Vergleich und Analyse von Wohnhäusern in Leichtbauweise aus Stahl

Vergleich und Analyse von Wohnhäusern in Leichtbauweise aus Stahl

Zusammenfassung: Wohngebäude in Leichtbauweise aus Stahl zeichnen sich durch ihre Umweltfreundlichkeit, ihre Energieeffizienz und ihren Umweltschutz aus. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an kaltgeformten Stahlkonstruktionen in allen Bereichen des Hochbaus gestiegen, und in vielen Industrieländern gab es bedeutende Entwicklungen im Bereich kaltgeformter Baukonstruktionen. In einigen Entwicklungsländern hingegen stehen Wohngebäude in Leichtbauweise aus Stahl noch ganz am Anfang. In dieser Arbeit stellen wir einige Eigenschaften von Wohngebäuden in Leichtbauweise aus Stahl und den aktuellen Forschungsstand vor. Auf dieser Grundlage analysieren und untersuchen wir Wohngebäude in Leichtbauweise aus Stahl in Nordamerika, Japan und Europa im Detail und erläutern einige ihrer Besonderheiten. Anschließend werden die besonderen Bedingungen, der Entwicklungsstand und die Eigenschaften von Wohngebäuden in Leichtbauweise aus Stahl in China vorgestellt, darunter einige traditionelle Wohnkonzepte und Wohngebäude mit intensiver Stahlbauweise. Auf Grundlage der obigen Untersuchungen werden einige Vorschläge und Gegenmaßnahmen unterbreitet. Wir sind davon überzeugt, dass dies für die Förderung der Industrialisierung des chinesischen Wohnungsbaus von Bedeutung und hilfreich ist.

Schlüsselwörter - Leichtbaustahlkonstruktion; Komponente; Wohngebäude; kaltgeformte Konstruktion; niedrige Mehrschichtkonstruktion

I. EINLEITUNG

Mit der Entwicklung der Bauindustrie sind Veränderungen bei Bausystemen und Baumaterialien zum aktuellen Trend im Wohnbau geworden. In den letzten Jahren haben die Menschen aufgrund der kontinuierlichen Verbesserung ihres Lebensstandards höhere Ansprüche an Wohnraum, Stabilität usw., insbesondere bei niedrigen Wohngebäuden. Es besteht dringender Bedarf an Forschung, Entwicklung und Förderung von ansprechendem Design, hervorragender Statik, Komfort, Baugeschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit und einem vernünftigen Wohnbausystem, um die bestehende Architektur zu ersetzen.

Leichtstahlhäuser basieren auf kostengünstigen Stahlelementen als tragendes Skelett, Druckplatten oder Blechen als leichte Wandhülle und hochfesten Schrauben und anderen Verbindungs- und Dichtungsmaterialien als tragende Komponenten. Die Gebäudehülle ist ein vor Ort montiertes Fertighaus [1]. Das Hauptbaumaterial für Leichtstahlhäuser ist offensichtlich verzinkter Leichtstahlkiel als Hauptstrukturkomponente. Die wichtigsten Vorteile dieses Materials sind die guten Wohneigenschaften und die geringe Bauweise, der hohe Vorfertigungsgrad, die schnelle Bauzeit und der geringe Arbeitsaufwand [2,3]. Leichtstahlhäuser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Häusern folgende Vorteile: stabile Struktur, geringe Kosten, größere Spannweite als bei Betongebäuden, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, lange Haltbarkeit und lange Lebensdauer von verzinktem Stahl. Leichtstahlhäuser befinden sich in China jedoch noch in der Entwicklungsphase. Es gibt noch einige ernste Probleme im Wohnungsbau, die weiterer Untersuchungen bedürfen. Zu diesem Zweck analysiert und vergleicht dieses Dokument Leichtstahlhäuser und stellt die Merkmale ausländischer und inländischer Leichtstahlhäuser vor. Außerdem geben wir einige sinnvolle Vorschläge.

Die Arbeit ist wie folgt gegliedert. Abschnitt 2 beschreibt die Merkmale von Leichtstahlhäusern im Ausland. Abschnitt 3 beschreibt die aktuelle Entwicklung von Leichtstahlhäusern in China und die Merkmale von Stahlwohnhäusern. Der letzte Abschnitt enthält eine Schlussfolgerung.

II. LEICHTSTAHLHAUS IM AUSLAND

A. Nordamerikanische Leichtbau-Stahlhäuser Nordamerikanische Leichtbau-Stahlhäuser bestehen aus Holzkonstruktionen mit den typischen Leichtbaueigenschaften. Sie machen 20 % des nordamerikanischen Wohnungsmarktes aus [4]. Das Gebäudeskelett besteht hauptsächlich aus kaltgeformten C-förmigen Stahlkielsystemen und ist in der Regel ein- bis zweistöckige Villen, die in den erdbebengefährdeten Regionen Kaliforniens und anderer Regionen gebaut werden. Abbildung 1 zeigt einige nordamerikanische Leichtbau-Stahlhäuser.

Tatsächlich ist dieses leichte Stahlsystem in Nordamerika sehr ausgereift. Mittlerweile können mehrstöckige Wohngebäude mit dieser Technik aus fünf bis sechs Schichten gebaut werden. Erwähnenswert ist, dass sich die Forschung in den USA am stärksten auf kaltgeformte Stahlkonstruktionen konzentriert. Die Gründe dafür sind die Expansion der Zulieferindustrie, insbesondere im Bereich Einfamilienhäuser, und die steigenden Holzpreise. Dadurch werden Stahlskeletthäuser immer wirtschaftlicher[5]. Pekoz [6] gibt an, dass 1992 in den USA etwa 500 Häuser aus Leichtstahl gebaut wurden. Diese Zahl stieg 1993 auf 15.000 und 1994 auf 75.000. Bis 2002 wird eine weitere Verfünffachung erwartet. Die wichtigsten Rahmenelemente für diese Bauart sind kaltgeformte Wandständer und Bodenbalken aus Stahl. Auch Dachbinder oder Sparren aus Leichtstahl werden verwendet. Derzeit haben die Vereinigten Staaten ein derartiges Kielsystem für einhundert Unternehmen produziert. Ein bekanntes Unternehmen darunter ist die Dietrich Company, eine Tochtergesellschaft der Worthington Industrial Company. Sie entwickelte das DBS-System für den Bau mehrstöckiger leichter Stahlhäuser [4]. Mithilfe der DBS-Technologie lassen sich mehrstöckige Wohngebäude in leichter Stahlkonstruktion bauen. Die Wände bestehen auf beiden Seiten aus C-Profil-Gipskartonplatten und der Boden aus einem C-förmigen Leichtstahlkiel, der aus 20 mm dicken Faserzementplatten besteht und mit einem Isolierabstandshalter aus Glaswolle gefüllt ist, der einen Klangeffekt erzeugt. In den USA werden kaltgeformte C-Profile häufig als Dachbinderelemente verwendet [7]. Tatsächlich waren die frühen Pfettenformen einfache U-Profile mit Lippe und Zed-Profile. Aus dem einfachen U-Profil wurden die Multibeam Marks I, II und III, wobei Letztere eine zusammengesetzte Lippe aufweisen. Eine ähnliche Entwicklung ist bei der Weiterentwicklung der Zed-Formen zu den Zeta- und Ultrazed-Formen zu erkennen, wie in Abb. 2 [6] dargestellt. Kaltgeformte Elemente können mit einer großen Vielfalt an Profilen hergestellt werden. Die am häufigsten verwendeten Komponenten sind die C-Profile und die Z-Profile Dieser Leichtbaustahl wird in Nordamerika aufgrund seiner schlechten Schalldämmung in freistehenden Einfamilienhäusern und Reihenhäusern eingesetzt. Um seitlichen Windlasten und Erdbeben standzuhalten, werden in US-amerikanischen Mehr-Leichtbau-Stahlkonstruktionen zwei verschiedene Konstruktionsweisen eingesetzt: Leichtbau-Stahlscherenwände oder eine kreuzförmige Stahlrahmenkonstruktion. Leichtbau-Stahlscherenwände werden in der Regel aus 0,5 mm starkem verzinktem Stahlblech aus der Mongolei in Gipskartonplatten hergestellt und an den Leichtbau-Stahlwandpfosten befestigt. Ähnlich wie bei der Bildung von Schubspannungen in der Schalenkonstruktion befindet sich zwischen den einzelnen Schichten eine spezielle Scherenwandkomponente, die die oberen und unteren Stockwerke verbindet und horizontale Schub- und Zugkräfte, die durch die auf die Wandpfosten wirkenden horizontalen Kräfte entstehen, effektiv überträgt. In Erdbebengebieten wird zur Gewährleistung der statischen Sicherheit die Kreuzstütze als querkraftaufnehmende Stahlrahmenkonstruktion eingesetzt, um ein hybrides Architektursystem zu bilden, bei dem Leichtbaustahl den vertikalen und Normalstahl den horizontalen Belastungen standhält. Um die Dämmwirkung der Wände zu gewährleisten, wird neben den mit Glasfaser gefüllten Wandpfosten eine Dämmschicht auf das Außenwandmaterial geklebt. Mit dieser Methode wird die Wärmebrücke zwischen den Wandpfosten und den Wandpaneelen wirksam vermieden.

B. Stahlblech-Wohnungsbau in Japan

Da Japan ein erdbebengefährdetes Gebiet ist und Leichtstahl gute seismische Eigenschaften aufweist, erfreut sich Leichtstahl im Inland großer Beliebtheit. Entsprechend seinen einzigartigen Eigenschaften baut Japan leichte Stahlhäuser, nämlich Stahlblechhäuser, wie in Abb. 4 unten gezeigt [8,9]. Diese Struktur verwendet ein neues Bauverfahren, d. h. es wird eine nicht geschweißte, verzinkte, kaltgeformte Stahlkombination verwendet, auch als Stahl 2 × 4 bekannt, wobei es sich um ein Wohnhaus mit einer Plattenrippenstruktur handelt. Die Struktur ist eine architektonische Form aus dem ehemaligen Nordamerika. Wandpaneele und Böden sind aus Holz auf Kastenbasis gebaut. Bei Stahlblechhäusern wird das Blechmaterial jedoch durch Stahl ersetzt, dessen Dicke etwa 1,0 mm beträgt. An zwei Seiten wird eine leichte Gipskartonplatte befestigt. Durch diese Methode werden die Eigenschaften der Gesamtstruktur wie Stabilität, Haltbarkeit, Wärmedämmung, Schalldämmung usw. erreicht.

Tatsächlich vereint dieses Stahlblechgebäude die Stärken und Vorteile von Stahl und Blechrippen. Versuche der Bauunternehmen zeigten, dass es hervorragende Leistungsmerkmale wie Erdbebensicherheit, Windlastbeständigkeit und Schneelastbeständigkeit aufweist. Im Jahr 2003 wurde in Japan von Holz auf dünnes Stahlkiel umgestellt. Um den architektonischen Besonderheiten und den japanischen Bauvorschriften gerecht zu werden, wurden spezielle Anweisungen für den Bau von automatischen Feuerlösch- und Abgassystemen sowie Innendekorationen gegeben, die den Wärmeübergang zwischen den Wänden im Haushalt reduzieren.

C. Energieeffizientes Wohnen in Europa

Deutschland hat 2002 mit der Umsetzung der neuen Gebäudeenergiespezifikation begonnen [9]. Ihr Kernstück ist die Quantifizierung des Energieverbrauchs. Der Energieverbrauch jedes Hauses muss den zuständigen Behörden als erforderliche Dokumente in Form von Gebäudeenergieberechnungen vorgelegt werden. Dies hat große Auswirkungen auf den Wohnungsbau und den Baustoffmarkt des Landes. Schweden nutzt bei energiesparenden Wohngebäuden so weit wie möglich erneuerbare Energien, darunter Windenergie, Solarenergie, Geothermie und andere Energiequellen, und integriert diese Technologien. Kurz gesagt, die europäischen Länder konzentrieren sich stärker auf die Untersuchung von Energieeffizienz und grünem Bauen. Heute können kaltgeformte Stahlkomponenten schnell und präzise zu kompletten Struktureinheiten zusammengebaut und an die Baustelle geliefert werden. In Großbritannien werden die meisten Hotels und Motels außerhalb der Stadt auf diese Weise gebaut. Die britische Bauindustrie verbraucht derzeit jährlich über 300.000 Tonnen kaltgeformter Stahlprodukte, und dieser Verbrauch wächst stetig[10].

III. LEICHTSTAHLGEHÄUSE IN CHINA

A. Der Entwicklungsstatus von Leichtstahlgehäusen

Lange Zeit wurde der Wohnungsbau in China hauptsächlich von Beton dominiert. Dieser passt nicht mehr zum Thema umweltfreundlicher Gebäude, da er große Materialmengen und lange Bauzeiten erfordert. Da China seit 1996 der größte Stahlproduzent der Welt ist (siehe Abb. 5), hat die Landesregierung begonnen, die Verwendung von Stahl im Tiefbau zu fördern. Während die Baustahlverarbeitungsindustrie täglich wächst, befindet sich der Stahlkonstruktionsbau in China in einer rasanten Entwicklungsphase [11]. Von der Betonkonstruktion zum gewöhnlichen Stahlgebäude und vom gewöhnlichen Stahlgebäude zum Leichtstahlbau. Die Entwicklung von Stahlwohnungsgebäuden zielt nicht auf Hochtechnologie und Spezialwerkzeuge ab, sondern sollte sich wie in europäischen Ländern auf ausgereifte, integrierte und praktische Wohnungsbautechnologie konzentrieren. Der Schlüssel zum Integrationsprozess sind eine detaillierte Struktur und gegenseitige Konvergenz.

Leichtstahlkomponenten lassen sich problemlos in Fabriken mit hohem Mechanisierungsgrad herstellen, sind hochgradig kommerzialisiert und ermöglichen schnelle Bauzeiten auf der Baustelle. Anwohner werden nicht beeinträchtigt, und die Bauqualität ist hoch. Leichtstahl ist ein umweltfreundliches, nachhaltiges Produkt, dessen wirtschaftliche Kennzahlen denen von Stahlbetonkonstruktionen nicht überlegen sind. Daher müssen leichte und erdbebensichere Leichtstahlkonstruktionen zum Standard in der Bauindustrie werden. Derzeit erlebt das Bauwesen einen Wandel.

B. Die Eigenschaften von Leichtstahlgehäusen

Leichtstahl ist zunächst ein neues Konzept. Mit der Verbesserung des Lebensstandards der Menschen hält er allmählich Einzug in deren Leben. In einigen großen Städten Chinas wie Peking und Shanghai wurden Wohngebäude in Leichtstahlkonstruktionen errichtet, indem Technologien aus Nordamerika und Japan nach China eingeführt wurden. Derzeit sind die meisten Leichtstahlhäuser in China leichte, energiesparende Bauweisen, die Stahlrahmenkonstruktionen, Leichtwand-, Leichtboden- und Leichtdachkonstruktionen verwenden. Durch die Verwendung von gewöhnlichem H-Träger-Schweißstahl, kleinen Abschnitten aus warmgewalztem H-Träger oder geradem Stahl und der Kombination mit einem gegen die Seitenkraft wirkenden Antiprofil-Wandfaktor können mehrschichtige Strukturen errichtet werden. Und es entspricht unserem aktuellen Spezifikationssystem und erfüllt die seismischen Anforderungen [9]. Im Jahr 2011 hat China die „technischen Vorschriften für den Bau von niedrigkaltgeformten Stahlgebäuden“ erlassen und umgesetzt, die das Kielsystem aus kaltgeformtem Stahl in Nordamerika integrieren und dieses Kielsystem fördern. Bei der Konstruktion aus kaltgeformtem C-Kanal-Stahl und U-förmigem Stahl bestehen die tragenden Wände aus Säulen, oberen und unteren Führungsträgern, Stützen, Streben und Verstrebungen, Wandpaneelen und anderen Strukturkomponenten [12], wie in Abb. 6 unten gezeigt. Trotz der Bestimmungen der entsprechenden Spezifikationen erfreut sich diese Konstruktion noch keiner großen Beliebtheit. Zwar bietet eine leichte Stahlkonstruktion einige Vorteile, wie z. B. geringes Gewicht, ausgezeichnete Erdbebensicherheit, kurze Bauzeit und strukturelle Stabilität, sie bringt aber auch einige Probleme mit sich, die noch gelöst werden müssen, wie z. B. hohe Lärmbelästigung und schlechte Feuerfestigkeit. Die kurze Bauzeit der Gebäude wird derzeit von den Menschen nicht anerkannt und ihre Sicherheit und Zuverlässigkeit ist nicht gewährleistet.

Leichtbau-Stahlbauten sind jedoch der Entwicklungstrend der chinesischen Architektur und erfordern verstärkte Forschung hinsichtlich ihrer Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Kurz gesagt: China steht am Anfang der Entwicklung von Leichtbau-Wohngebäuden mit Stahlkonstruktionen und hat noch einen langen Weg vor sich. Im Vergleich zu den Industrieländern gibt es viele Fragen, und China hinkt noch deutlich hinterher. Es bedarf kontinuierlicher Verbesserungen und Perfektionierung [13].

C. Empfehlungen und Strategien

Leichtbau-Wohngebäude aus Stahl zeichnen sich durch gute Leistung, geringes Gewicht, hohe Fertigungstiefe, schnelle Bauzeiten und geringen Arbeitsaufwand aus. In den letzten drei Jahrzehnten entwickelte sich Leichtbau-Wohngebäude in den USA und Europa schrittweise und entwickelte eine Reihe ausgereifter Technologien. Viele in- und ausländische Unternehmen möchten Leichtbau-Wohngebäude nach China migrieren, doch dies ist nicht sinnvoll. Die Gründe dafür sind folgende:

1) Es gibt keine systematische Spezifikation für Leichtbaustahl.

Obwohl die „Technischen Vorschriften für kaltgeformte Stahlkonstruktionen“ 2011 veröffentlicht wurden, wird die Herstellung von tragenden Bauteilen mit einer Stahldicke von 2 mm oder weniger kaum in Betracht gezogen. Für die im Ausland weit verbreitete Verwendung von verzinkten Metallrahmen mit Wandstärken von 0,8 bis 1,6 mm liegen weder theoretische Analysen noch relevante experimentelle Daten vor, was die Konstruktion von Leichtstahlkonstruktionen in China sehr schwierig macht.

2) Die Gesellschaft als Ganzes benötigt einen Prozess zur Akzeptanz dieses neuen Wohnsystems.

Für die Menschen ist eine solche Struktur immer noch sehr fremd und sie haben immer noch kein klares Verständnis für ihre Sicherheit, Stabilität, ihren Komfort usw.

3) Die Projektkosten sind hoch.

Da die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, führen der Mangel an Fachkräften und der Bedarf an aus dem Ausland importierten Leichtstahlkomponenten zu höheren Immobilienpreisen. Um die oben genannten Probleme zu lösen, gibt es folgende Empfehlungen und Strategien:

1) Um die Spezifikationen für Leichtbaustähle zu verbessern, werden Pilotprojekte durchgeführt, um die technologischen Lücken in diesem Bereich zu schließen. Große Unternehmen, die in diesem Bereich forschen, sollten unterstützt werden.

2) Auf der Grundlage der Konstruktion von Pilotprojekten und der gesammelten Erfahrungen sollte die Gelegenheit genutzt werden, die entsprechenden technischen Normen und Vorschriften für Häuser in Leichtstahlkonstruktion auszuarbeiten.

3) Sobald der technische Standard verkündet ist, sollte das Technologiesystem als Lehrinhalt in Berufsschulen integriert werden.

4) Einige erfolgreiche Erfahrungen aus anderen Ländern werden berücksichtigt. Spezifische Situationen werden wissenschaftlich erforscht. Staaten sollten die Erforschung dieser Technik politisch fördern, um die Leichtstahlkonstruktionen schrittweise zu verbreiten. Dadurch soll eine größere Bekanntheit dieser Konstruktionen erreicht werden.

IV. SCHLUSSFOLGERUNG

Kurz gesagt: Der mehrstöckige Wohnbau aus Leichtstahl in China bietet gute Entwicklungsaussichten, da weniger Material benötigt wird, die Umweltverschmutzung gering ist und die Bauzeit kurz ist. Er entspricht dem Entwicklungstrend der chinesischen Architektur und wird eine neue Dimension im chinesischen Wohnbau schaffen. Mit der Veröffentlichung technischer Richtlinien und Spezifikationen für Stahlwohngebäude muss auch der mehrstöckige Wohnbau aus Leichtstahl weiterentwickelt werden. Durch die Integration und Verbesserung ausländischer Technologien für Leichtstahlkonstruktionen sowie die Steigerung der Produktionskapazitäten und die Weiterentwicklung der Stahltechnologie bin ich überzeugt, dass Leichtstahlkonstruktionen in China weit verbreitet sein und sich weiterentwickeln werden.