Diaphragmen
Zahlreiche Missverständnisse und Mythen ranken sich um den Begriff des Schubfeldes – einem Begriff, der selbst älteren Kollegen hübsch altmodisch anmutet. Gemeint ist, dass flächenhafte Bauteile – Trapezbleche, Sandwichelemente, massive Betondecken und -wände, örtlich betoniert oder aus Fertigteilen zusammengesetzt und sogar Hohldielen – Kräfte in der Ebene ihrer Ausdehnung aufzunehmen vermögen. Im angelsächsischen Sprachraum hat sich der Begriff „diaphragm“ durchgesetzt, dessen deutsches Gegenstück sich als falscher Freund erweist. In erster Linie sind derartige Bauteile für das Abtragen senkrecht zu ihrer Ausdehnung wirkender Lasten vorgesehen: Dacheindeckungen widerstehen Schnee und andrückenden oder abhebenden Windlasten. Geschossdecken nehmen ebenfalls ihr eigenes Gewicht und Gewichte aus Ausbau und Nutzung auf. Wandflächen widerstehen wie Dachflächen Druckunterschieden zwischen Innen und Außen.
Bauteile dieser Art werden als Platten bezeichnet. Unabhängig von dieser Beanspruchung können auch Kräfte abgetragen – sprich weitergeleitet – werden, die auf die Ränder der Fläche einwirken. Der Ingenieur spricht in diesem Zusammenhang von Scheiben. Soweit Kräfte nur in einer Richtung und Wirkungslinie angreifen, werden diese durchgeleitet. Das Bauteil wirkt wie eine flächenhafte, im Falle von Dächern oder Decken liegende Stütze.
Es stellen sich geringfügige Stauchungen oder Streckungen über die Länge ein. Sobald die angreifenden Kräfte sich zwar noch die Richtung aber nicht mehr die Wirkungslinie teilen, verursachen sie Verzerrungen der Scheibe. Diese gehen mit einer Winkeländerung einher: Das Rechteck verformt sich zu einem Parallelogramm.
Diese Art der Beanspruchung wird im Fachjargon als Schub oder Scheren bezeichnet. Eine Fläche, die derart verschoben wird, ist ein Schubfeld.
Des Weiteren muss einem durch die Exzentrizität bedingten Verdrehen entgegengewirkt werden und so bildet sich ein zusätzliches Kräftepaar aus. Nutzen … Schubfelder wirken vergleichbar zu diagonalen Streben, wie sie zum Beispiel bei Windverbänden oder in Fachwerkträgern zur Ausführung kommen. Ihre Wirkung ist Aussteifung und Stabilisierung. Sie können herangezogen werden zur:
- Stabilisierung von Trägern oder Riegeln, deren Querschnitte bei Berücksichtigung der kontinuierlichen Stützung durch das Schubfeld kleiner ausfallen können.
- Zusätzlichen Lagerung von eingespannten Stützen, um so die Größe der Fundamente zu verringern. Das ist insbesondere interessant, wenn es um Stahlbetonfertigteilstützen mit angeformten Fundamenten geht. Die mögliche Ausdehnung der Fundamente wird durch die Transportierbarkeit beschränkt.
- Aussteifung von kompletten Dachtragwerken, die im günstigsten Fall gänzlich ohne Verbände ausgeführt werden können.
Im Massivbau werden Decken aus vorgefertigten Elementen grundsätzlich als Schubfelder ausgeführt – meist konstruktiv, also ohne baustatischen Nachweis. Dementsprechend können die Geschossdecken zur Aussteifung des Bauwerks beitragen.
Aussteifung einer Halle durch zwei Stützen. Weiterführende Informationen zu dem Tragsystem dieses Projektes finden sich in Ausgabe 01-2008 der IFBS aktuell.
… Kosten Schubfelder erfordern zusätzliche Maßnahmen, um ihre Wirkung entfalten zu können. Die angreifenden Kräfte müssen sicher in die Scheibe eingeleitet werden können, ebenso müssen sie ihren Weg in die Widerlager finden. Die Ränder eines Schubfeldes sind Belastungen in ihrer Längsrichtung ausgesetzt – sie wirken als Stützen oder Seile. Massive Ausführung Mäßig beanspruchte Massivdecken oder Wände können die ihnen zugedachten Schublasten ohne weitere Maßnahmen durch Haftung und Reibung in den Auflagerfugen aufnehmen. Dollen oder Dübel, das sind stabförmige Stahlbauteile, steigern diese Wirkung.
Bild: Ein Ringanker wird durch eine örtliche Schweißnaht geschlossen. Diese Ausführung der Verbindung kommt in Frage, wenn die Kraftübertragung durch Verbund nicht ausreicht.
Bei hochbelasteten Verbindungen, die sich unter anderem im Zusammenhang mit seismischen Beanspruchungen ergeben, kann die Ausbildung von Knaggen erforderlich werden. Dabei handelt es sich um an statisch wirksamen Punkten angeordnete Verzahnungen.
Das Bild zeigt die aufgehenden Dollen im Auflager für Spannbetonhohldielen.
Die Beanspruchung der Scheibenränder verursacht bei Massivbauten im Allgemeinen nur geringen Aufwand, da die entstehenden Drucklasten durch die Decken oder Wände selbst durchgeleitet werden können. Zuglasten lassen sich durch die Anordnung einer die gesamte Scheibe umfassenden Bewehrung – im Fachjargon als Ringanker bezeichnet – aufnehmen. Holzwerkstoffe Holzständerwerk und Balkendecken werden mit Holzfaserplatten so beplankt, dass die Tafelstöße auf den Stützen, Pfosten oder Balken zu liegen kommen. Vorausgesetzt, dass die erforderliche Anzahl von Nägeln zur umlaufenden Befestigung der Ränder gesetzt wird, entstehen Schubfelder, die zur Aussteifung von Fertighäusern herangezogen werden. Die Holzfasertafeln ersetzen somit die Streben wie sie im traditionellen Fachwerkbau verwendet wurden. Ihre Wirkung ist vergleichbar zu der Rückwand eines Kleiderschranks, der erst durch das Vernageln der Rückwand stabil wird. Stahltrapezbleche Anders stellt sich die Lage dar bei Schubfeldern, die aus Trapezblechen oder – dazu in einem eigenen Abschnitt mehr – aus Sandwichelementen gebildet werden. Hier ist es erforderlich Randriegel entlang der Spannrichtung anzuordnen und diese in beiden Richtungen (Druck und Zug) ausreichend auszulegen.
Der Verlegeplan zu dem weiter oben skizzierten statischen System: Die Kennzeichnung “Schubfeld” ist ohne Bedeutung für die Ausführung sondern vornehmlich der Tradition geschuldet.
Längsstöße und Längsränder müssen so miteinander verbunden werden, dass die Schubkräfte von einem Bauteil zum Angrenzenden übertragen werden können. Eine weitere Besonderheit der Schubfelder aus Trapezblechen soll hier nicht unerwähnt bleiben:
An den Querrändern werden die Verbindungsmittel und die Stege der Trapezbleche nicht nur durch angreifende Scherkräfte – die Fachfrau spricht vom Schubfluss – belastet. Die Verzerrung der Scheibe verursacht an ihren Rändern Verwerfungen der Querschnittsgeometrie. Die Fesselung der Untergurte an das Randauflager verursacht alternierend andrückende oder abhebende Kräfte. Diese werden von abhebenden Kräften aus Überdruck im Gebäudeinnern überlagert. Die resultierenden Beanspruchungen aus Scherkräften, Verwerfungen und Wind für Steg und Schraube sollten nicht vernachlässigt werden.
Gelegentlich wird es erforderlich, zusätzliche Schrauben anzuordnen oder größere und dickere Unterlegscheiben. Das kommt ausschließlich für die Querränder der Schubfelder in Frage. In den Zwischenauflagern genügt es, jeden Untergurt zu befestigen. Die Auslegung der Schubfelder erfolgt anhand des Vergleiches der abgeschätzten Beanspruchungen und daraus resultierenden Schnittgrößen mit auf die Profilgeometrie bezogenen, tabulierten Maximalwerten. Die Herkunft der nahezu historischen Tabellenwerte kann in einigen Fällen nicht mehr nachvollzogen werden. Sie wurden im Zusammenhang mit einigen theoretischen Arbeiten in den späten siebziger und achtziger Jahren des 20.sten Jahrhunderts entwickelt.
Es sind soweit keine Schäden aus Überbeanspruchung von Schubfeldern bekannt geworden. In Verbindung mit der in der Ingenieurszunft gelegentlich anzutreffenden Zahlengläubigkeit hat das dazu geführt, dass diese Werte bis heute ihren Niederschlag in Prüfbescheiden und Herstellererklärungen finden. In der am Ende ihrer Wirkungsdauer angekommenen Ausführungsnorm DIN 18807-3/A1:2001-05 wird die Kennzeichnung von Schubfeldern von Schubfelder durch an Ort und Stelle angebrachten Warnschildern gefordert. Der Industrieverband für den Metallleichtbau hat sich diese Forderung in seiner Montagerichtlinie zu eigen gemacht. Diese Forderung rührt, genau wie die angesprochene Norm aus den 1980er Jahren, also aus einer Zeit als die Bauweise noch neu war und im Begriff althergebrachte Dacheindeckungen, wie zum Beispiel Leichtbeton und Holzschalung zu verdrängen. Einigen Ingenieuren und insbesondere vielen Prüfingenieuren dieser Zeit war die Idee ein Gebäude mit profilierten Blechen aussteifen zu wollen, nicht geheuer. Die Vorschrift zur Kennzeichnung atmet noch den Geist einer preußischen Baupolizei und ihre Abschaffung ist überfällig. Sie wird ohnehin in nahezu allen Fällen schlichtweg ignoriert oder belächelt. Schließlich ist für mit Diagonalen aus Stahl ausgeführten Verbänden auch keine Vorschrift erlassen worden, diese mit Warnhinweisen auszurüsten. Die Baupraxis zeigt, dass eher als störend empfundene Verbandsdiagonalen entfernt als derartig große Löcher in Schubfelder geschnitten werden, dass sie das System in seinem Tragvermögen empfindlich beeinträchtigten. Genauso kann von der Bestimmung Abschied genommen werden, dass vertikal angeordneten Trapezblechfeldern – sprich Wänden – keine Stabilisierung zugedacht werden darf. Die Scheibenwirkung wird von der Ausrichtung nicht beeinflusst. Selbstverständlich sind vertikale Schubfelder genauso stabil wie horizontale. Diese Feststellung trifft auch auf Kassettenwände zu. Bei den Kassetten handelt sich um eine Spielart der Trapezbleche. Ob hieran ein merkliches wirtschaftliches Interesse besteht, sei dahingestellt. Vielfach werden die Wandverbände für die Montage und Ausrichtung der Tragstruktur erforderlich oder die für die Montage erforderlichen Einspannungen reichen in ihrer Summe in Wandrichtung bereits aus.
Ein isolierter Container: Ohne die stützende Wirkung der Hülle wären Transport oder Stapeln ein Ding der Unmöglichkeit.
Sandwichelemente Obwohl es weltweit viel-tausendfach ausgeführt wird, gibt es in Europa keine Norm, anhand derer Schubfelder aus Stahlhartschaumverbundplatten ausgebildet werden könnten. Immer wieder wird zu diesem Thema geforscht. Immer wieder türmen sich die gleichen Hürden auf. Das Verhalten der zumeist nur durch Kleben oder Reibung wirkenden Längsfugen lässt sich schwer greifen. Die dünnen raumseitigen Deckschichten sind kaum in der Lage Querkräfte aus und in die Auflager zu übertragen. Das Verhalten des hybriden Verbundwerkstoffes macht – wie alles, was mit Kunststoffen zu tun hat – den Baustatikern schon in Sachen Biegung zu schaffen … von den Scherbeanspruchungen ganz zu schweigen. Sandwichelemente werden zumeist an einer Sekundärstruktur (gemeint sind Riegel und Pfetten) befestigt und können daher zur Aussteifung des gesamten Bauwerks nur bedingt beitragen. Insofern besteht in Sachen Gebäudehüllen ausgedehnter Industriebauten nicht unbedingt Interesse daran. Anders stellt sich die Angelegenheiten bei kleineren Gebäuden wie Trafohäuschen oder Containern dar. Hier kann durch relativ einfache Maßnahmen wie dem Einfassen der Querränder durch u-förmige Schienen und der Verschraubung oder dem Verkleben der Längsfugen die Schubfeldwirkung verbessert und nachweisbar gemacht werden. Das gilt ebenso für Einbauten wie Kühlzellen oder Waschstraßen – within reason, of course. Kopfsache Wenn Dacheindeckungen mit Stahltrapezblechen geplant werden, kommt oft die Frage auf, ob diese als „Schubfelder aktiviert“ werden sollen. Damit ist die Vorstellung verbunden, dass Eindeckungen, die nicht als Schubfelder gedacht werden, dann auch keine seien. Vereinfacht: Jede Dacheindeckung aus Stahltrapezblechen wirkt als Schubfeld. Ganz unabhängig davon, ob diese Wirkung bei der Planung mitgenommen wird oder nicht. Soweit keine Randträger eingeplant werden, wird diese Wirkung kleiner ausfallen, aber sie verschwindet nicht. Die Dacheindeckung wird bei Beanspruchungen in ihrer Ebene verzerrt – insbesondere von Kräften, die versetzt angreifen. Ein Vergleich der Steifigkeit des unfreiwilligen Schubfelds mit den eigentlich zur Aussteifung vorgesehenen Bauteilen wird in vielen Fällen zu der Erkenntnis führen, dass das unerwünschte Schubfeld früher anspricht und den Großteil der Lasten aufnimmt. Das kann zur Belastung von Bauteilen führen, die nicht dafür ausgelegt wurden. Das war zum Beispiel bei einer Großtoranlage der Fall, wo die Diagonalen der Torkonstruktion aus Stahl nicht vorgespannt, sondern nur handfest angezogen worden waren. Die Sandwichelemente, mit denen das Tor bekleidet war, sprachen als Schubfelder an und verhinderten erfolgreich die Verzerrung der gesamten Toranlage. Die Schrauben, mit denen diese Sandwichelemente an der Torkonstruktion befestigt waren, wurden in der Folge überbeansprucht. Durch das Öffnen und Schließen des Tores begünstigt brachen Schrauben ab oder lösten sich aus ihrem Sitz. Zusammenfassung Schubfelder und Scheiben sind Bauteile die zur Stabilisierung anderer Bauteile oder des Baukörpers einzeln oder gemeinsam beitragen. Sie sind im Massiv- und Holzbau weit verbreitet, allein im Metallleichtbau ein Thema, um das sich irrige Vorstellungen und überholte Regelungen ranken. Jede Eindeckung oder Bekleidung mit Stahltrapezblechen oder Sandwichelementen konstituiert ein Schubfeld – unabhängig von dem, was sich im Kopf der damit Befassten abspielt. Zum einen kann es zu Schäden führen ungeplante Schubfeldwirkungen zu vernachlässigen, zum anderen werden mögliche Einsparungen verschenkt.
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