Einfeld- vs. Mehrfeld-Konstruktion: Ein vollständiger Leitfaden
In der modernen Architektur Stahlbau Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften – hohe Festigkeit, geringes Gewicht, gute Erdbebensicherheit, kurze Bauzeit und große Gestaltungsflexibilität – werden sie immer häufiger eingesetzt und sind zur bevorzugten Bauform für viele große Fabriken, Lagerhallen und andere Gebäude geworden.
Unter den verschiedenen Arten von Stahlkonstruktionen sind Einfeld- und Mehrfeldkonstruktionen aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsszenarien zwei sehr verbreitete Formen. In der Praxis ist die Wahl zwischen Einfeld- und Mehrfeldkonstruktionen für viele Kunden ein zentrales Anliegen. Diese Wahl wirkt sich nicht nur direkt auf die Gebäudestruktur aus, sondern auch auf das Kransystem und die langfristigen Betriebskosten.
Was ist eine „Spanne“?
In StahlkonstruktionsgebäudeDie Spannweite bezeichnet den Abstand zwischen den Mittelpunkten tragender Strukturen (z. B. Stützen) an beiden Enden eines Stahlbauteils und wird üblicherweise in Metern gemessen. Die Spannweite ist ein zentraler Indikator zur Messung der räumlichen Verteilung von Stahlkonstruktionen. Sie bestimmt die Tragfähigkeit und die strukturelle Stabilität von Bauteilen. Beispielsweise entsprechen 7 Spannweiten 8 tragenden Strukturen und 5 Spannweiten 6 tragenden Strukturen.
In der Praxis werden Spannweiten in zwei Kategorien unterteilt: normale Spannweiten und große SpannweitenDie übliche Spannweite beträgt 6–30 Meter und ist für normale Industrieanlagen geeignet. Spannweiten über 30 Meter werden als Großspannweitenkonstruktionen klassifiziert, die üblicherweise bei Sonderprojekten oder großen öffentlichen Einrichtungen zum Einsatz kommen.
Was sind Einfeld- und Mehrfeldkonstruktionen?
Einfeldkonstruktion: Ein einfaches Raumtragwerk
Ein einfeldriges Stahlgebäude ist eine einfache und effiziente Stahlkonstruktion. Die Grundstruktur ist relativ einfach und besteht im Wesentlichen aus zwei Stützen und einem Träger. Diese beiden Stützen tragen die vertikalen Lasten des oberen Trägers und der gesamten Konstruktion. Der Träger spannt sich zwischen den beiden Stützen, trägt verschiedene Lasten vom Dach und überträgt diese auf die Stützen.
Einfeldrahmen können einen offenen, stützenfreien Raum ohne innere Stütze schaffen. Diese großzügige Raumaufteilung bietet große Flexibilität für die funktionale Nutzung des Gebäudes. In einigen KirchengebäudeMit einfeldrigen, starren Rahmen lassen sich hohe, heilige Innenräume schaffen, in denen Gläubige in geräumiger Umgebung religiösen Aktivitäten nachgehen und eine feierliche Atmosphäre spüren können. Bei der Gestaltung von Bürogebäuden können solche stützenfreien Räume flexibel an unterschiedliche Büroanforderungen angepasst werden. Dies erleichtert die Einrichtung offener Arbeitsbereiche, Besprechungsräume usw. und erfüllt so die Anforderungen moderner Büros an räumliche Flexibilität und Offenheit.
Darüber hinaus ist die Konstruktion von Einfeldträgern relativ einfach. Mit weniger Komponenten ist der Installationsprozess relativ schnell, was die Bauzeit effektiv verkürzt und die Baukosten senkt. Daher werden sie häufig bei Projekten eingesetzt, die eine schnelle Bauzeit erfordern, wie z. B. temporäre Gebäude und schnell errichtete Gewerbeanlagen.
Mehrfeldtragwerk: Kombinierte Raumerweiterung
A mehrfeldriges Stahlgebäude entsteht durch die Verbindung und Kombination mehrerer einfeldriger Rahmen, die gemeinsam einen größeren Gebäuderaum bilden. Die strukturelle Besonderheit liegt in der Verbindung von Trägern mehrerer Spannweiten durch interne Stützsäulen, wodurch ein durchgehendes Struktursystem entsteht. Diese Stützsäulen stützen nicht nur die Träger, sondern erhöhen auch die Stabilität und Tragfähigkeit der gesamten Struktur. Dadurch können mehrfeldrige Rahmen den Anforderungen größerer Gebäude gerecht werden.
Die inneren Stützsäulen von Mehrfeld-Rahmen erhöhen die strukturelle Festigkeit und ermöglichen so eine höhere Tragfähigkeit. In einigen großen Industriegebäude, müssen oft schwere Maschinen platziert werden, die erhebliche vertikale Belastungen und Vibrationen erzeugen. Dank seines robusten Struktursystems kann der Mehrfeld-Starrrahmen diese Lasten effektiv auf das Fundament übertragen und so die sichere Nutzung der Fabrik gewährleisten. Gleichzeitig können Mehrfeld-Starrrahmen durch die richtige Anordnung der Stützpfeiler die effektive Nutzfläche des Gebäudes erweitern und die Raumausnutzung verbessern. Bei der Planung großer Lagerhallen können Mehrfeld-Starrrahmen je nach Bedarf der Warenlagerung und des Warentransports flexibel in verschiedene Funktionsbereiche (wie Lagerbereiche, Sortierbereiche und Durchgänge) unterteilt werden, was eine effiziente Raumnutzung ermöglicht.
Darüber hinaus bieten starre Rahmen mit mehreren Spannweiten auch gewisse Vorteile bei der Architekturmodellierung. Durch die Gestaltung unterschiedlicher Spannweitenkombinationen und Dachformen können sie eine Vielzahl architektonischer Erscheinungsbilder schaffen, die den Anforderungen verschiedener Architekturstile gerecht werden.
Unterschiede und Zusammenhänge zwischen Einfeld- und Mehrfeldkonstruktionen
Einfeld- und Mehrfeldkonstruktionen unterscheiden sich in mehreren Punkten deutlich. Einfeldkonstruktionen sind strukturell einfach und weisen nur eine Spannweite ohne Stützpfeiler auf. Mehrfeldkonstruktionen hingegen bestehen aus mehreren Spannweiten mit Stützpfeilern, was ihre Struktur relativ komplex macht. Einfeldkonstruktionen basieren hauptsächlich auf Stützen an beiden Enden, um die Balken und Dachlasten zu tragen, was zu einem relativ einfachen Tragsystem führt. Bei Mehrfeldkonstruktionen spielen neben den Stützen an beiden Enden auch die Zwischenstützen eine wichtige Rolle und bilden ein komplexeres und stabileres Tragsystem.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen beiden Bauweisen besteht in der Innenraumaufteilung. Einfeldrige Bauweisen haben keine inneren Stützen, sodass ihr Innenraum offen und durchgängig ist. Dadurch eignen sie sich für Gebäude, die große Flächen und eine hohe Flexibilität bei der Raumaufteilung erfordern. Mehrfeldrige Bauweisen verfügen zwar über innere Stützen, können aber durch eine sinnvolle Anordnung der Stützenraster und Raumplanung mehrere relativ unabhängige, aber dennoch miteinander verbundene Räume bilden. Dadurch eignen sie sich für Gebäude, die verschiedene Funktionsbereiche unterteilen müssen, wie beispielsweise große Fabriken und Lagerhallen.
Einfeld- und Mehrfeldkonstruktionen haben jedoch auch viele Gemeinsamkeiten. Bei der Materialauswahl wird in beiden Fällen Stahl als Hauptkonstruktionsmaterial verwendet. Stahl bietet Vorteile wie hohe Festigkeit, geringes Gewicht sowie gute Plastizität und Zähigkeit und erfüllt damit die Anforderungen an starre Rahmenkonstruktionen hinsichtlich Tragfähigkeit und Verformungsvermögen. Hinsichtlich der Konstruktionsspezifikationen müssen beide den Grundprinzipien und relevanten Normen der Stahlkonstruktionskonstruktion entsprechen, wie z. B. Code für die Konstruktion von Stahlkonstruktionen (GB 50017-2017). Diese Spezifikationen und Normen legen die Konstruktions-, Berechnungs- und Strukturanforderungen der Struktur klar fest und gewährleisten die Sicherheit und Zuverlässigkeit beider Strukturformen.
Darüber hinaus weisen sie Ähnlichkeiten in der Bauweise auf. Die Komponenten werden zunächst im Werk verarbeitet und hergestellt und anschließend zur Montage auf die Baustelle transportiert. Diese Methode verbessert nicht nur die Baueffizienz, sondern gewährleistet auch die Verarbeitungsgenauigkeit und Qualität der Komponenten. In Bezug auf die Wartung erfordern beide regelmäßige Inspektionen und Wartungen, um Rost und Korrosion des Stahls zu verhindern und so die Lebensdauer der Struktur zu gewährleisten.
Wie wählt man ein- oder mehrfeldrige Ausführungen?
Funktionale Anforderungen
Wenn ein Gebäude einen offenen, ungehinderten Großraum benötigt, sind einfeldrige Stahlkonstruktionen die erste Wahl. Stadien sind ein typisches Anwendungsszenario für einfeldrige Stahlkonstruktionen. Große Sportveranstaltungen benötigen einen offenen Raum, der eine große Anzahl von Zuschauern und Sportlern aufnehmen kann, und einfeldrige Stahlkonstruktionen können diesen Bedarf problemlos decken. Beispielsweise wird für ein großes Stadion eine einfeldrige Stahlkonstruktion mit offenem Innenraum und Zuschauerplätzen rund um das Wettkampffeld verwendet. Ob Ballspiele wie Basketball und Fußball oder Veranstaltungen wie Turnen und Leichtathletik – ein solches Stadion bietet Sportlern und Zuschauern ein tolles Erlebnis.
Wenn ein Gebäude aufgrund unterschiedlicher funktionaler Anforderungen in mehrere Bereiche unterteilt werden muss, spielen mehrfeldrige Stahlkonstruktionen ihre Vorteile aus. Großflächige Fabriken umfassen in der Regel mehrere Funktionsbereiche wie Produktionsbereiche, Lagerbereiche und Büroflächen. Mehrfeldrige Stahlkonstruktionen können diese Funktionsbereiche durch die richtige Anordnung der internen Stützpfeiler voneinander trennen und gleichzeitig die Verbindung zwischen den Bereichen aufrechterhalten, um reibungslose Produktionsprozesse zu gewährleisten.
Standortbedingte Einschränkungen
Standortbedingungen wie Standortform, Fläche und Umgebung wirken sich alle auf die Eignung der beiden Strukturtypen aus.
Bei unregelmäßigen Geländeformen oder schmalen Flächen können einfeldrige Stahlkonstruktionen flexibel an die jeweilige Geländeform angepasst werden. Dank ihrer einfachen Struktur können sie auch auf begrenztem Raum errichtet werden und erfüllen so die funktionalen Anforderungen.
Bei großen und regelmäßigen Geländeformen können mehrfeldrige Stahlkonstruktionen ihren Vorteil der hohen Raumausnutzung besser ausspielen. In großen Industrieparks sind die Gelände in der Regel groß und regelmäßig geformt. Mehrfeldrige Stahlkonstruktionen können den Platz auf dem Gelände durch eine sinnvolle Anordnung der Stützenraster optimal nutzen, um große Fabriken oder Lagerhallen zu bauen.
Auch die Umgebung beeinflusst die Auswahl der Stahlkonstruktionstypen. Hohe Gebäude oder andere Hindernisse in der Umgebung können die Beleuchtung und Belüftung von einfeldrigen Stahlkonstruktionen beeinträchtigen. In solchen Fällen können mehrfeldrige Stahlkonstruktionen Beleuchtungs- und Belüftungsprobleme durch die richtige Anordnung der inneren Stützsäulen und Beleuchtungs-/Lüftungseinrichtungen besser lösen.
Kosten-Nutzen-Kompromiss
Das Kosten-Nutzen-Verhältnis spielt bei der Wahl zwischen ein- und mehrfeldrigen Stahlkonstruktionen eine entscheidende Rolle. Jeder Aspekt – von den Material- und Baukosten bis hin zu den Wartungskosten – erfordert eine detaillierte Analyse und Abwägung, um den wirtschaftlichen Nutzen des Projekts zu maximieren.
Materialkosten
Was die Materialkosten betrifft, erfordern einfeldrige Stahlkonstruktionen in der Regel höhere Stahlspezifikationen und Festigkeiten, um größere Spannweitenlasten zu tragen, was die Materialkosten erhöhen kann. Insbesondere bei großen Spannweiten müssen bei einfeldrigen Stahlkonstruktionen Stahlträger mit größerem Querschnitt und stärkere Säulen verwendet werden, um die strukturelle Stabilität zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu verteilen mehrfeldrige Stahlkonstruktionen die Lasten über interne Stützsäulen, sodass die Tragfähigkeitsanforderungen an die einzelnen Komponenten relativ geringer sind. Sie können Stahl mit geringeren Spezifikationen verwenden, was die Materialkosten bis zu einem gewissen Grad senkt. In einer Fabrik für mehrfeldrige Stahlkonstruktionen ist jede Spannweite relativ klein und die Belastungen auf Säulen und Träger sind entsprechend reduziert. Daher können wirtschaftlichere Stahlspezifikationen gewählt werden, was die Gesamtkosten für die Materialbeschaffung senkt.
Baukosten
Auch die Baukosten spielen bei der Auswahl eine wichtige Rolle. Einfeldrige Stahlkonstruktionen sind relativ einfach zu bauen, erfordern weniger Komponenten und sind schneller zu montieren. Dies kann die Bauzeit effektiv verkürzen und die Arbeits- und Maschinenkosten während der Bauphase senken. Bei Projekten, die eine schnelle Errichtung erfordern – wie z. B. temporäre Gebäude oder Einrichtungen zur Katastrophenhilfe –, kommen die konstruktiven Vorteile einfeldriger Stahlkonstruktionen besonders zum Tragen.
Mehrfeld-Stahlkonstruktionen sind jedoch relativ komplex. Ihre Konstruktion erfordert mehr Mess-, Positionierungs- und Verbindungsarbeiten, was zu höheren Konstruktionsschwierigkeiten und potenziell längeren Bauzeiten führt, was wiederum die Baukosten erhöht. Beim Bau eines großen mehrfeldrigen Stahlkonstruktionslagers ist es notwendig, Stahlträger und -stützen mit mehreren Spannweiten präzise zu installieren und feste und zuverlässige Verbindungen zwischen ihnen sicherzustellen. Dies erfordert mehr Bauzeit und professionelle Techniker, was zu höheren Baukosten führt.
Instandhaltungskosten
Auch die Wartungskosten müssen berücksichtigt werden. Einfeldrige Stahlkonstruktionen haben eine einfache Struktur, was die Wartungsarbeiten relativ einfach macht. Der Inspektions- und Reparaturaufwand ist gering, und die Wartungskosten sind relativ niedrig. Im Gegensatz dazu haben mehrfeldrige Stahlkonstruktionen mehr interne Stützsäulen und eine komplexere Struktur, was die Wartungsarbeiten relativ aufwändig macht. Sie erfordern mehr Personal und Material, sodass die Wartungskosten höher sein können.
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Auswahl für Lagerhallen mit großer Spannweite: Einfeld oder Mehrfeld?
Merkmale und Anforderungen an Großraumlager
Ein Großraumlager ist in der Regel ein Lagergebäude mit einer Spannweite von 30 Metern oder mehr. Sein herausragendstes Merkmal ist der große Innenraum, der die Lagerung großer Frachtmengen und eine effiziente Handhabung ermöglicht.
Bei der Lagerung von Gütern müssen Lagerhallen mit großer Spannweite den Stapelanforderungen verschiedener Warenarten gerecht werden. Sperrige Gegenstände wie große Maschinen und Baumaterialien benötigen offene Stapelflächen, um die Ein- und Auslagerung zu erleichtern. Für kleine Gegenstände, die klassifiziert gelagert werden müssen, benötigen Lagerhallen zudem eine flexible Raumaufteilung, um verschiedene Lagerbereiche einzurichten.
Der Güterumschlag ist eine weitere wichtige Aktivität in Großraumlagern. Um die Effizienz des Umschlags zu verbessern, werden in der Regel große Flurförderzeuge wie Gabelstapler und Stapler eingesetzt. Diese Geräte benötigen ausreichend Platz, um die Güter frei bewegen, wenden, be- und entladen zu können. Gleichzeitig müssen Lagerhallen mit angemessenen Durchgängen ausgestattet sein, um einen reibungslosen Güterumschlag zu gewährleisten und Staus oder Ladungskollisionen zu vermeiden.
Vorteile und Einschränkungen von Einfeldkonstruktionen in Großfeldlagern
In Großraumlagern liegt der größte Vorteil von Einfeld-Stahlkonstruktionen in ihrem stützenfreien Freiraum. Dies ermöglicht eine großflächige, zentralisierte Stapelung von Waren und verbessert die Lagerraumnutzung. Für große Handhabungsgeräte bietet der stützenfreie Raum von Einfeldlagern einen großen Arbeitsbereich und ermöglicht so einen effizienteren Güterumschlag. Gabelstapler können sich im Lager frei bewegen, um Waren schnell an bestimmte Standorte zu transportieren, was die Handhabungseffizienz deutlich verbessert.
Allerdings stoßen einfeldrige Stahlkonstruktionen bei Lageranwendungen mit großer Spannweite auch an ihre Grenzen. Bei zu großen Spannweiten werden extrem hohe Anforderungen an Material und Konstruktion gestellt. Um größere Spannweitenlasten tragen zu können, ist hochfester Stahl mit hoher Spezifikation erforderlich. Dies erhöht nicht nur die Materialkosten, sondern stellt auch höhere Anforderungen an die Stahlversorgung und -verarbeitung.
Anwendungsüberlegungen zu Mehrfeldkonstruktionen in Großfeldlagern
Bei Lageranwendungen mit großer Spannweite können mehrfeldrige Stahlkonstruktionen durch die richtige Anordnung der inneren Stützsäulen die Lasten effektiv verteilen. Dies reduziert den Tragdruck auf einzelne Komponenten, ermöglicht die Verwendung von Stahl mit geringerer Spezifikation und senkt die Materialkosten.
Mehrfeldkonstruktionen erhöhen zudem die Flexibilität der Lagerfläche. Durch die Kombination verschiedener Spannweiten und die Anordnung der Stützenraster kann das Lager in verschiedene Funktionsbereiche wie Lagerbereiche, Sortierbereiche und Durchgänge unterteilt werden, um den Anforderungen der Lagerung und Handhabung unterschiedlicher Warenarten gerecht zu werden.
Dennoch weisen mehrfeldrige Stahlkonstruktionen in Lagerhallen mit großer Spannweite einige Nachteile auf. Das Vorhandensein von Stützsäulen im Inneren kann den reibungslosen Güterumschlag beeinträchtigen. Beim Einsatz großer Handhabungsgeräte muss besonders darauf geachtet werden, Kollisionen zwischen Geräten und Säulen zu vermeiden, da dies die Handhabungseffizienz beeinträchtigen und den Betrieb erschweren kann.
Darüber hinaus sind die Planung und der Bau mehrfeldriger Stahlkonstruktionen relativ komplex. Während der Entwurfsphase sind detaillierte mechanische Analysen und Berechnungen erforderlich, um die strukturelle Sicherheit und Rationalität zu gewährleisten. Während der Bauphase müssen Stützen und Träger mit hoher Präzision installiert werden, um die strukturelle Qualität und Genauigkeit zu gewährleisten. Dies erhöht die Kosten und den Zeitaufwand für Planung und Bau.
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