Die vorliegende Arbeit beschreibt die Bemessung der einzelnen Bauelemente eines Aussichtsturmes. Dieser soll in der Nähe des Waldrandes auf einer Anhöhe von etwa 700 Metern im baden-württembergischem Neuenbürg-Dennach/bei Karlsruhe gebaut werden. Seine optimale Integration in die umliegende Landschaft bildete hierbei ein wichtiges Kriterium; aus diesem Grund lag eine Holzkonstruktion nahe. Diese ist mit seiner interessanten Gestaltung der Außenstützen als Fachwerk und der verschalten Wandelemente gut gelungen. Für Wanderer und Spaziergänger wird der Turm mit einer Höhe von fast 40 Metern eine wunderbare Aussicht über die dortige Landschaft, dem Enzkreis, bieten.
Die Entwurfsunterlagen des Aussichtsturmes erstellte der freie Architekt und Stadtplaner Herr Dipl. Ing. Heinz Hummel, die Konstruktionspläne das „Ingenieurbüro Holzbau im Bruderverlag“.
Die Berechnung erfolgte als räumliches Tragwerk, wobei sich das Gesamttragwerk aus drei Einzelbestandteilen zusammensetzt; dem Turmdach, der Aussichtsplattform und dem Turmschaft. Zur Stabilität dienen vier Stahl-Außenstützen, die mit angeschweißten Horizontalstäben und Diagonalstäben ein Fachwerk bilden und am Turmschaft befestigt sind. Die Ermittlung der einzelnen Schnittkräfte geschah mit dem von Herrn Prof. Dr. Ing. H. Herrmann entwickelten Programms „FEM-Baukasten“.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Der Aussichtsturm in Neuenbürg-Dennach
1.1.1 Situation
1.1.2 Konstruktion
1.1.3 Holzschutz
1.1.4 Korrosionsschutz
1.2 Berechnungsgrundlagen
1.3 Materialkennwerte
1.4 Statikprogramm
2 Abschätzung des Schwingungsverhaltens
2.1 Allgemein
2.2 Abschätzung der Eigenfrequenz
2.2.1 Einseitig eingespannter Einfeldbalken
2.2.1.1 Allgemein
2.2.1.2 Abschätzung der Biegesteifigkeit
2.2.1.3 Abschätzung der Masse
2.2.1.4 Bestimmung der Eigenfrequenz
2.2.1.5 Nachweis der Schwingungsanfälligkeit
2.3 Ergebnis
3 Bemessung der Dachkonstruktion
3.1 Lastannahmen
3.1.1 Eigenlast
3.1.2 Schneelast
3.1.3 Windlast
3.1.3.1 Staudruck
3.1.3.2 Böenreaktionsfaktor ϕB
3.1.3.3 Abminderungsfaktor ψ
3.1.3.4 Belastungsbild
3.1.3.5 Wirbelerregte Querschwingung
3.1.3.6 Sogwirkung auf Deckenunterseite
3.1.4 Verkehrslast
3.2 System und Berechnung der Lastfälle
3.3 Nachweis der erforderlichen Querschnittsabmessungen
3.3.1 Mittelstütze
3.3.2 Zange in Richtung der 1. Hauptachse
3.3.3 Ringbalken
3.3.4 Diagonalbalken
3.3.5 Sparren unten
3.3.6 Sparren oben
3.3.7 Deckenbalken
3.3.8 Zange in Richtung der 2. Hauptachse
3.3.9 Strebe
3.3.10 Aussteifung
3.4 Anschlüsse
3.4.1 Anschluss Mittelstütze an Zange
3.4.2 Anschluss Strebe an Mittelstütze
3.4.3 Anschluss Strebe an Zange
3.4.4 Anschluss Diagonalbalken an Zange1
3.4.5 Anschluss Ringbalken an Zange1
3.4.6 Anschluss Diagonalbalken an Zange2
3.4.7 Anschluss Ringbalken an Zange2
3.4.8 Anschluss Sparren an Ringbalken
4 Bemessung der Aussichtsplattform
4.1 Lastannahmen
4.1.1 Eigenlast
4.1.2 Verkehrslast
4.2 System und Berechnung der Lastfälle
4.3 Nachweis der erforderlichen Querschnitte
4.3.1 Deckenbalken im Feldbereich
4.3.2 Deckenbalken im Randbereich
4.4 Bemessung der Diagonalträger
4.5 Bemessung der Hauptträger
5 Bemessung des Turmschaftes
5.1 Lastannahmen
5.1.1 Eigen- und Verkehrslasten
5.1.1.1 Belastung aus Etagendecken
5.1.1.2 Belastung aus Treppenaufgang
5.1.1.3 Belastung aus Zwischendecken
5.1.1.4 Belastung aus Wandelementen
5.1.1.5 Belastung aus Innenstützen
5.1.2 Windlast
5.1.2.1 Belastung des Turmschaftes
5.1.2.2 Belastung der Fachwerkbinder
5.2 Lastfälle
5.2.1 Lastfall „Eigenlast“
5.2.2 Lastfall „Verkehrslast“
5.2.3 Lastfall „Wind“
5.3 System und Berechnung
5.4 Nachweis der erforderlichen Querschnittsabmessungen
5.4.1 Innengurt
5.4.2 Wandstütze
5.4.3 Wanddiagonalen
5.4.4 Ringbalken
5.5 Anschlüsse
5.5.1 Wandelement
5.5.1.1a Anschluss Diagonale
5.5.1.1b Anschluss Randstütze
5.5.1.2 Anschluss Mittelpfosten
5.5.1.3 Anschluss Stütze
5.5.1.4 Querbalken
5.5.1.5aAnschluß Diagonale Mitte
5.5.1.5b Anschluss Querbalken
5.5.1.6a Anschluss Randstütze
5.5.1.6b Anschluss Ringbalken-Stütze
5.5.1.7a Anschluss Anschluss Mittelpfosten
5.5.1.7b Anschluss Mittelpfosten – Ringbalken
5.5.2 sonstige Anschlüsse
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit zielt auf die statische Bemessung und Konstruktion eines Aussichtsturmes in Holzbauweise in Dennach bei Karlsruhe ab. Im Fokus steht die Entwicklung eines sicheren räumlichen Tragwerks unter Berücksichtigung von Eigenlasten, Schneelasten und Windlasten sowie die Detaillierung der tragenden Anschlüsse.
- Konstruktive Durchbildung des Haupttragwerks des Aussichtsturmes
- Statischer Nachweis des Schwingungsverhaltens und der Stabilität
- Bemessung der Dachkonstruktion und der Aussichtsplattform
- Dimensionierung und rechnerische Überprüfung komplexer Anschlusspunkte
Auszug aus dem Buch
3.1.3.5 Wirbelerregte Querschwingung
„Wirbelerregte Schwingungen rechtwinklig zur Windrichtung treten insbesondere bei Baukörpern mit kreisförmigen Querschnitten auf. Für die Bemessung ist der Resonanzfall maßgebend, bei dem die Wirbelablösefrequenz mit der Eigenfrequenz übereinstimmt.“ (DIN 4131, Abschnitt A2.2.1)
Da h/d = 40/8 = 5 ≤ 60 ist, muss nach DIN 4131 nur die Eigenfrequenz der Grundschwingung berücksichtigt werden.
Im folgenden wird ein Rechenansatz aufgeführt, der laut DIN 4131 die dynamische Querschwingungsbelastung in die Form einer statischen Kraft überführt.
Kritische Windgeschwindigkeit: vkrit = d ⋅ f / S mit d – Außendurchmesser des Kreiszylinders, S – Stouhalzahl (S = 0,2 für Kreiszylinder)
vkrit = 5,0m ⋅ 1,628 s-1 / 0,2 = 40,70 m/s
Ein Nachweis für Querschwingung ist laut DIN 4131, Abschnitt A2.2.2 nicht erforderlich, wenn für die Windlastzone I gilt: vkrit ≥ 30 m/s
vkrit = 40,7 m/s ≥ 30,0 m/s
⇒ Die aus Querschwingung resultierende Belastung muss nicht in Ansatz gestellt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung des Projekts, der konstruktiven Besonderheiten des Aussichtsturmes sowie der grundlegenden Berechnungsgrundlagen und Normen.
2 Abschätzung des Schwingungsverhaltens: Theoretische Herleitung und Nachweis der Schwingungsunanfälligkeit des gesamten Bauwerks nach DIN 1055.
3 Bemessung der Dachkonstruktion: Detaillierte statische Lastannahmen, Berechnung der Schnittgrößen und Nachweis der einzelnen Holzelemente und Anschlüsse des Daches.
4 Bemessung der Aussichtsplattform: Analyse der Belastungen auf die Plattformebene und Bemessung der stählernen Haupt- und Diagonalträger.
5 Bemessung des Turmschaftes: Umfangreiche Bemessung der Hauptstützen, Wandelemente und Ringstäbe unter Einbeziehung aller auftretenden Lastfälle und komplexer Verbindungsdetails.
Schlüsselwörter
Holzbau, Aussichtsturm, statischer Nachweis, Tragwerksplanung, DIN 1052, Schwingungsanalyse, Windlast, Bemessung, Verbindungsmittel, Fachwerk, Turmkonstruktion, Stabdübel, Baustatik, Brettschichtholz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die konstruktive Planung und die vollständige statische Berechnung eines hölzernen Aussichtsturmes in Dennach.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Schwerpunkte sind die Windlastermittlung, das Schwingungsverhalten, die Bemessung von Holz- und Stahlbauteilen sowie die detaillierte Berechnung von Knotenpunktanschlüssen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist der Nachweis der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Turms unter Einhaltung geltender DIN-Normen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden klassische baustatische Berechnungsmethoden sowie das Programm "FEM-Baukasten" auf Basis der Finite-Elemente-Methode verwendet.
Was deckt der Hauptteil der Arbeit ab?
Der Hauptteil gliedert sich in die Schwingungsanalyse, die Bemessung von Dach und Plattform sowie die umfassende statische Auslegung des Turmschaftes.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Holzbau, statischer Nachweis, Tragwerkskonstruktion, Schwingungsanalyse und Bemessung von Anschlüssen.
Warum wird der Nachweis gegen Querschwingung bei der Windlast durchgeführt?
Aufgrund der kreisförmigen Querschnitte des Turms muss geprüft werden, ob wirbelerregte Schwingungen kritische Zustände herbeiführen könnten.
Wie werden die Anschlüsse der Wandelemente dimensioniert?
Die Anschlüsse werden unter Berücksichtigung der auftretenden Zug- und Druckkräfte bemessen, wobei häufig Stabdübel und Bolzen in Kombination mit Stahlblecheinlagen verwendet werden.
- Quote paper
- Melanie Ewald (Author), 2002, Konstruktion und statischer Nachweis eines Aussichtsturmes in Holzbauweise, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/17150
