x z+3 2xz (zweiachsig)

Allgemeiner Nachweis

SdRd

1

Nachweis mit Spannungen

v,dR,d

1

Es wird nun der Nachweis gefordert, da diese Vergleichsspannung gewisse in den Vorschriften festge-legte Werte nicht berschreitet. DIN 18800, Teil 1 (Stahlbauten) lt folgende, um 10% hhere Grenz-spannung bei Biegetrgern mit Querkraft und einachsiger Biegung (rtlich begrenzte Plastizierung) zu,so da der Nachweis lautet:

v,dR,d

=

2d +3 2

1,1 fy,k/M 1

Der Vergleichsspannungsnachweis wird jedoch nur verlangt, wenn entweder fr die durchschnittlichenSchubspannungen im Steg gilt:

dR,d

0,5

oder fr die Normalspannungen

dR,d

0,5

3-10

Fr Schub alleine ergibt sich die Vergleichsspannung zu

v = 3

Damit erhlt man die Flieschubspannung zu

R,d =R,d3

=fy,k3 M

=fy,d3

Aus Abb. 3.13 ist zu erkennen, warum bei dR,d 0,5 oderdR,d 0,5 ein Nachweis der Vergleichsspan-

nung nicht erforderlich ist:

s

d

s

R , d

t

d

t

R , d

1 , 0

1 , 0

0 , 5

0 , 5

Es gilt:

dR,d +

dR,d = 1

Abbildung 3.13: Interaktion zwischen Biege- und Schubspannungen

In den angegebenen Fllen ist die jeweils zugehrige andere Spannung voll ausnutzbar, ohne da dieVergleichsspannung wesentlich berschritten wird. Nur im schraffierten Bereich ist der Nachweis derVergleichsspannung erforderlich.Es sind jeweils die ungnstigsten Stellen im Trger zu untersuchen, hier groe Querkraft und groesMoment. In der Abb. 3.14 gilt fr den Schnitt 1-1 an der gekennzeichneten Stelle:

1

1

Abbildung 3.14: Ungnstigste Stelle fr den Nachweis der Vergleichsspannungen

x = (+)z = ()

v =2x +2z +x z+3 2xz

3-11

Tabelle 3.2: Vergleichsspannungen fr verschiedene Spannungszustnde

Spannungszustand Vergleichsspannung v

einachsig

reiner Schub 3

zweiachsig 1,221 +22 1 2

x,2x +3 2

x,z,2x +2z x z+3 2

dreiachsig 1,2,321 +22 +23 1 22 33 1

x,y,z,2x +2y +2z x yy zz x+3

(2xy+ 2yz+ 2zx

)Mit 1,2,3 = Hauptspannungen

Es ist also die Spannungskombination Druck und Zug ungnstiger als Druck und Druck, bzw. Zug undZug.Fr verschiedene Flle sind die Vergleichsspannungen in der Tabelle 3.2 zusammengestellt.Bei Baugliedern, bei denen die Ermittlung der tatschlichen Spannung erforderlich ist, wie z.B. bei dy-namisch beanspruchten Konstruktionen, sind die Vergleichsspannungen nicht geeignet fr den Nachweisinfolge mehrachsiger Beanspruchung.

3.3.3 Instabilittserscheinungen

Was sind Instabilittserscheinungen?Unter Druck- und Schubbeanspruchungen entziehen sich schlanke Bauteile bei einer kritischen Bela-stung der weiteren Lastaufnahme durch Ausweichen. Stbe knnen knicken, dnne Bleche knnen aus-beulen. Dieses Phnomen tritt mehr oder weniger pltzlich, d.h. unangekndigt auf.

B e a n s p r u c h u n g

D r u c k , S c h u b

B e a n s p r u c h b a r k e i t

i n f o l g e M a t e r i a l f l i e e n

B e a n s p r u c h b a r k e i t

i n f o l g e I n s t a b i l i t t

t h e o r e t i s c h e s

p r a k t i s c h e s

V e r h a l t e n

A u s b i e g u n g w

Abbildung 3.15: Allgemeine Instabilittserscheinungen

3.3.3.1 Versagen des Trgers durch Biegedrillknicken (Kippen)Schlanke Biegetrger knnen durch Biegedrillknicken versagen. Auslsend fr das Biegedrillknicken ist

3-12

die Druckbeanspruchung des Druckflansches und des stark gedrckten Stegteiles. Der gedrckte Teil ei-nes Biegetrgers hat wie der Knickstab die Tendenz, sich bei hinreichend groer Schlankheit der Druck-kraft durch Instabilwerden entziehen zu wollen.

G a b e l l a g e r u n g

u

n

b

e

l

a

s

t

e

t

b

e

l

a

s

t

e

t

S

j

v

D r u c k f l a n s c h

Z u g f l a n s c h

Abbildung 3.16: Biegedrillknicken eines I-Profils bei Biegung

Setzt man Querschnittstreue voraus, was bei Walzprofilen mglich ist, dann wird das gesamte Trgerpro-fil durch den gedrckten Teil zum Ausweichen gebracht. Ein solches Verhalten verhindert aber die volleAusnutzung des Profils fr die Biegung. Folgende Faktoren haben Einflu auf die kritische Biegedrill-knicklast (Kipplast).

Biegesteifigkeit zur z - z Achse Iz(Iz < Iy) Drillsteifigkeit IT

WlbsteifigkeitCM

Lagerungsbedingungen am Trgerende und dazwischen.

3.3.3.2 Konstruktive Mglichkeiten:

Wahl eines gnstigen Profils (Iz, IT ,CM = gro)

Seitliche Zwischenabsttzung, wenn mglich des Druckgurtes

c

c

c

c

c

A u f l a g e r l i n i e

A u f l a g e r l i n i e

S t a b

S t a b

Abbildung 3.17: Seitliche Absttzung von Trgern durch Pfetten und Verband

3-13

3.3.3.3 Nachweis des Druckgurtes als Druckstab (DIN 18800, T.2, El. 3.3.3 )Bei I-Trgern mit zur Stegachse symmetrischem Querschnitt, deren Druckgurt in einzelnen Punktenim Abstand c seitlich unverschieblich gehalten ist, ist eine genauere Biegedrillknickuntersuchung nichterforderlich, wenn folgende Bedingung erfllt ist

0,5 Mpl,y,dMy,d

hierin ist =c kciz,g a

mit iz,g Trgheitsradius um die Stegachse z der ausDruckgurt und 1/5 des Steges gebildeten Quer-schnittsflche A, Iz von Druckgurt und 1/5 der Steg-flche (schwarze Flche)und kc Beiwert fr den Verlauf der Druckkraft imDruckgurt, nach DIN 18800, T.2, Tabelle 8 (hier Ta-belle 3.3).

D r u c k g u r t

h

S t e g

5

Abbildung 3.18: Definition von iz,g

Tabelle 3.3: Beiwert kc nach DIN 18800, T.2, Tabelle 8

Zeile Normalkraftverlauf kc

1 m a x N 1,00

2m a x N

0,94

3m a x N

0,86

4m a x N

y m a x N

- 1 y 1

11,330,33

Falls der oben erluterte Nachweis nicht erfllt ist, darf ein vereinfachter Nachweis gefhrt werden:0,843 My,d Mpl,y,d 1

Hierin istMy,d

grter Absolutwert des BiegemomentesAbminderungsfaktor der Knickspannungslinie c oder d fr

Knickspannungslinie d gilt fr Trger, die keine gewalzten Trger nach DIN 18800,T.1, Tab.9, Z.1 sind und durch Querbelastung am Obergurt beansprucht werden. Hier-bei ist zustzlich folgende Bedingung einzuhalten:

ht 44

240/ fy,k

mit den Trgerabmessungen:h grte Gesamthhet Dicke des Druckgurtes

Knickspannungslinie c darf in den brigen Fllen gewhlt werden.

DIN 18800 erlaubt bei den oben genannten Nachweisen vereinfachend statt mit iz,g mit dem Trgheits-radius i des Gesamtprofiles zu rechnen.

3-14

3.3.3.4 Genauere rechnerische UntersuchungenFr den Fall, da die obigen Nachweise nicht erfllt sind, knnen auch genauere Untersuchungen ange-stellt werden, die dann eine wirtschaftliche Dimensionierung erlauben.

1. DIN 18800, Teil 2, Abschnitt 3.3.4

2. mit Hilfe von Literatur [Roik, Carl, Lindner: Biegetorsionsprobleme gerader dnnwandiger Stbe,Verlag W. Ernst und Sohn, Berlin]

Gefahr fr das Biegedrillknicken (frher: Kippen) besteht hufig im Montagezustand. Spter werden dieTrger meist seitlich durch vorhandene Bauteile gehalten z.B. durch die Scheibenwirkung der Decken,Dcher und Wnde.

3.3.3.5 Versagen durch AusbeulenGedrckte Gurte oder Stege knnen seitlich ausweichen (Plattenbeulen).

b

1

t

D r u c k

Z u g

Abbildung 3.19: Beulen eines dnnwandigen I-Profils

Bei hinreichend schlanken Bauteilen (fr Gurte nach Abb. 3.19 bspw. b1/t 12,9 bei S235) ist einAusbeulen mglich. DIN 18800, Teil 1 gibt in Tabelle 12 und 13 Grenzwerte fr b/t an, ab denen einAusbeulen bei Platten beim Nachweisverfahren Elastisch-Elastisch mglich ist. Walzprofile sind davonnicht betroffen.

3.3.3.6 Beanspruchung in z-RichtungDer -Spannung des Trgers in z-Richtung mu bei kontinuierlichen Lasten i.d.R. keine besondere Auf-merksamkeit geschenkt werden, da

z =p

tSteg

meist kleine Werte ergibt. Groe Einzellasten oder konzentrierte Auflagerkrfte rufen dagegen rtlichgroe Druckspannungen im Steg hervor. Um sie abzumindern, werden oft Steifen angeordnet, welchedie Krfte auf die Steghhe verteilen (siehe Abb. 3.20).Wenn mglich sollte man jedoch auf Steifen verzichten, da hierdurch die Werkstattkosten fr die Kon-struktion niedriger gehalten werden knnen. Traglastuntersuchungen haben gezeigt, da auch ohne Stei-fen relativ groe Krfte bertragen werden knnen.1

1Europische Konvention fr Stahlbau (EKS): Steifenlose Stahltragwerke und dnnwandige Vollwandtrger, VerlagW.Ernstund Sohn, Berlin, Merkblatt 445, Steifenlose Lasteinleitung in warmgewalzte I-Trger, Dsseldorf 1980

3-15

m i t S t e i f e o h n e S t e i f e

L a g e r s t e i f e n

S t e i f e u n t e r

E i n z e l l a s t

Abbildung 3.20: Lasteinleitung mittels Steifen

3.3.4 I-Profile unter zweiachsiger Biegung, Verfahren Elastisch - Elastisch

Gabelgelagerte Profile knnen auch zweiachsig beansprucht werden.

P

z

P

y

y y

z

z

E

c

k

s

p

a

n

n

u

n

g

E

c

k

s

p

a

n

n

u

n

g

Abbildung 3.21: Zweiachsige Biegung am I-Profil

In kleinen Bereichen darf die Eckspannung die Grenzspannung R,d um 10% berschreiten. Ein kleinerBereich kann z.B. fr zweiachsige Biegung unterstellt werden, wenn gleichzeitig gilt:

My,dIy

ez 0,8 R,d und Mz,dIz ey 0,8 R,d

Anmerkung: Diese Tragsicherheitsnachweise nutzen bereits teilweise die plastische Querschnitts-tragfhigkeit aus; eine vollstndige Ausnutzung ermglicht das Verfahren Elastisch-Plastisch.

3.3.5 Weitere Profile bei Biegebeanspruchung

Hier sollen exemplarisch nur die U- und L-Profile erwhnt werden. Bei diesen nicht doppeltsymme-trischen Profilen tritt zustzlich zur Biegung Torsion auf, wenn sie nicht im Schubmittelpunkt belastetwerden.

3-16

M S

y y

z

z

P

z

M S

y y

z

z

P

z

P

y

a

M S

y y

z

z

P

z

e

einachsige Biegung(M = Schubmittelpunkt)

einachsige Biegungund Torsion (MT = Pz e)

zweiachsige Biegungund Torsion (MT = Pz a)

Abbildung 3.22: U-Profil mit verschiedenen Laststellungen

h

y y

z

h

x

x

M

z

P

z

P

z

P

h

P

x

x

M

Abbildung 3.23: Winkelprofil unter Biegebelastung

Zweiachsige Biegung des Winkels mit Torsion:P ist zu zerlegen in die Komponenten der Hauptachsen

1 =M(P )W1

+M(P)W1

+ Torsion

3.3.6 Biegetrger unter einachsiger Biegung, Verfahren Elastisch - Plastisch

3.3.6.1 Einige Hinweise zur plastischen Querschnittstragfhigkeit

a) Bisheriges Versagenskriterium bei Zugstab und Biegetrger (Verfahren Elastisch - Elastisch):Bei Zugstben und Biegetrgern waren wir bislang beim Standsicherheitsnachweis von der Mo-dellvorstellung ausgegangen, da die Tragfhigkeit erschpft ist, wenn rechnerisch unter -fachenLasten in der ungnstigsten Faser des Quersch