In der modernen Raumstrukturtechnik werden Stahlrahmen mit ihrer überragenden Spannkraft, ihren eleganten architektonischen Formen und ihrer effizienten Tragfähigkeit häufig in Gebäuden mit großer Spannweite wie Stadien, Ausstellungshallen, Flughafenterminals und Industrieanlagen eingesetzt. Geschweißte und geschraubte Kugelkästen als zwei gängige Formen von Stahlkästen haben jeweils unterschiedliche technische Merkmale und Anwendungsbereiche. Dieser Artikel befasst sich mit den Hauptunterschieden zwischen diesen beiden Raumfachwerkkonstruktionen in Bezug auf Konstruktionsprinzipien, Konstruktionstechnik, mechanische Eigenschaften, Wirtschaftlichkeit und Anwendungsszenarien und bietet eine Referenz für die technische Planung und Auswahl.

I. Kernstruktur und Verbindungsprinzipien

Geschweißte Kugelrahmen verwenden hohle Stahlkugeln als Knotenpunkte. Die Enden der Stäbe (in der Regel Stahlrohre) werden durch Schweißen vor Ort direkt mit den Stahlkugeln verbunden, wodurch starre Verbindungen entstehen. Diese Verbindungsmethode gewährleistet, dass sich die Achsen der Stäbe genau in der Mitte der Kugel schneiden, was zu einer direkten Kraftübertragung und einer hohen Knotensteifigkeit führt. Geschweißte Kugelgelenke erfordern in der Regel eine präzise Vorbearbeitung im Werk je nach Anzahl und Winkel der Elemente, um eine genaue Ausrichtung vor Ort zu gewährleisten.

Geschraubte Kugelrahmen verwenden massive Stahlkugeln als Knotenpunkte, in die hochfeste Schraubenlöcher vorgebohrt sind. Konische Köpfe oder Endplatten werden an die Enden der Elemente geschweißt, die dann mit hochfesten Schrauben an den Stahlkugeln befestigt werden. Bei dieser Verbindung handelt es sich um einen Scharnierknoten, bei dem die Stäbe in erster Linie Axialkräfte aufnehmen und nur minimale Biegemomente einwirken. Alle verschraubten Kugelknoten werden im Werk bearbeitet, was eine echte “montageorientierte” Konstruktion vor Ort ermöglicht.

II. Bautechnik und Qualitätskontrolle

Das Herzstück der Konstruktion geschweißter Kugelkästen ist das Schweißen vor Ort. Der Prozess umfasst die Montage kleiner Einheiten am Boden, das Heben und Positionieren in großer Höhe, das Messen und Kalibrieren sowie das endgültige Schweißen und Befestigen. Die Qualitätskontrolle konzentriert sich auf die Qualität der Schweißnähte und erfordert die strikte Einhaltung von Verfahren wie der Zertifizierung von Schweißern, der Qualifizierung von Schweißverfahren und der zerstörungsfreien Prüfung (UT, RT) von Schweißnähten. Das Schweißen auf der Baustelle ist stark witterungsabhängig (Wind, Regen, niedrige Temperaturen), was hohe Anforderungen an die Bauorganisation und das Baumanagement stellt. Aufgrund der hohen Steifigkeit der Knotenpunkte und der guten Gesamtstabilität sind die Anforderungen an die temporäre Verstärkung des Stützsystems jedoch relativ gering.

Der Kern der Schraubkugel-Rahmenkonstruktion liegt in der hochpräzisen Montage. Der Prozess läuft wie folgt ab: Vorfertigung aller Teile und Schraubenkugeln im Werk → Montage vor Ort nach Nummerierung → erstes Anziehen → endgültiges Anziehen auf die konstruktive Vorspannung. Die wichtigsten Qualitätskontrollpunkte sind die Kontrolle der Schraubenvorspannung und die Genauigkeit der Bauteilbearbeitung. Es müssen kalibrierte Drehmomentschlüssel oder Elektroschrauber verwendet werden, und die Axialkraft der Schrauben muss regelmäßig überprüft werden. Die Bearbeitungsfehler der Bauteile müssen äußerst gering sein, da es sonst zu Montageproblemen kommt. Der Aufbau ist weitgehend witterungsunabhängig und geht sehr schnell, erfordert aber eine extrem hohe Genauigkeit bei der Vermessung und Auslegung vor Ort.

III. Mechanische Eigenschaften und strukturelle Merkmale

Aus Sicht der Strukturanalyse sind die Unterschiede zwischen den beiden erheblich:

- Steifigkeit des Knotens: Geschweißte Kugelknoten kommen starren Verbindungen nahe, die in der Lage sind, Axialkräfte, Querkräfte und Biegemomente zu übertragen, was zu einer höheren Gesamtsteifigkeit und besseren Stabilität des Raumfahrtrahmens führt. Geschraubte Kugelknoten kommen gelenkigen Verbindungen nahe, die in erster Linie Axialkräfte übertragen, und das Strukturanalysemodell ist einfacher.

- Tragende Leistung: Aufgrund der Steifigkeit der Knotenpunkte treten bei geschweißten Kugelkästen gewisse sekundäre Biegemomente in den Stäben auf, die höhere Anforderungen an die Tragfähigkeit der Knotenpunkte selbst und der Stäbe stellen. Geschraubte kugelförmige Space Frames tragen in erster Linie axiale Kräfte, was zu einer effizienteren Materialausnutzung und einem Berechnungsmodell führt, das den tatsächlichen Bedingungen besser entspricht.

• Räumliche Funktion: Geschweißte kugelförmige Rahmen weisen eine stärkere räumliche Synergie und eine bessere Anpassungsfähigkeit an ungleichmäßige und örtlich begrenzte Belastungen auf. Geschraubte kugelförmige Rahmen sind empfindlicher gegenüber Randbedingungen und der Anordnung der Stützen.

IV. Wirtschaftliche Effizienz und Projektzyklus

Geschweißte kugelförmige Space Frames:

• Vorteile: Relativ geringerer Stahlverbrauch an den Knotenpunkten, so dass keine teuren hochfesten Schrauben und aufwendig bearbeiteten Kugeln benötigt werden.
• Nachteilig: Erheblicher Arbeitsaufwand für das Schweißen auf der Baustelle und hohe Lohnkosten; erhebliche Prüfgebühren; lange Bauzeit; hohe Investitionen in die Sicherheit der Konstruktion (Schweißen in großer Höhe, Feuerschutz).
• Wirtschaftliche Gesamteffizienz: Die Materialeinsparungen können bei Projekten mit großen Spannweiten, schweren Lasten und komplexen Formen ausgeprägter sein, aber die Verwaltungskosten sind hoch.

Geschraubter Sphären-Raumfahrtrahmen:

• Vorteile: Extrem hoher Grad der Fabrikproduktion (über 95%), stabile Qualität; extrem schnelle Installation vor Ort, Verkürzung der Bauzeit um 30%-50%; keine Arbeiten mit offener Flamme vor Ort, hohe Sicherheit; gute Bedingungen für zivilisiertes Bauen.
• Benachteiligungen: Höherer Stahlverbrauch an den Knotenpunkten (massive Kugeln), hohe Kosten für hochfeste Schrauben und Bearbeitung.
• Wirtschaftliche Gesamteffizienz: Bei Projekten mit hohem Standardisierungsgrad, mäßiger Spannweite und engen Zeitplänen sind die Materialkosten zwar hoch, aber der wirtschaftliche Gesamtnutzen ist aufgrund der Einsparungen bei der Bauzeit und den Verwaltungskosten oft höher.

V. Vergleich typischer Anwendungsszenarien

Situationen, in denen geschweißte Kugelraumrahmen bevorzugt werden:

1. Strukturen mit sehr großer Spannweite: Zum Beispiel Stadien und Flughafenterminals mit Spannweiten von über 100 Metern, die eine extrem hohe Gesamtsteifigkeit und Stabilität erfordern.
2. Große dynamische oder hängende Lasten: Industrieanlagen mit Hängekränen oder großen hängenden Geräten oder große öffentliche Gebäude mit hohem Fußgängeraufkommen, die zu Schwingungen neigen. 3. Große und komplexe Knotenlasten: Große konzentrierte Lasten an Knotenpunkten oder abnormale Winkel an Stabkreuzungen machen zuverlässige Verbindungen mit geschweißten Kugeln einfacher.
3. Äußerst komplexe architektonische Formen: Für nicht standardisierte Formen wie Hyperboloide und Freiformflächen bieten geschweißte Kugelknoten eine größere räumliche Anpassungsfähigkeit.

Situationen, in denen geschraubte Kugelraumrahmen bevorzugt werden:

1. Standardisierte Gebäude mit kleinen bis mittleren Spannweiten: z. B. Standardfabriken, Lagerhäuser und Handelszentren, die ihre Vorteile der Vorfertigung und schnellen Montage voll ausschöpfen.
2. Projekte mit extrem knappen Fristen: Wie z. B. Notfallprojekte und Renovierungs-/Erweiterungsprojekte.
3. Situationen, in denen die Arbeitsbedingungen vor Ort eingeschränkt sind: Wie z. B. in Stadtzentren, Chemieanlagen und anderen Gebieten, in denen Arbeiten mit offenem Feuer streng verboten sind.
4. Strukturen, die später demontiert oder verändert werden müssen: Schraubverbindungen ermöglichen die Demontage und lassen Raum für spätere Änderungen.

Schlussfolgerung und Auswahlempfehlungen

Der Unterschied zwischen geschweißten und geschraubten Kugelraumprofilen liegt im Wesentlichen in den technischen Unterschieden zwischen starren und gelenkigen Verbindungen, zwischen Vor-Ort-Konstruktion und werkseitiger Vorfertigung sowie zwischen individueller Anpassung und Standardisierung. Keine der beiden Technologien ist von Natur aus überlegen oder unterlegen; die Wahl liegt in der Eignung.

Bei der Auswahl einer Technologie für ein Projekt ist eine systematische Abwägung der Faktoren entscheidend:

Berücksichtigen Sie zunächst die funktionalen und mechanischen Anforderungen des Gebäudes: Analysieren Sie Spannweite, Belastung, dynamische Eigenschaften und Gebäudeform.

Zweitens: Bewertung der Baubedingungen und des Zeitplans: Untersuchung der Baustellenumgebung, der Bauzeit, des Termindrucks und der Ressourcen des Sicherheitsmanagements.

Führen Sie schließlich einen wirtschaftlichen Vergleich über den gesamten Lebenszyklus durch: Berechnen Sie umfassend die Kosten für Material, Verarbeitung, Installation, Prüfung, Wartung und sogar zukünftige Änderungen.

Gegenwärtig ist ein Trend zur Integration der beiden Technologien zu beobachten. Bei Großprojekten wird beispielsweise ein “hybrides Space-Frame”-Modell verwendet, bei dem geschweißte Kugeln in den tragenden Kernbereichen und verschraubte Kugeln in den umgebenden Standardbereichen zum Einsatz kommen, um die Vorteile von Steifigkeit und schneller Montage zu kombinieren. Mit den Fortschritten in der digitalen Konstruktion und der Robotertechnik wird die Kluft zwischen den beiden Verfahren in Bezug auf die Verarbeitungspräzision und die Konstruktionseffizienz immer kleiner, aber ein tiefes Verständnis ihrer grundlegenden Unterschiede bleibt der Eckpfeiler für optimale technische Entscheidungen.

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