Stütze der Stahlhalle: wie sie bemessen wird, wie sie verankert wird und wo Fehler passieren

Die Stütze einer Stahlhalle versagt fast nie dadurch, dass der Stahl zerdrückt wird. Sie versagt, indem sie in einem Augenblick seitlich ausweicht — sie knickt — bei einer Kraft, die um ein Vielfaches kleiner ist als die, die derselbe Querschnitt tragen würde, wäre er kurz. Deshalb ist die Frage „welches Profil brauche ich“ falsch gestellt. Die richtige Frage lautet: Wie lang ist diese Stütze zwischen zwei Punkten, die sie halten? Dieser Text geht genau dem nach — und der Fußplatte darunter, den Ankern, die sie am Beton halten, und den Fehlern, die auf der Baustelle den Kran stoppen.

Warum die Stütze knickt, bevor sie bricht

Nehmen Sie einen IPE 400 aus S355. Die Querschnittsfläche beträgt 8.446 mm², auf die reine Streckgrenze gingen also fast 3.000 kN — rund dreihundert Tonnen. Stellen Sie ihn sieben Meter hoch senkrecht auf, ohne irgendetwas an der Seite, und sein Widerstand fällt auf rund 480 kN. Sie nutzen 16 % dessen, wofür Sie den Stahl bezahlt haben. Hängen Sie Wandpfetten alle 1,75 m an, und der Widerstand springt auf rund 2.540 kN — 85 %. Gleiches Profil, gleicher Stahl, gleiche Höhe.

Die Norm beschreibt den Mechanismus ohne Dramatik. Nach EN 1993-1-1, §6.3.1 — in Deutschland als DIN EN 1993-1-1 mit Nationalem Anhang, in Österreich als ÖNORM EN 1993-1-1, in der Schweiz nach SIA 263 — ist der Widerstand eines Druckstabs N_b,Rd = χ · A · f_y / γ_M1, wobei χ der Abminderungsfaktor ist, der vom bezogenen Schlankheitsgradλ̄ abhängt — dem Verhältnis von Knicklänge zu Trägheitsradius des Querschnitts, geteilt durch die Bezugsschlankheit λ₁ = 93,9 · √(235/f_y). Bei I-Profilen ist der Trägheitsradius um die schwache Achse deutlich kleiner als um die starke: Der IPE 400 hat i_y = 165,5 mm, aber i_z = 39,5 mm. Mehr als viermal weniger. Die Stütze knickt deshalb immer „zur Seite“, um die schwache Achse — es sei denn, jemand hält sie dort.

Aus dem Rechner folgt eine praktische Regel, die man sich merken sollte: Wandpfetten sind nicht nur der Träger für das Paneel. Sie sind ein konstruktives Element, das die Stütze hält und ohne das ein deutlich schwereres Profil nötig wäre. Wenn jemand im Angebot „spart“, indem er die Wandpfetten ausdünnt, wird die Ersparnis am Blech mit dem Stahl der Stütze bezahlt — nur sieht man das erst in der Statik, nicht im Angebot.

Gelenkig oder eingespannt: die Entscheidung, die das Fundament bezahlt

Der zweite große Einfluss auf das Stützenprofil ist das, was an ihrem Fuß passiert. Ein gelenkiger Fuß überträgt auf das Fundament nur Vertikal- und Horizontalkraft; ein eingespannter Fuß überträgt auch ein Moment. Die Einspannung verringert das Moment im Riegel und die Verformung an der Traufe und erlaubt einen leichteren Rahmen — aber dieses Moment muss irgendwohin, und es geht ins Fundament. Das Ergebnis ist ein größeres und tieferes Einzelfundament. Ein gelenkiger Fuß bedeutet ein günstigeres Fundament und teureren Stahl. Das ist der reale Kompromiss in jeder Halle — und im Angebot sieht der Bauherr ihn fast nie getrennt ausgewiesen.

Es lohnt sich auch zu wissen, dass „gelenkig“ in der Praxis kein Gelenk bedeutet. Ein Fuß mit vier Ankerschrauben und Fußplatte ist weder ein ideales Gelenk noch eine ideale Einspannung. Die europäische Planungspraxis (SCI/CTICM-Leitfäden für Portalrahmen) empfiehlt, einen solchen Fuß in der Gesamtberechnung mit etwa 10 % der Stützensteifigkeit beim Stabilitätsnachweis des Rahmens anzusetzen und mit 20 % bei der Verformungsberechnung. Das ist eine Modellannahme, keine Normvorgabe, und wird als solche in der Statik dokumentiert. Die Kriterien, wann ein Fuß überhaupt als steif gelten darf, gibt EN 1993-1-8, §5.2.2.5.

Außerdem: EN 1993-1-1 gibt keine Tabelle mit Knicklängenbeiwerten (die 0,5 / 0,7 / 1,0 / 2,0 aus dem Lehrbuch) für Rahmen an. Diese Beiwerte gelten für idealisierte Randbedingungen eines einzelnen Stabes, nicht für den Portalrahmen. Im Rahmen wird in der Ebene die Systemlänge der Stütze angesetzt, und die Stabilität des Ganzen wird über den Verzweigungslastfaktor α_cr nachgewiesen: Nach §5.2.1(3) dürfen Effekte nach Theorie II. Ordnung erst vernachlässigt werden, wenn α_cr ≥ 10 bei elastischer Berechnung bzw. ≥ 15 bei plastischer. Darunter wird nach Theorie II. Ordnung gerechnet.

Warum die Stütze meist kein IPE ist

Zwei Gründe, beide messbar. Der erste ist genau der Trägheitsradius: HEA- und HEB-Profile sind so breit wie hoch, ihr i_z liegt deshalb viel näher an i_y — ein HEB 300 hat 129,9 und 75,8 mm, ein IPE 400 dagegen 165,5 und 39,5 mm. Unter reinem Druck ohne seitliche Halterung ist der HEB deshalb weit effizienter.

Der zweite Grund ist subtiler und zeigt sich in der Knicklinie. Nach Tabelle 6.2 der Norm erhält ein gewalztes I-Profil mit h/b über 1,2 die Linie a um die starke und b um die schwache Achse; ein Profil mit h/b ≤ 1,2 — das sind die niedrigeren HE-Profile, etwa bis HEA/HEB 300 — bekommt b und c. (Höhere HE-Profile liegen wieder über der Grenze 1,2 und erhalten erneut a und b.) Scheinbar spricht das für den IPE, aber die entscheidende Zahl ist die Schlankheit, nicht die Linie: Das kleine i_zdes IPE treibt λ̄ so hoch, dass ihm auch die bessere Linie nicht hilft. Der Rechner oben zeigt das in einer Sekunde, wenn Sie bei sieben Metern ohne Halterung von IPE 400 auf HEB 300 umschalten.

Bei Portalrahmen, wo die Stütze neben Druck auch ein erhebliches Moment trägt, ändert sich das Bild: Dann werden Stütze und Riegel oft aus derselben Profilfamilie gewählt, und bei großen Spannweiten geht man zum geschweißten I-Träger mit veränderlicher Höhe — höher dort, wo das Moment am größten ist, niedriger am Fuß. Für große Höhen und Spannweiten ist die Fachwerkstütze die Alternative, die das Material effizient weit von der Achse verteilt. Welcher Ansatz günstiger ist, entscheidet nicht eine Regel, sondern die Berechnung — denn Schweißen und Montage verschieben die Kosten, die in der Stahlmasse gespart wurden.

Fußplatte: die Dicke folgt aus dem Beton darunter

Das ist der Teil, den sich die meisten falsch vorstellen. Die Fußplatte funktioniert nicht nach dem Prinzip „je breiter, desto besser verteilt sie“. Nach EN 1993-1-8, §6.2.5 wird die Platte als äquivalenter T-Stummel modelliert: Um den Stützenquerschnitt gibt es einen Streifen der Breite c, der den Druck tatsächlich in den Beton überträgt, und alles außerhalb dieses Streifens wird in der Berechnung vernachlässigt. Diese Breite folgt aus dem Gleichsetzen des Biegemoments eines Kragarms der Länge c mit dem plastischen Moment der Platte selbst:

Umgekehrt heißt das: Eine dickere Platte ergibt einen breiteren tragenden Streifen, eine breitere Platte bringt nichts. Und zweitens, für den Bauherrn vielleicht wichtiger: Im Nenner steht f_jd, die Bemessungsfestigkeit der Fuge, die direkt von der Betonfestigkeitsklasse des Fundaments abhängt. Schwächerer Beton verlangt eine dickere Stahlplatte. Die Ersparnis bei der Betonklasse kommt als Stahlkosten zurück — und Platten von 25 oder 30 mm sind weder beim Schneiden noch beim Bohren billig.

Dazu kommt der Vergussmörtel, der auf der Baustelle als Kosmetik behandelt wird, in der Berechnung aber ein tragendes Element ist. Der Fugenbeiwert β_j = 2/3 aus §6.2.5(7) darf nur angesetzt werden, wenn der Mörtel mindestens 0,2 × die Festigkeit des Fundamentbetons hat und die Schicht nicht dicker ist als 0,2 × die kleinste Breite der Fußplatte. Überschreitet die Vergussdicke 50 mm, muss der Mörtel mindestens die Festigkeit des Fundamentbetons erreichen. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, wird der Verguss gesondert nachgewiesen, ebenso wie der Betonblock. Ein nicht oder nur teilweise ausgeführter Verguss bedeutet, dass die Stütze auf einigen Punkten steht statt auf verteiltem Druck — und das ist nicht das, was der Tragwerksplaner gerechnet hat.

Anker: eine eigene Welt neben dem Rest des Tragwerks

Kaum jemand weiß, dass die Verankerung nicht von der CE-Kennzeichnung des Stahltragwerks erfasst ist. Die Norm EN 1090-1, nach der das Tragwerk CE-gekennzeichnet wird, schließt Ankerschrauben, Ankerplatten und einbetonierte Teile ausdrücklich aus ihrem Anwendungsbereich aus. EN 1090-2 regelt ihren Einbau und ihre Toleranzen — nicht aber ihre Bemessung. Die Bemessung von Befestigungen im Beton deckt eine eigene Norm ab, EN 1992-4:2018, die die frühere Reihe technischer Spezifikationen zusammengeführt hat und einbetonierte Anker, Ankerschienen sowie nachträglich gesetzte mechanische und chemische Dübel abdeckt, einschließlich Ermüdung, Erdbeben und Brand. Die praktische Folge: Wenn Sie Unterlagen verlangen, sind das Zertifikat des Tragwerks und der Nachweis der Verankerung zwei getrennte Papiere. Was das Zertifikat des Tragwerks abdeckt, steht im Artikel über die EXC-Klassen.

Warum werden nachträglich gebohrte Anker an Hallen vermieden, obwohl sie schneller sind? Das ist keine Frage der Norm, sondern der Physik des Modells. Das Bohren ins Einzelfundament durchtrennt die Bewehrung genau in der Zugzone, die beim eingespannten Fuß am stärksten beansprucht ist. Ein nachträglich gesetzter Anker trägt über Verbund oder Reibung, deshalb ist oft der Betonausbruch maßgebend und nicht der Stahl der Schraube — und zwar bei kleinen Randabständen, wie sie am Fundamentrand nun einmal vorliegen. Der Fundamentbeton ist im Gebrauchszustand gerissen, und die Tragfähigkeiten im gerissenen Beton sind deutlich niedriger und verlangen einen Anker mit entsprechender Zulassung. Und schließlich: Ein einbetonierter Anker mit Platte oder Haken hat eine mechanische Verankerung, während ein Verbundanker davon abhängt, wie sauber das Bohrloch auf der Baustelle gereinigt wurde, bei welcher Temperatur und wie lange er bis zur Belastung ausgehärtet ist.

Toleranzen: drei Millimeter oder zehn — und warum das eine Planungsentscheidung ist

Die Ankertoleranz ist nicht eine Zahl, sondern zwei, und der Unterschied zwischen ihnen ist eine Planungsentscheidung, die Monate getroffen wird, bevor jemand auf die Baustelle geht. EN 1090-2, Tabelle B.23 unterscheidet den fest einbetonierten Anker ohne Verstellmöglichkeit, für den eine Lageabweichung von ±3 mm zulässig ist, und den justierbaren Anker — in Hülse oder Aussparung — mit zulässigen ±10 mm. Der dreifache Unterschied, und das ist der einzige Grund, weshalb Anker überhaupt in Hülsen gesetzt werden.

Neben der Lage toleriert dieselbe Tabelle gesondert die Lage des Schwerpunkts der Ankergruppe (6 mm) — der Stütze ist egal, wo die einzelne Schraube sitzt, entscheidend ist die Gruppe als Ganzes — sowie den Überstand der Schraube, bei dem die Abweichung nach oben großzügig ist (+25 bzw. +45 mm) und nach unten fast null (−5 mm): Eine zu kurze Schraube lässt sich nicht reparieren. Die Höhenlage des Fundaments wird unsymmetrisch toleriert, −15 mm nach unten, aber nur +5 mm nach oben, weil ein Fehlbetrag mit Verguss ausgeglichen wird, ein Überstand aber Abstemmen bedeutet.

Ein Detail, das veraltete Unterlagen verrät: In der Ausgabe 2008 der Norm standen die Montagetoleranzen in Anhang D, weshalb ältere Leistungsverzeichnisse „D.2.20“ zitieren. In der Ausgabe 2018 sind sie in Anhang B gewandert. Sehen Sie in einem Angebot einen Verweis auf Anhang D, lesen Sie einen Text, der aus einem über zehn Jahre alten Leitfaden abgeschrieben wurde.

Für die Stütze selbst ist nach der Montage die Schiefstellung maßgebend. Für eine gewöhnliche Stütze einer eingeschossigen Halle beträgt die Grundtoleranz h/300 — auf sieben Metern sind das rund 23 mm. Für eine Stütze, die eine Kranbahn trägt, gilt h/1000, also sieben Millimeter auf derselben Höhe. Derselbe Betrieb, dieselbe Kolonne, ein mehr als dreimal strengeres Maß. (Die Norm toleriert daneben gesondert die mittlere Schiefstellung aller Stützen desselben Rahmens, strenger als die einzelne — der Rahmen als Ganzes muss lotrecht stehen, auch wenn die einzelne Stütze mehr abweichen darf.)

„Den Kran rüsten wir später nach“ — der teuerste Satz im Projekt

Ein Brückenkran verändert die Stütze auf drei Arten zugleich. Erstens bringt er Seiten- und Längskräfte aus Beschleunigen und Bremsen ein, mit dynamischen Beiwerten — diese Einwirkungen regelt eine eigene Norm, EN 1991-3. Zweitens wird die Belastung wiederholt, das Tragwerk ist also auch auf Ermüdung nachzuweisen, nach EN 1993-1-9, und Kranbahnen haben ihre eigene Norm, EN 1993-6. Drittens fällt die Toleranz der Stützenschiefstellung von h/300 auf h/1000.

Deshalb ist das nachträgliche Einbauen einer Kranbahn in eine bestehende Halle fast nie „nur ein Träger, den man aufhängt“. Die Berechnung der Stütze ändert sich, oft auch das Fundament, und das Tragwerk rutscht in eine strengere Ausführungsklasse. Wenn Sie auch nur im Entferntesten an einen Kran denken, ist es günstiger, das dem Planer am Anfang zu sagen, als die Halle später zu verstärken.

Der Stützenfuß ist die kritischste Stelle für Korrosion

Es gibt die verbreitete Annahme, das Innere einer Halle sei milder als das Äußere. Nicht unbedingt. EN ISO 12944-2 ordnet die Umgebung nach Korrosivitätskategorien ein, und nach dieser Einteilung ist ein unbeheiztes Lager, in dem Kondensation auftritt, C2, ein Produktionsbetrieb mit Feuchte — Molkerei, Wäscherei, Lebensmittelindustrie — C3. Ein Schwimmbad oder Chemiebetrieb ist C4, ein Raum mit nahezu ständiger Kondensation und hoher Verunreinigung C5. Im Freien ist der ländliche Raum C2, das Industriegebiet C3. Mit anderen Worten: Das Innere einer Halle trägt nicht selten eine strengere Kategorie als ihr Äußeres — und das Beschichtungssystem wird nach der Kategorie gewählt.

Innerhalb davon ist der Stützenfuß der exponierteste Punkt. EN ISO 12944-3, die sich mit der korrosionsschutzgerechten Gestaltung befasst, verlangt im Abschnitt über Spalten ausdrücklich besondere Aufmerksamkeit an Übergängen von Beton auf Stahl: Enge Spalten halten Feuchte und Schmutz und sind der typische Angriffsort, deshalb werden sie abgedichtet. Dazu kommt die Forderung, Flächen zu vermeiden, auf denen Wasser steht, und Wasser vom Tragwerk wegzuführen — genau das, was auch die Regel zum Profil des Vergusses verlangt.

Zum Vergleich der Dauerhaftigkeit: Ein Feuerzinküberzug mit rund 85 µm mittlerer Dicke (so viel verlangt EN ISO 1461 für Stahl über 6 mm) hält in C2 und C3 Jahrzehnte, nach den Korrosionsraten von Zink aus EN ISO 14713-1 fällt die Dauer aber in C4 auf 20 bis 40 Jahre und in C5 auf 10 bis 20. In einem feuchten Betrieb ist die Verzinkung allein also keine „Lösung fürs Leben“, sondern der Anfang eines Beschichtungssystems, nicht sein Ende.

Die Stütze ist der bescheidenste Teil der Halle: Man sieht sie nicht, man verkauft sie nicht, und niemand rühmt sich ihrer. Aber fast alle Entscheidungen, die an ihr getroffen werden — wie sie gehalten wird, wie sie auf dem Fundament steht und wie sie am Fuß geschützt ist — zeigen sich erst nach zehn oder zwanzig Jahren, und dann lassen sie sich nicht mehr günstig korrigieren. Mehr zu Ausführungsklassen und den Unterlagen, die Sie verlangen dürfen, steht im Artikel über EN 1090-2; die Ankertoleranzen aus Tabelle B.23 sind nur ein Glied der Kette — wie sich alle Abweichungen bis zur Hülle addieren, steht im Artikel über Montagetoleranzen, und den ganzen Weg von der Anfrage bis zur Nutzungsgenehmigung in Kroatien im Leitfaden für Stahlhallen in Kroatien.

Wir fertigen Stahlkonstruktionen und Fertighallen in eigener Produktion in Đakovo (Kroatien) und montieren in Kroatien mit eigenen Teams; im Ausland nach Absprache, Transport projektbezogen. Wenn Sie Abmessungen, Nutzung und die Angabe haben, ob ein Kran in die Halle kommt, können wir davon ausgehen: Anfrage mit Abmessungen · Liefergebiete.