Mit der Entwicklung von Bewertungssystemen für das Nachhaltige Bauen und der Zertifizierung von Gebäuden gewinnen Kriterien ergänzend zur Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und Standsicherheit zunehmend an Bedeutung. Neben der Aufarbeitung wesentlicher Hintergründe dieser Systeme bedarf es Verfahren für die Praxis, Gebäude nach Nachhaltigkeitskriterien zu planen und zu bauen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation „Nachhaltige Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise“ werden Methoden zur Optimierung von Tragkonstruktionen in Stahl- und Verbundbauweise nach ökologischen und ökonomischen Kriterien vorgestellt. Auf der Basis umfangreicher Parameterstudien werden Empfehlungen zur Konstruktion und Bemessung nachhaltiger Decken- und Stützensysteme für Bürogebäude abgeleitet. Ausgehend von den deutschen Bewertungssystemen DGNB und BNB werden die Grundlagen und Methoden zur Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit von Tragkonstruktionen abgeleitet. Als Basis der Parameterstudien werden Ökobilanzdaten von Baumaterialien und -produkte, Herstellungsprozesse und Transporte aus generischen Daten, Datenbanken und Umweltproduktdeklarationen mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Lebenszyklusanalyse zusammengestellt. Ergänzend hierzu werden Kosten für Baumaterialien und -prozesse auf der Basis von Baukostenkatalogen und Expertenbefragungen ermittelt. Es folgen Parameterstudien zu Unterzugs- und Flachdecken, Stützen und Anschlüssen, bevor die Decken-Stützen-Systemen von Geschossbauten in ihrer Gesamtheit untersucht werden. Dabei werden die Bauweisen, Rastermaße, Materialgüten, Konstruktionsformen und Nutzlasten variiert, um den Einfluss der jeweiligen Parameter isoliert und in Kombination zu verdeutlichen. Zusammenfassend werden aus den Ergebnissen Empfehlungen zur nachhaltigen Gestaltung der Tragkonstruktionen für Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise abgeleitet.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Bürogebäude 2.1 Allgemein 2.2 Büroorganisationsformen 2.3 Grundriss und Höhenentwicklung 2.3.1 Grundrissgestaltung 2.3.2 Höhenentwicklung 3 Bausysteme in Stahl- und Stahlverbundbauweise 3.1 Allgemeines 3.2 Deckensysteme 3.3 Stützen 3.4 Anschlüsse 3.5 Systemwahl und Rastermaße 4 Technische Anforderungen 4.1 Lastannahmen 4.2 Korrosionsschutz 4.3 Brandschutz 4.4 Schallschutz 4.5 Technische Gebäudeausrüstung 5 Nachhaltigkeit von Bürogebäuden 5.1 Begriff Nachhaltigkeit 5.2 Richtlinien und Gesetze 5.3 Normative Grundlagen 5.4 Bewertungssysteme für Bürogebäude 5.5 Ökologische Nachhaltigkeit 5.5.1 Methodik zur Ökobilanzierung 5.5.2 Auswahl der Bewertungskriterien 5.5.3 Datengrundlagen 5.5.4 Bewertungssystem für Tragkonstruktionen 5.6 Ökonomische Nachhaltigkeit 6 Bemessung 6.1 Allgemeines 6.2 Grenzzustand der Tragfähigkeit 6.2.1 Decken 6.2.2 Unterzugsträger als Verbundträger 6.2.3 Schweißprofile 6.2.4 Slim-Floor-Träger 6.2.5 Stützen 6.2.6 Anschlüsse 6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 6.3.1 Begrenzung der Verformungen 6.3.2 Verformungen von Decken 6.3.3 Verbundträger 6.3.4 Slim-Floor-Träger 6.3.5 Rissbreitenbegrenzung 6.3.6 Schwingungen 6.4 Bemessung im Brandfall 6.4.1 Normative Grundlagen 6.4.2 Brandschutzprodukte 6.4.3 Decken 6.4.4 Unterzugsträger 6.4.5 Slim-Floor-Träger 6.4.6 Stützen 6.4.7 Anschlüsse 7 Programmdokumentation 7.1 Überblick 7.2 Programmstruktur im Allgemeinen 7.3 Decken 7.3.1 Stahlbetondecken und Spannbetonhohldielen 7.3.2 Verbunddecken 7.4 Deckensystem 7.4.1 Unterzugsdecken mit Walzprofilen 7.4.2 Unterzugsdecken mit Schweißprofilen 7.4.3 Slim-Floor-Konstruktionen 7.5 Stützen 8 Nachhaltige Material- und Konstruktionswahl 8.1 Erläuterungen zu den Parameterstudien 8.2 Decken 8.2.1 Stahlbetondecken aus Ortbeton 8.2.2 Verbunddecken 8.2.3 Decken im Vergleich 8.3 Unterzugsdecken 8.3.1 Variation der Trägerabstände 8.3.2 Variation der Nutzlasten 8.3.3 Vergleich Ein- und Zweifeldträger 8.3.4 Variation der Stahlgüte und der Durchbiegungsbegrenzung 8.3.5 Variation der Betongüte 8.3.6 Schweißprofile 8.4 Slim-Floor-Konstruktionen 8.4.1 Variation der Trägerabstände und des Deckentyps 8.4.2 Variation der Querschnittstypen 8.4.3 Untersuchung von Deckensystemen mit Einfeldträgern 8.4.4 Variation der Nutzlast 8.5 Vergleich von Unterzugsdecken und Slim-Floor-Konstruktionen 8.6 Stützen 8.6.1 Querschnittswahl 8.6.2 Materialgüten 8.6.3 Einfluss der Stützenhöhe 8.6.4 Berücksichtigung von Maßnahmen zum Brandschutz 8.7 Anschlüsse 8.8 Tragkonstruktion 8.8.1 Tragkonstruktionen mit Unterzugsdecken 8.8.2 Tragkonstruktionen mit Slim-Floor-Systemen 8.8.3 Vergleich der Tragsysteme mit Unterzugsdecken und Slim-Floor 9 Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Allgemeines 9.2 Unterzugsdecken 9.3 Slim-Floor-Konstruktionen 9.4 Stützen 9.5 Anschlüsse 9.6 Ausblick 10 Quellenverzeichnis 11 Anhang Anhang A Büroorganisationsformen Anhang B Schallschutz Anhang C Datengrundlagen Anhang D Bemessung und Produktdaten Anhang E Anschlüsse

In der Arbeit werden einfache Möglichkeiten zur experimentellen Simulation der Schnellerstarrung von Stählen durch Tauchen eines Kupferstabes in ein Stahlbad aufgezeigt. Zum Verständnis des Erstarrungsvorganges beim Tauchen wurde ein mathematisches Modell erstellt. Im Vergleich der Modellergebnisse mit den Messergebnissen wurde eine gute Übereinstimung gefunden. Mit Hilfe des Modells wurden die Erstarrungsparameter der gesamten lokalen Erstarrungszeit, der lokalen Erstarrungsgeschwindigkeit, der lokalen Abkühlgeschwindigkeit und der gesamten lokalen Erstarrungswärmestromdichte bestimmt. Durch mikroskopische Untersuchungen der Stahlerstarrungsschichten wurde die Abhängigkeit des Sekundärdendriten-Armabstandes und der Größe der nichtmetallischen Einschlüsse von den oben genannten Erstarrungsparametern gefunden. Das mathematische Modell wurde von einem rein „thermischen“ in ein „thermisch-strukturelles“ erweitert. Dazu wurden die über die metallographischen Untersuchungen erhaltenen Abhängigkeiten benutzt. Mit Hilfe der ermittelten Großen können technische Erstarrungsvorgänge der kontinuierliche, konventionellen und endmaßnahen Gießverfahren für Stähle beschrieben werden.

In der Arbeit werden einfache Möglichkeiten zur experimentellen Simulation der Schnellerstarrung von Stählen durch Tauchen eines Kupferstabes in ein Stahlbad aufgezeigt. Zum Verständnis des Erstarrungsvorganges beim Tauchen wurde ein mathematisches Modell erstellt. Im Vergleich der Modellergebnisse mit den Messergebnissen wurde eine gute Übereinstimung gefunden. Mit Hilfe des Modells wurden die Erstarrungsparameter der gesamten lokalen Erstarrungszeit, der lokalen Erstarrungsgeschwindigkeit, der lokalen Abkühlgeschwindigkeit und der gesamten lokalen Erstarrungswärmestromdichte bestimmt. Durch mikroskopische Untersuchungen der Stahlerstarrungsschichten wurde die Abhängigkeit des Sekundärdendriten-Armabstandes und der Größe der nichtmetallischen Einschlüsse von den oben genannten Erstarrungsparametern gefunden. Das mathematische Modell wurde von einem rein „thermischen“ in ein „thermisch-strukturelles“ erweitert. Dazu wurden die über die metallographischen Untersuchungen erhaltenen Abhängigkeiten benutzt. Mit Hilfe der ermittelten Großen können technische Erstarrungsvorgänge der kontinuierliche, konventionellen und endmaßnahen Gießverfahren für Stähle beschrieben werden.

Die Auswahl einer zweckmäßigen Verbindungstechnik hat großen Einfluss auf die Kosten für die Herstellung und Wartung von Gütern. Das mechanische Verbinden von Bauteilen mit Schließringbolzen gehört zum umformtechnischen Fügen. Damit werden kostengünstig unlösbare und mechanisch hoch beanspruchbare, punktförmige Verbindungen erzeugt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, in umfassender Form den Nachweis zu erbringen, dass mit Schließringbolzensystemen ohne Sollbruchstelle wartungsfreie Verbindungen hergestellt werden können. Diese Wartungsfreiheit bezieht sich auf den Erhalt der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Korrosionsschutzes bis zur beabsichtigten Grenznutzungsdauer. Aus einer Analyse des Standes der Technik wurde der Forschungsbedarf hinsichtlich der Wartungsfreiheit von Schließringbolzenverbindungen aus mechanischer und korrosiver Sicht abgeleitet. In einem mehrstufigen Prüfprogramm, unterteilt nach Anwendungen im Nutzfahrzeugbau und Stahlbau, wurde nach maschinenbaulichen und stahlbaulichen Konzepten die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen untersucht. Die Forschungsergebnisse aus diesem Programm und der Test neu entwickelter Beschichtungssysteme für die Bolzen und die Schließringe bestätigten die Eingangsthese über die Wartungsfreiheit. Metallografische Analysen und FEM Rechnungen ergänzen die Arbeit. Sie ist in sechs Abschnitte unterteilt und enthält 135 Abbildungen, 25 Tabellen, 3 Anlagen. Es wurden 118 Literaturquellen berücksichtigt. Mit der Arbeit steht dem Ingenieur ein umfangreiches Auskunftsmaterial zum Vergleich von Schließringbolzenverbindungen mit anderen Fügeverfahren, besonders jedoch zur Verschraubung zur Verfügung. Die durchgeführten Untersuchungen und Aussagen sollten in zukünftiger Forschung zu einem ganzheitlichen Konzept für die rechnerische Auslegung und Dimensionierung von Schließringbolzenverbindungen nach dem Vorbild der VDI 2230 und der EN 1993 weitergeführt werden.

Die Auswahl einer zweckmäßigen Verbindungstechnik hat großen Einfluss auf die Kosten für die Herstellung und Wartung von Gütern. Das mechanische Verbinden von Bauteilen mit Schließringbolzen gehört zum umformtechnischen Fügen. Damit werden kostengünstig unlösbare und mechanisch hoch beanspruchbare, punktförmige Verbindungen erzeugt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, in umfassender Form den Nachweis zu erbringen, dass mit Schließringbolzensystemen ohne Sollbruchstelle wartungsfreie Verbindungen hergestellt werden können. Diese Wartungsfreiheit bezieht sich auf den Erhalt der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Korrosionsschutzes bis zur beabsichtigten Grenznutzungsdauer. Aus einer Analyse des Standes der Technik wurde der Forschungsbedarf hinsichtlich der Wartungsfreiheit von Schließringbolzenverbindungen aus mechanischer und korrosiver Sicht abgeleitet. In einem mehrstufigen Prüfprogramm, unterteilt nach Anwendungen im Nutzfahrzeugbau und Stahlbau, wurde nach maschinenbaulichen und stahlbaulichen Konzepten die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen untersucht. Die Forschungsergebnisse aus diesem Programm und der Test neu entwickelter Beschichtungssysteme für die Bolzen und die Schließringe bestätigten die Eingangsthese über die Wartungsfreiheit. Metallografische Analysen und FEM Rechnungen ergänzen die Arbeit. Sie ist in sechs Abschnitte unterteilt und enthält 135 Abbildungen, 25 Tabellen, 3 Anlagen. Es wurden 118 Literaturquellen berücksichtigt. Mit der Arbeit steht dem Ingenieur ein umfangreiches Auskunftsmaterial zum Vergleich von Schließringbolzenverbindungen mit anderen Fügeverfahren, besonders jedoch zur Verschraubung zur Verfügung. Die durchgeführten Untersuchungen und Aussagen sollten in zukünftiger Forschung zu einem ganzheitlichen Konzept für die rechnerische Auslegung und Dimensionierung von Schließringbolzenverbindungen nach dem Vorbild der VDI 2230 und der EN 1993 weitergeführt werden.