Pultrudierte GFK-Konstruktionsprofile: Bemessungsdaten für Balken, Stützen und Treppen
Referenz-Bemessungswerte für tragende Bauteile aus pultruriertem glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK): zulässige Spannungen, Durchbiegungsgrenzen, Lagergrößen, Treppenstufen-Durchbiegung, Personenlast-Kriterien und Regeln für Rastklammern. Es handelt sich um branchenübliche Referenzwerte für die frühe Planungsphase.
Die nachstehenden Bemessungsreferenzwerte geben Kriterien wieder, wie sie in der Branche pultrudierter GFK-Konstruktionsprofile üblich sind, und dienen der frühen Planung. Sie ersetzen keine projektspezifische Statik. ZEALL liefert pultrudierte GFK-Profile – Winkel, U-Profile, I-Träger und Breitflanschträger – in den genannten Standard-Lagergrößen. Lassen Sie jede endgültige Ausführung vor Baubeginn von unserer Technik freigeben.
1. Bemessungskriterien für GFK-Konstruktionsbalken
GFK-Bauteile, die als Balken Verkehrslast plus Eigenlast der GFK-Konstruktion abtragen, werden üblicherweise mit den folgenden Referenz-Zulässigwerten dimensioniert. Für andere Last- oder Umgebungsbedingungen können höhere Sicherheitsbeiwerte und Durchbiegungsverhältnisse nötig werden.
| Parameter | Referenzwert | Hinweise |
|---|---|---|
| Zulässige Durchbiegung | L / 180 | Gilt für Balken aus Verkehrs- plus Eigenlast |
| Zulässige Biegespannung | 10.000 psi (Sicherheitsfaktor = 3) | Setzt ausreichende seitliche Abstützung des Druckflanschs voraus |
| Zulässige Schubspannung | 1.500 psi (Sicherheitsfaktor = 3) | |
| Zulässige Lagerpressung | 10.000 psi (Sicherheitsfaktor = 3) | Für die Lagerung geschraubter Verbindungen auf GFK-Platte oder Steg |
Anwendungsbedingungen: Diese Zulässigwerte setzen (a) eine ausreichende seitliche Abstützung des Druckflanschs und (b) ein Breiten-Dicken-Verhältnis des Flanschs (b/t) von höchstens 12 voraus. Für breitere oder dünnere Flansche ist ein Nachweis gegen Stützen- bzw. Beulversagen erforderlich. Siehe auch unsere pultrudierten GFK-Profile Seite mit den verfügbaren Querschnittswerten.
2. Bevorzugte Lagergrößen pultrudierter GFK-Konstruktionsprofile
Die folgenden pultrudierten GFK-Konstruktionsprofile sind ab Lager ohne Werkslauf-Fristen verfügbar. Die Stangen werden üblicherweise in folgenden Längen vorgehalten: 20'-0" (6 m) Länge. Nicht am Lager befindliche Profile sind in Werkslos-Stückzahl erhältlich.
| Profilart | Verfügbare Größen (Zoll) |
|---|---|
| Gleichschenklige Winkel | 3" x 1/4" · 3" x 3/8" · 4" x 1/4" · 4" x 3/8" · 4" x 1/2" |
| U-Profile | 6" x 1-5/8" x 1/4" · 8" x 2-3/16" x 3/8" · 10" x 2-3/4" x 1/2" |
| I-Profile | 8" x 4" x 3/8" · 12" x 6" x 1/2" |
| Breitflansch-Profile | 4" x 4" x 1/4" · 6" x 6" x 1/4" · 6" x 6" x 3/8" · 8" x 8" x 3/8" |
| Standard-Lagerlänge | 20'-0" (alle Profilarten) |
Diese Profile gibt es in den Harzsystemen schwer entflammbares Vinylester (beige), schwer entflammbarer Polyester (dunkelgrau) und nicht schwer entflammbarer Polyester (grün). Zu Querschnittswerten und Traglasttabellen siehe unsere Gitterrost-Traglasttabelle Seite oder wenden Sie sich an unsere Technik.
3. Referenz Traglast / Durchbiegung von Treppenstufen (1-1/2" hohe, besplittete Stufe)
GFK-Treppenstufen aus 1-1/2" hohem Pressrost mit integrierter besplitteter Setzstufe werden üblicherweise in Industrietreppen verwendet. Die Durchbiegung der Stufen wird begrenzt auf L/150 oder weniger. Die nachfolgende Tabelle zeigt typische Last-Durchbiegungs-Werte für Stützweiten bis 42 Zoll, auf Basis von 250 lb- und 500 lb-Einzellasten über einer 4" breiten × 6" tiefen Lastplatte ab der Setzstufenkante.
| Last (lb) | Stützweite 18" | Stützweite 24" | Stützweite 30" | Stützweite 36" | Stützweite 42" |
|---|---|---|---|---|---|
| 250 | 0.03" | 0.05" | 0.09" | 0.16" | 0.25" |
| 500 | 0.06" | 0.10" | 0.19" | 0.32" | 0.50" |
Stützweiten über 42" erfordern eine versteifte Setzstufe oder eine Zwischenunterstützung, um die Durchbiegungen zu begrenzen. Zum Normenverweis siehe unsere DIN 24537-3 Normenseite.
4. Personen-Lasten auf Stegen, Kragarmlängen und Klammerregeln
Die nachfolgende Tabelle fasst Mindestlastkriterien für GFK-Gitterrost-Personenstege, Kragarmgrenzen, Abstände der Niederhalteklammern und Regeln für unverstärkte Aussparungen zusammen. Es sind Referenzwerte, wie sie für industrielle GFK-Rost-Installationen üblich veröffentlicht werden.
| Kategorie | Position | Referenzwert |
|---|---|---|
| Personenlasten | Gleichmäßige Verkehrslast | 50 – 65 lb/ft² |
| Einzellast | 250 lb | |
| Eigenlast (1-1/2" Pressrost) | 3.75 lb/ft² | |
| Zulässige Durchbiegung | L/120 oder 3/8" (jeweils der kleinere Wert) | |
| Kragarmgrenzen | 1" hoher Rost | ≤ 6" ab Mittellinie der letzten Auflage |
| 1-1/2" hoher Rost | ≤ 12" ab Mittellinie der letzten Auflage | |
| 2" hoher Rost | ≤ 12" ab Mittellinie der letzten Auflage | |
| Klammern und Aussparungen | Niederhalteklammern Typ M: Mindestzahl je Auflagebalken | 2 Klammern je Balken |
| Niederhalteklammern Typ M: maximaler Achsabstand | ≤ 4'-0" Achsabstand je Auflagebalken | |
| Niederhalteklammern Typ M: Mindestzahl je Platte | 4 Klammern je Platte | |
| Anschlussklammern Typ F: maximaler Achsabstand | ≤ 24" Achsabstand für anschließende Ränder | |
| Grenze für unverstärkte Aussparung | ≤ 1/3 der Plattenbreite ausgeschnitten; ohne zusätzliche Abstützung |
Kragend eingebaute Roste benötigen mindestens zwei Auflagen sowie an jeder Innenunterstützung mindestens drei Niederhalteklammern, um ein Kippen zu verhindern.
Anforderungen an die seitliche Abstützung für volle Biegetragfähigkeit
Damit sich die volle Biegetragfähigkeit pultrudierter GFK-Balken einstellt, muss der Druckflansch in so engen Abständen seitlich abgestützt werden, dass ein Kippen (laterales Torsionsbeulen) ausgeschlossen ist. Die maximale ungestützte Länge hängt von Profilart und -größe ab. Als allgemeine Referenz:
- U-Profile (C): 48" (C6x1/4"), 60" (C8x3/8" und C10x1/2")
- I-Profile (I): 24" (I4x1/4"), 36" (I6x1/4"), 48" (I8x3/8"), 60" (I10x3/8"), 84" (I12x1/2")
- Breitflansch (W): 60" (W4x1/4"), 84" (W6x1/4"), 96" (W6x3/8"), 108" (W8x3/8"), 156" (W10x3/8"), 168" (W12x1/2")
Überschreitet Ihre Balkenstützweite die angegebene ungestützte Länge, bringen Sie weitere seitliche Abstützungen am Druckflansch an (z. B. Kreuzverbände, Anschluss an die Bodenplatte oder Kniebleche). Ohne ausreichende Abstützung ist die zulässige Biegespannung abzumindern. Zu Querschnittswerten und vollständigen Balken-Auswahltabellen wenden Sie sich an unsere Technik.
Harzsysteme zur Wahl
Pultrudierte GFK-Konstruktionsprofile gibt es in drei Standard-Harzrezepturen, jede abgestimmt auf andere Umgebungsbedingungen:
- Schwer entflammbares Vinylester (beige) — am besten bei starker Chemiebeanspruchung und brandschutzpflichtigen Innenräumen; ausgezeichnete Beständigkeit gegen Säuren und Laugen.
- Schwer entflammbarer Polyester (dunkelgrau) — universeller Industrieverbund mit gutem Brandverhalten; für die meisten Stege und Bühnen geeignet.
- Nicht schwer entflammbarer Polyester (grün) — wirtschaftliche Wahl für milde Umgebungen, in denen kein Brandschutz gefordert ist.
Die Harzwahl wirkt sich sowohl auf die mechanischen Eigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit aus. Vinylester bietet die höchste Korrosionsbeständigkeit und wird für Chemieparks, Kläranlagen sowie Offshore-/Meeresumgebungen empfohlen. Polyesterharze reichen für allgemeine Industriestege und Stützen in weniger aggressiver Atmosphäre. Bei Temperaturen über 140 °F (60 °C) gelten Abminderungsfaktoren, die mit unserer Technik abzustimmen sind.
Hinweise zur Verbindungsmittel-Bemessung
Pultrudierte GFK-Bauteile werden üblicherweise mit nichtrostenden Schrauben verbunden (316 SS für Außen- und Korrosionsbereiche empfohlen). Da GFK anisotrop ist (längs zur Pultrusionsachse tragfähiger als quer), bestimmen an Verbindungen oft Lagerung und Schub die Auslegung – nicht die Biegespannung im Bauteil selbst.
Wichtige Faustregeln für Verbindungen: Der Randabstand von der Schraubenmittelachse zum Bauteilende sollte mindestens 3 Schraubendurchmesser betragen, zum Seitenrand mindestens 2,5 Durchmesser. Der Schraubenabstand (Mitte zu Mitte) sollte mindestens 5 Durchmesser sein. Prüfen Sie stets, dass die Lagerung der Verbindung auf der GFK-Platte oder dem GFK-Steg die zulässige Lagerpressung nicht überschreitet, bevor Sie die volle Biegetragfähigkeit des Bauteils ansetzen.
Typische Anwendungsfälle pultrudierter GFK-Konstruktionsprofile
Pultrudierte GFK-Winkel, U-Profile, I-Träger und Breitflanschprofile werden in allen Branchen eingesetzt, in denen Stahl korrodieren würde oder auf Gewichtsreduzierung und elektrische Nichtleitfähigkeit ankommt. Häufige statische Anwendungen sind:
- Industriebühnen und Stege — Unterzüge unter Press- oder Pultruderrost-Decks in Chemieparks, Kläranlagen sowie Zellstoff- und Papierfabriken, in denen Stahl innerhalb weniger Monate rostet.
- Treppenwangen und Geländerpfosten — U-Profile (üblicherweise C8 oder C10) dienen als Treppenwangen; Vierkantrohre als Geländerpfosten. GFK-Treppen brauchen keinen Anstrich und widerstehen Salz- und Chemie-Atmosphäre.
- Aggregate-Stützrahmen und Rohrbrücken — Breitflanschträger und -stützen tragen Lüftungskanäle, Rohrleitungen und Prozessaggregate in korrosiver Umgebung. Die Nichtleitfähigkeit von GFK macht es ideal in der Nähe von Schaltanlagen und Hochspannungsgeräten.
- Meeres- und Offshore-Strukturen — GFK-Konstruktionsprofile rosten nicht im Salznebel und eignen sich für Stege an Kaianlagen, die Erschließung von Offshore-Bühnen sowie Nachrüstkonstruktionen an Bord.
- Reinräume und Lebensmittelverarbeitung — GFK aus Polyester und Vinylester gibt keine Bestandteile an lebensmittelnahe Bereiche ab und kann abgereinigt werden, ohne zu korrodieren.
Im Vergleich zu Stahl wiegt pultrudiertes GFK nur etwa ein Viertel, was Montageaufwand und Eigenlast auf die tragenden Strukturen senkt. Allerdings hat GFK einen niedrigeren Elastizitätsmodul (üblicherweise 2,5–3,8 Millionen psi gegenüber 29 Millionen psi bei Stahl), sodass meist die Durchbiegung – nicht die Spannung – die Bemessung bestimmt. Deshalb ist die Durchbiegungsgrenze L/180 das wichtigste Bemessungskriterium für die meisten GFK-Balken-Anwendungen – nicht die zulässige Biegespannung von 10.000 psi.
Die drei Durchbiegungsgrenzen verstehen: L/180, L/150, L/120
In der GFK-Statik tauchen drei unterschiedliche Durchbiegungsverhältnisse auf, die für verschiedene Bauteile gelten:
- L/180 — gilt für tragende Hauptbalken (I-Träger, U-Profile, Breitflanschstützen) unter kombinierter Verkehrs- plus Eigenlast. Dies ist die strengere, konservativere Grenze, weil diese Bauteile die gesamte Strukturlast abtragen.
- L/150 — gilt speziell für Treppenstufen. Stufen dürfen etwas mehr Durchbiegung vertragen als Hauptbalken, da sie lokale Gehflächen und keine tragenden Hauptbauteile sind.
- L/120 (oder 3/8", jeweils der kleinere Wert) — gilt für GFK-Gitterrost-Personenstege-Platten selbst (das Rostdeck, nicht die tragenden Balken). Rostplatten sind sekundäre Flächen und dürfen mehr Durchbiegung vertragen, doch der absolute Deckel von 3/8" verhindert ein spürbares Nachfedern unter den Füßen.
Die b/t ≤ 12 Grenze sowie die Anforderung an die seitliche Abstützung sind Voraussetzungen für die zulässige Biegespannung von 10.000 psi. Wird der Druckflansch nicht seitlich abgestützt oder überschreitet das Breiten-Dicken-Verhältnis des Flanschs den Wert 12, kann das Bauteil lokal oder durch Kippen versagen, bevor es die Nenn-Biegespannung erreicht – dann ist der volle Zulässigwert nicht anwendbar. In solchen Fällen ist ein Knicknachweis nach Art eines Stützenversagens erforderlich.
Diese Zahlenwerte sind Referenzwerte, wie sie in einschlägigen Ingenieur-Richtlinien für pultrudierte GFK-Konstruktionsprofile veröffentlicht sind. Sie dienen nur der Vorplanung. Die tatsächliche Projektbemessung muss die spezifischen Lastverhältnisse, Stützweiten, Abstützungen, das Harzsystem, die Temperatureinwirkung und die Umgebungs-Korrosion berücksichtigen. Lassen Sie jede Bemessung vor Baubeginn von unserer Technik freigeben.