Einhaltung von Sicherheitsnormen bei Edelstahlkonstruktionen durchsetzen
Laut Esther Real, einer Mitkoordinatorin des Projekts New GeneSS, zeichnen sich Edelstahlrahmen für Gebäude- und Industriebau unter anderem dadurch aus, dass jedes Element einzeln geprüft wird. Das führt ihrer Ansicht nach häufig zu zeitaufwendigen und übermäßig vereinfachten Gestaltungen. „Gebäude sind ähnlich aufgebaut wir Organismen, und die Funktion von Trägern, Pfeilern und deren Verbindungen sind miteinander verflochten. Wenn einige Elemente Lasten nicht tragen können, werden diese Lasten auf andere Elemente umgelagert. In herkömmlichen Konstruktionen fehlt diese Dynamik“, erklärt Itsaso Arrayago, Mitkoordinatorin im Projekt. Das Projekt New GeneSS wurde über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt mit dem Ziel, zu dem jüngsten Trend in Richtung der ganzheitlicheren Direct Design Method (DDM) beizutragen. Mittels fortschrittlicher Simulationssoftware kalibrierte das Projektteam die Sicherheitsfaktoren, über die gewährleistet wird, dass die strukturellen Risiken innerhalb der Toleranzgrenzen der europäischen Verordnung liegen. Darüber hinaus erarbeitete es ein Handbuch für Fachkräfte im Bereich Ingenieurswesen und Architektur.
Sicherheitsstandards setzen
Die neuesten Fortschritte bei Software zur Strukturanalyse ermöglichen es nun, gestützt auf den Grundsätzen der DDM das Verhalten gesamter komplexer Strukturen präzise zu berechnen. Doch es gab bisher keine Sicherheitsstandards, um zu bestimmen, ob eine Konstruktion den europäischen Sicherheitsanforderungen entspricht. Hier setzte das Projekt New GeneSS an. Für die Ausarbeitung des Sicherheitsleitfadens sammelte das Projektteam Daten über Edelstahlstrukturen, insbesondere zu Materialien, Dimensionen und geometrischen Eigenschaften. „Wir hatte mit Daten von Edelstahlproduzenten gerechnet, doch aufgrund der Pandemie mussten wir auf Daten aus früheren Studien zurückgreifen. Das zeigt, wie wichtig es ist, Daten zu speichern und weiterzugeben. Man weiß nie, wann sie nützlich sein könnten!“, merkt Arrayago an, die am Projektträger, der Polytechnischen Universität Katalonien, tätig ist. Die gesammelten Daten wurden in Computersimulationen eingespeist – Abaqus auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode –, welche das Risiko struktureller Mängel in unterschiedlichen Szenarien berechneten. Nachdem das Team ein genaues 3D-Modell verschiedener Strukturrahmen, die sich bezüglich Geometrien und Bereichen unterschieden, erstellt hatte, fügte es variierende Lasten hinzu. Anhand von Regulierungskennzahlen – mit Gleichungen zur Berücksichtigung verschiedener Strukturhöhen, Wetterbedingungen und geographischen Standorten (sowie weiteren Kriterien) – wurde das wahrscheinliche Verhalten der Struktur berechnet. „Wir wollten die Höchstlasten für die einzelnen Strukturen bestimmen, bei denen sie einstürzen, um so eine ‚Fehlerwahrscheinlichkeit‘ zu berechnen. Die Sicherheitsparameter wurden gesetzt, nachdem die Strukturen weniger belastbar und die Lasten deutlich erhöht wurden als tatsächlich der Fall wäre“, ergänzt Real. Insgesamt wurden 8 000 virtuelle Tests durchgeführt.
Vorteile in vielerlei Hinsicht
Durch den Projektbeitrag ist weniger Zeit erforderlich, um sichere, innovative und effizientere Edelstahlstrukturen zu konstruieren. „Nach unseren Analysen können mit dieser neuen Direct Design Method und unserem Leitfaden im Schnitt etwa 15 % der Materialkosten im Vergleich zu aktuellen Methoden eingespart werden. In einigen Fällen steigt dieser Wert auf bis zu 23 %“, berichtet Arrayago. So können diese Strukturen nicht nur günstiger und schneller errichtet werden. Durch den geringeren Materialbedarf werden hier die CO2-Emissionen reduziert, sodass die Strukturen auch umweltfreundlicher werden. Der Leitfaden für Fachkräfte im Bereich Ingenieurswesen und Architektur ist insbesondere auf europäische, amerikanische und australische Standards ausgerichtet und nun frei verfügbar. „Die DDM befindet sich noch in der Entwicklungsphase und wurde nicht in die Baukennzahlen für Edelstahlkonstruktionen eingefügt, doch unser Sicherheitsleitfaden ist einsatzbereit. Es laufen Initiativen, um die DDM in europäische Kennzahlen einzubinden und sie dem Bauwesen zur Verfügung zu stellen. Doch es bedarf weiterer Forschung zu anderen Materialien, um die Einheitlichkeit in allen europäischen Konstruktionsspezifikationen sicherzustellen“, sagt Real. Das Team weitet den Leitfaden für eine sichere DDM nun auf die Verarbeitung von regulärem Baustahl (nicht Edelstahl) aus. Darüber hinaus wird der systembasierte Konstruktionsansatz auf Strukturen außerhalb des Rahmens ausgeweitet, darunter Brücken.
Schlüsselbegriffe
New GeneSS, Edelstahl, Strukturanalyse, Direct Design Method, Sicherheit
