Neuigkeiten – Stahlkonstruktion: Ein zentrales Struktursystem im modernen Ingenieurwesen

In der zeitgenössischen Architektur, im Verkehrswesen, in der Industrie und in der EnergietechnikStahlkonstruktionist mit seinen doppelten Vorteilen in Material und Struktur zu einer treibenden Kraft für Innovationen in der Ingenieurtechnik geworden. Durch die Verwendung von Stahl als tragendes Kernmaterial überwindet es die Beschränkungen traditioneller Strukturen durch industrialisierte Produktion und modulare Installation und bietet effiziente Lösungen für eine breite Palette komplexer Projekte.

Vor- und Nachteile von Stahlkonstruktionen - CHINA ROYAL STEEL

Definition und Natur der Stahlkonstruktion
Unter Stahlkonstruktion versteht man ein tragendes Struktursystem bestehend ausStahlplatten, Stahlprofile (H-Träger, U-Kanäle, Winkelstahl, etc.) und Stahlrohre, die durch Schweißen, hochfeste Bolzen oder Nieten befestigt werden. Das Wesentliche besteht darin, die hohe Festigkeit und Zähigkeit von Stahl zu nutzen, um vertikale Lasten (Eigengewicht und Gerätegewicht) und horizontale Lasten (Wind und Erdbeben) gleichmäßig von einem Gebäude oder Projekt auf sein Fundament zu übertragen und so die strukturelle Stabilität zu gewährleisten. Im Vergleich zu Betonkonstruktionen liegt der Hauptvorteil von Stahlkonstruktionen in ihren mechanischen Eigenschaften: Ihre Zugfestigkeit kann über 345 MPa erreichen, mehr als das Zehnfache von gewöhnlichem Beton; und ihre ausgezeichnete Plastizität ermöglicht es ihnen, sich unter Last zu verformen, ohne zu brechen, was eine doppelte Garantie der strukturellen Sicherheit bietet. Diese Eigenschaft macht sie unersetzlich in Szenarien mit großen Spannweiten, Hochhäusern und schweren Lasten.

Haupttypen von Stahlkonstruktionen

(I) Klassifizierung nach Strukturform
Gateway-Rahmenkonstruktion: Diese aus Stützen und Balken bestehende Konstruktion bildet ein „gateway“-förmiges Gerüst, gekoppelt mit einem Stützsystem. Sie eignet sich für Industrieanlagen, Logistiklager, Supermärkte und andere Gebäude. Übliche Spannweiten liegen zwischen 15 und 30 Metern, einige über 40 Meter. Die Komponenten können in Fabriken vorgefertigt werden, sodass die Montage vor Ort in nur 15 bis 30 Tagen möglich ist. Beispielsweise wird diese Art von Konstruktion hauptsächlich in den Lagerhallen des Asia No. 1 Logistics Park von JD.com verwendet.
Fachwerkkonstruktion: Diese Konstruktion besteht aus geraden Stäben, die durch Knotenpunkte miteinander verbunden sind und so eine dreieckige oder trapezförmige Geometrie bilden. Die Stäbe sind ausschließlich axialen Kräften ausgesetzt, wodurch die Festigkeit des Stahls voll ausgenutzt wird. Fachwerkkonstruktionen werden häufig für Stadiondächer und Brückenhauptspannweiten verwendet. So wurde beispielsweise bei der Renovierung des Pekinger Arbeiterstadions eine Fachwerkkonstruktion eingesetzt, um eine stützenfreie Spannweite von 120 Metern zu erreichen.
Rahmenstrukturen: Ein räumliches System aus starr verbundenen Balken und Säulen bietet flexible Grundrisse und ist die gängige Wahl für Bürohochhäuser und Hotels.
Gitterstrukturen: Ein räumliches Gitter aus mehreren Elementen, oft mit regelmäßigen Dreiecks- und Quadratknoten, bietet hohe Stabilität und ausgezeichnete Erdbebensicherheit. Gitterstrukturen werden häufig in Flughafenterminals und Kongresszentren eingesetzt.

(II) Klassifizierung nach Belastungseigenschaften
Biegeelemente: Diese Elemente werden durch Balken dargestellt und halten Biegemomenten stand, wobei oben Druck und unten Zugkräfte wirken. Sie bestehen häufig aus H-Profilen oder geschweißten Kastenprofilen, wie z. B. Kranträgern in Industrieanlagen, und müssen sowohl die Anforderungen an Festigkeit als auch an Ermüdungsbeständigkeit erfüllen.
Axial belastete Bauteile: Diese Bauteile sind ausschließlich axialen Zug-/Druckkräften ausgesetzt, wie z. B. Fachwerkzugstäbe und Gitterstäbe. Zugstäbe sind auf Festigkeit ausgelegt, Druckstäbe hingegen auf Stabilität. Typischerweise werden Rundrohre oder Winkelstahlprofile verwendet. Exzentrisch belastete Bauteile: Diese sind sowohl axialen Kräften als auch Biegemomenten ausgesetzt, wie z. B. Rahmenstützen. Aufgrund der Exzentrizität der Last an den Trägerenden sind symmetrische Querschnitte (z. B. Kastenstützen) erforderlich, um die Kräfte und Verformungen auszugleichen.

Hauptvorteile von Stahlkonstruktionen
(I) Hervorragende mechanische Eigenschaften
Hohe Festigkeit und geringes Gewicht sind die wichtigsten Vorteile von Stahlkonstruktionen. Bei einer bestimmten Spannweite beträgt das Eigengewicht eines Stahlträgers nur ein Drittel bis ein Fünftel des Eigengewichts eines Betonträgers. Beispielsweise wiegt ein Stahlfachwerk mit 30 Metern Spannweite etwa 50 kg/m, während ein Betonträger über 200 kg/m wiegt. Dies reduziert nicht nur die Fundamentkosten (um 20–30 %), sondern mildert auch seismische Auswirkungen und verbessert die Erdbebensicherheit der Konstruktion.
(II) Hohe Baueffizienz
Über 90 % der Stahlbaukomponenten werden in Fabriken millimetergenau vorgefertigt. Die Montage vor Ort erfordert lediglich das Anheben und Verbinden. So dauert beispielsweise die Bauzeit eines zehnstöckigen Bürogebäudes aus Stahl von der Komponentenproduktion bis zur Fertigstellung nur sechs bis acht Monate – eine Verkürzung der Bauzeit um 40 % im Vergleich zu einer Betonkonstruktion. Ein Wohnbauprojekt aus vorgefertigtem Stahl in Shenzhen erreichte beispielsweise eine Baugeschwindigkeit von „einem Stockwerk alle sieben Tage“, was die Arbeitskosten vor Ort deutlich reduzierte.
(III) Hohe Erdbebensicherheit und Haltbarkeit
Die Zähigkeit von Stahl ermöglicht es Stahlkonstruktionen, Energie durch Verformung bei Erdbeben abzuleiten. So kam es beispielsweise beim Erdbeben in Wenchuan 2008 in einer Stahlkonstruktionsfabrik in Chengdu nur zu geringfügigen Verformungen und es bestand keine Einsturzgefahr. Darüber hinaus kann Stahl nach einer Korrosionsschutzbehandlung (Verzinkung und Beschichtung) eine Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren haben, wobei die Wartungskosten deutlich niedriger sind als bei Betonkonstruktionen.
(IV) Umweltschutz und Nachhaltigkeit
Die Recyclingquote von Stahl liegt bei über 90 %, sodass der Stahl nach dem Abriss wieder eingeschmolzen und verarbeitet werden kann, wodurch die Umweltverschmutzung durch Bauabfälle vermieden wird. Darüber hinaus benötigt Stahlkonstruktionen keine Schalung und Wartung, sodass nur minimale Nassarbeiten vor Ort erforderlich sind. Die Staubemissionen werden im Vergleich zu Betonkonstruktionen um über 60 % reduziert, was den Grundsätzen des ökologischen Bauens entspricht. So wurden beispielsweise nach dem Rückbau des Ice Cube für die Olympischen Winterspiele 2022 in Peking einige Komponenten in anderen Projekten wiederverwendet, wodurch Ressourcen recycelt wurden.

Weit verbreitete Anwendung von Stahlkonstruktionen
(I) Konstruktion
Öffentliche Gebäude: Stadien, Flughäfen, Kongress- und Ausstellungszentren usw. sind auf Stahlkonstruktionen angewiesen, um große Spannweiten und großzügige Bauweisen zu erreichen.
Wohngebäude: Vorgefertigte Wohnhäuser in Stahlkonstruktion erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und können individuelle Wohnanforderungen erfüllen.
Gewerbebauten: Superhohe Bürogebäude und Einkaufszentren, bei denen Stahlkonstruktionen zum Einsatz kommen, um komplexe Designs und eine effiziente Konstruktion zu erreichen.
(II) Transport
Brückenbau: Überseebrücken und Eisenbahnbrücken. Stahlbrücken bieten große Spannweiten und hohe Widerstandsfähigkeit gegen Wind und Erdbeben.
Schienenverkehr: U-Bahn-Stationsüberdachungen und Schienenträger für Stadtbahnen.
(III) Industrie
Industrieanlagen: Schwermaschinenwerke und metallurgische Anlagen. Stahlkonstruktionen halten den Belastungen großer Anlagen stand und erleichtern spätere Anlagenmodifikationen.
Lagereinrichtungen: Kühlkettenlager und Logistikzentren. Portalrahmenstrukturen erfüllen die Anforderungen an Lager mit großer Spannweite und lassen sich schnell aufbauen und in Betrieb nehmen.
(IV) Energie
Kraftwerke: Hauptgebäude und Sendemasten von Wärmekraftwerken. Stahlkonstruktionen eignen sich für hohe Belastungen und raue Außenbedingungen. Neue Energie: Windkrafttürme und Photovoltaik-Montagesysteme bestehen aus leichten Stahlkonstruktionen für einfachen Transport und Installation und unterstützen die Entwicklung sauberer Energien.