Statik
Inhaltsverzeichnis
Begriffserklärungen
(Auszug aus dem Wendehorst/Muth 23.Auflage )
Kräfte, die von außen auf die Teile eines Bauwerkes einwirken und keine Reaktionskräfte sind, werden Lasten genannt. Bei der Zusammenstellung der Lasten verwendet man üblicherweise diese Einteilung:
Ständig wirkende Lasten: Eigenlast des Tragwerkes ständig Nach Art und Ort feststehende Ausbaulast (bei Hochbauten z,B. Fußboden, nicht tragende Wände)
Nicht ständig wirkende Lasten: Ausbaulast mit unbestimmtem Einbauort (bei Hochbauten z.B. leichte Trennwände) Lasten aus Umwelteinwirkung (hervorgerufen etwa durch Schnee, Wind, Erd- und Wasserdruck, Erdbeben) Nutzlasten und Betriebslasten.
Während die Eigenlast des Tragwerkes und die nach Art und Ort feststehende Ausbaulast in ihrer jeweiligen Größe berechnet und angesetzt werden, kann für Ausbaulasten mit unbestimmtem Einbauort und für Lasten aus Umwelteinwirkung nur mit Ersatzlasten gearbeitet werden. Nutz- und Betriebslasten werden teilweise als Lastbilder fiktiver Fahrzeuge und teilweise in Form von Ersatzlasten angegeben. Nutz- und Betriebslasten und Lasten aus Umwelteinwirkung müssen daraufhin geprüft werden, ob Sie das Tragwerk nur statisch beanspruchen oder ob bei ihrem Auftreten im Tragwerk nennenswerte Schwingungsbeanspruchungen auftreten. Wenn die Beanspruchung statisch ist, spricht man von vorwiegend ruhender Belastung.
Bei nicht vorwiegend ruhender Belastung ist noch zu prüfen, ob die Belastung periodischen Charakter hat oder ob Sie aperiodisch verläuft. Während im ersteren Fall durch eine genauere Rechnung (eine dynamische oder auch Schwingungsberechnung) die Gefahr einer Resonanzkatastrophe zu untersuchen ist, kann im Letzteren der dynamische Einfluss durch einen Lastzuschlag o.ä. berücksichtigt werden (Schwingbeiwert). Lastbilder fiktiver Regelfahrzeuge sind im Allg. als nicht vorwiegend ruhende Lasten zu behandeln. Ersatzlasten sind im Allg. als vorwiegend ruhende Lasten klassifiziert, wobei dann ein dynamischer Einfluss gegebenenfalls schon eingearbeitet ist.
Im Hinblick auf die Bedeutung der Lasten für das jeweils untersuchte Tragwerk, sowie im Hinblick auf die Häufigkeit ihres Auftretens und die (damit zusammenhängende) Wahrscheinlichkeit ihres zeitlichen Zusammentreffens in ungünstiger Kombination, unterscheidet man Haupt- und Zusatzlasten.
Zu den Hauptlasten gehören alle ständig oder jedenfalls über lange Zeit wirkenden Lasten, insbesondere also die Eigenlast, sowie die wesentlichen und vergleichsweise regelmäßig auftretenden Nutz- und Betriebslasten.
Zu den Zusatzlasten gehören alle übrigen Lasten, das sind diejenigen nicht ständig wirkenden Lasten, die vergleichsweise selten auftreten, so dass die Wahrscheinlichkeit ihres zeitlichen Zusammentreffens mit rechnerischer, d.h. höchster Intensität und in ungünstigster Kombination vergleichsweise gering ist. Die Frage, ob eine bestimmte (nicht ständig wirkende) Last als Haupt- oder als Zusatzlast zu behandeln ist, kann deshalb nur nach einem Vergleich aller im gegebenen Fall (nicht ständig) wirkenden Lasten beantwortet werden, wobei die Antwort für unterschiedliche Tragwerke eines und desselben Bauwerkes durchaus unterschiedlich sein wird. Verbindliche Angaben hierzu enthalten die verschiedenen mit dem Thema Lastannahmen befassten Normen und Normenabschnitte.(Siehe E1)
Bisher wurde von Lasten gesprochen, die im Fertigzustand auf das Bauwerk wirken. In vielen Fällen müssen jedoch auch Bauzustände untersucht werden, und zwar immer dann, wenn in der Errichtungsphase entweder eine andere Art der Lastabtragung gegeben ist als im Fertigzustand oder wesentliche Beanspruchungen aus "Baulasten" entstehen. Solche "Baulasten" zählen zu den sogenannten Sonderlasten. Hauptlasten, Zusatzlasten und Sonderlasten im Bauzustand sind sämtlich Lasten in normalen bzw. planmäßigen Betriebsfällen. Daneben gibt es außergewöhnliche Betriebsfälle, etwa Unglücks- und Katastrophenfälle, wie Sie eintreten etwa bei Anprall von Fahrzeugen oder Entgleisung von Schienenfahrzeugen, bei Anstieg des Grundwassers und damit des Wasserdrucks wegen Ausfall von Betriebs- und Sicherungsvorrichtungen, bei Erdbeben usw. Für alle diese und weitere Fälle gibt es Ersatzlasten, die man ebenfalls als Sonderlasten bezeichnet.
Im Rahmen der Bemessung sind nun alle Querschnittsabmessungen, konstruktiven Details usw. so festzulegen, dass alle zuvor aufgeführten Lasten sicher vom Bauwerk getragen werden können. Dabei ist es wirtschaftlich nicht vertretbar, zu fordern, dass unter den Lasten eines außergewöhnlichen und vielleicht nie eintretenden Katastrophenfalles der gleiche Sicherheitsabstand etwa zur Fließgrenze oder Bruchschnittgröße eingehalten wird, wie unter den Lasten des regelmäßig (im Fertigzustand) auftretenden Lastfalles H oder des planmäßig auftretenden Lastfalles HB (Bauzustand). Die Bemessung für Lastfälle HA (Anprall) oder HE (Erdbeben) wird deshalb mit anderen (niedrigeren) Sicherheiten durchgeführt als die Bemessung für die Lastfälle H oder HB.
Aus dem gleichen Grunde darf man unter den Lasten der vergleichsweise unwahrscheinlichen Lastfälle HZ und HZB mit gegenüber den Lastfällen H und HB reduzierten Sicherheitsabständen rechnen, die größer sind als diejenigen der Lastfälle HA und HE.
Der Nachweis für die Lastfälle HZ und HZB macht einen Nachweis für die Lastfälle H und HB nicht überflüssig: Da die verschiedenen Bauwerkstypen (Hochbauten, Brücken, Maste, Tunnel usw.) in ganz unterschiedlichem Maße durch Zusatzlasten beansprucht werden, würde eine Bemessung nur für die Lastfälle HZ und HZB zu ganz verschiedenen Sicherheiten in den (dann nicht untersuchten) Regellastfällen H und HB führen. Die Untersuchung des Lastfalles H erst liefert für alle Bauwerkstypen eine etwa gleiche Sicherheit unter der Einwirkung vergleichbarer Lasten.
Die zuvor genannten Lastfälle gelten übrigens nicht für die Untersuchung des Baugrundes nach DIN 1054, wobei man die Lastfälle 1, 2 und 3 unterscheidet. Im Lastfall 1 wirken die ständigen Lasten und die regelmäßig auftretenden Verkehrslasten (auch Wind). Im Lastfall 2 wirken außer den Lasten des Lastfalles 1 auch die übrigen gleichzeitig, aber nicht regelmäßig auftretenden großen Verkehrslasten sowie Belastungen, die nur während der Bauzeit auftreten.(Siehe E2) Im Lastfall 3 wirken außer den Lasten des Lastfalles 2 alle gleichzeitig möglichen außerplanmäßigen Lasten wie z.B. Lasten in der Folge von Unglücks- und Katastrophenfällen oder Lasten, die bei Ausfall von Betriebs- und Sicherungsvorrichtungen auftreten.(Siehe E3)
E1)
Teilweise enthalten diese Vorschriften auch noch weitergehende Regelungen bezüglich der Behandlung von Lasten als Haupt- und /oder Zusatzlasten. DIN 1055 z.B. sieht vor, dass Wind und Schnee sowohl als Zusatzlasten wie auch als Hauptlasten behandelt werden können: Als Zusatzlasten, wenn beide gleichzeitig mit voller rechnerischer Intensität wirken, und als Hauptlasten, wenn jeweils eine der beiden mit voller und die andere gleichzeitig mit halber Intensität wirkt. Und DS 804 etwa sieht vor, dass nicht alle, sondern nur bestimmte Zusatzlasten gleichzeitig wirken, wobei dann mehrere Kombinationen zu untersuchen sind.
E2)
Lastfall 1 kann mit Lastfall H, Lastfall 2 mit Lastfall HZB verglichen werden.
E3)
Man beachte, dass DIN 1054 unmittelbar Lastfälle definiert und dabei die verschiedenen Lasten direkt benennt, während sonst erst Lastklassen gebildet und mit diesen dann Lastfälle definiert werden.
Übersicht
Der Statikbereich von S+S Datentechnik für den Holzbau GmbH wurde in Zusammenarbeit mit der Firma GLASER und DLUBAL entwickelt.
Hier können diverse Einstellungen zu den statischen Ersatzsystemen und Lasteingaben gemacht werden.
Dies sind zum einen die drei Systeme Sparrenauflager, Zangenanschluß und Firstlager. Danach sind über die Grundwerte die Eingaben zu machen für die Ständigen-, Verkehrs-, Schnee-, und Windlasten. Um dann, wenn nötig, die Flächen zu ändern oder neue Flächen hinzuzufügen. Es ergeben sich dann über den Menüpunkt ANSICHT/STATIK die verschiedenen Ergebnisse z.B. Belastungsprotokoll oder die Windlastwerte. Wenn mit einem Statikprogramm mit einer DSTV-Schnittstelle gearbeitet wird (z.B. RSTAB 8 von DLUBAL), können an dieses Programm über den Menüpunkt STATIK ZUR BERECHNUNG Daten vom Abbundprogramm übergeben werden.
Diese können getrennt einmal für die Dachhölzer und Dachflächen sowie für die Bodenhölzer und Bodenflächen gemacht werden.
Maßgaben
Mit dem Abbundprogramm mit integrierter statischer Berechnung ist es gelungen Konstruktion und Berechnung von Dachkonstruktionen zu vereinen. Änderungen in der Dachkonstruktion werden automatisch in das statische System übernommen. Es werden nicht wie sonst üblich einzelne Holzteile wie Sparren, Pfetten etc. berechnet, sondern die gesamte Dachkonstruktion wird mit Hilfe eines Räumlichen Stabwerkprogramms nachgewiesen. Hierbei werden nicht einfach die Holzachsen an das Berechnungsprogramm weitergegeben, sondern es werden statische Ersatzsysteme generiert. Die Belastung des Daches aus Eigengewicht, Verkehrslast, Wind und Schnee wird aus den vom Anwender eingegebenen Grundwerten zunächst in Flächenlasten und anschließend in entsprechende Stablasten gemäß DIN 1055 umgerechnet. Die maßgebende Lastfallkombination wird aus den einzelnen Lastfällen bzw. Kombination gebildet. Als Beispiel für die Windbelastung gibt der Anwender lediglich die Höhe des Dachgrundes über Gelände ein. Automatisch werden die entsprechenden Winddruck- und Windsogkräfte unter Berücksichtigung der Dachneigung generiert. Im Berechnungsteil des Programms können Änderungen bzw. Ergänzungen vorgenommen werden. Eine Holzbemessung gemäß DIN 1052 und ein Nachweis der Durchbiegung sind ebenfalls vorhanden. Durch Selektion innerhalb des Ausdruckprotokolls von RSTAB kann die Ausgabe auf das Notwendigste begrenzt werden.
In den weiteren Hilfeseiten sind typische Holzbauknotenpunkte mit den zugehörigen statischen Ersatzsystemen dargestellt. Die automatisch aus dem Dachstuhl entwickelten räumlichen Stabwerksysteme enthalten diese Ersatzsysteme. Trotz sorgfältiger Prüfung ist nicht auszuschließen, daß Dachstühle manchmal nicht richtig in das räumliche Stabwerk umgesetzt werden. Alle statischen Systeme und Ersatzsysteme wie auch die jeweils auf den einzelnen Stabzügen liegenden Belastungen müssen vom Anwender sorgfältig geprüft werden und, falls notwendig, im Stabwerksprogramm korrigiert werden. Die in den einzelnen Knotenverbindungen und Auflagern errechneten Kräfte müssen mit entsprechenden Holzverbindern (Ngl. oder z.B. BMF oder Dübel) auch wirklich kraftschlüssig angeschlossen werden.
Das Stabwerksprogramm führt auch Knicksicherheitsnachweise für die einzelnen Stäbe/Hölzer durch. Bei Überbeanspruchung von Hölzern ist zunächst die vom Programm automatisch ermittelte Knicklänge zu überprüfen und gemäß DIN 1052 eventuell zu ändern.
Typisches Beispiel: Knicken der Sparren um die weiche Achse:
Ausknicken der Sparren um die weiche Achse wird in der Regel durch Dachlatten bzw. Schalung verhindert. Voraussetzung ist, daß durch Auskreuzen mit Windrispenbändern die Dachfläche als Scheibe ausgebildet wird. Räumliche Stabwerke kennen den Begriff Scheibenwirkung nicht. Zusätzlich nur für die Berechnung eingegebene Ersatzstäbe sollen die gewünschte Scheibenwirkung simulieren. Zur Stabilisierung der Sparren gegen Ausknicken um die weiche Achse müssten demnach die Dachlatten als Stäbe mit herangezogen werden. Diese würden jedoch wegen der Vielzahl der Stäbe das Programm unnötig strapazieren. Es wird empfohlen, bei Sparren bezogen auf die weiche Achse die Knicklänge zu reduzieren.
Der wirtschaftliche und richtige Einsatz des Statikmoduls setzt gute fachliche Kenntnisse in der Bearbeitung von räumlichen Stabwerken durch Bauingenieure und Fachbetriebe voraus.
