Die versteckten Kostentreiber und übersehenen Details der Baustahlherstellung

ABBILDUNG 1. Diese komplexe, abgedeckte Säule mit breitem Flansch verfügt über umfangreiche Verstrebungen, die auf Explosionsbeständigkeit ausgelegt sind. All diese Arbeiten führen zu erheblichen Kostensteigerungen, sowohl für die Arbeit in der Werkstatt als auch auf dem Feld. Manchmal ist eine solche Komplexität einfach nicht vermeidbar, aber die Kosten dieser Komplexität müssen bei der Arbeit berücksichtigt werden.

Bei Tim Bradshaw geht es darum, Werksführungen anzubieten, insbesondere für Bauingenieure. Als Vizepräsident für Projektabwicklung bei Owen Steel Co., Columbia, SC, hat Bradshaw während seiner gesamten Karriere Baustahl entworfen und hergestellt. Seit mehr als 25 Jahren ist er als professioneller Ingenieur und Manager in der Branche tätig. Er weiß, wann Metall gut zusammenpasst – und wann nicht.

„Drei Faktoren beeinflussen die Kosten für Baustahl. Erstens sind es die Materialkosten, zweitens sind es die Arbeitskosten in der Werkstatt und drittens sind es die Montagekosten. Eine seit langem geltende Faustregel besagt, dass jeder davon etwa ein Drittel der Gesamtkosten ausmacht. Das.“ Das heißt, die Kosten einer Arbeit betragen ein Drittel Material, ein Drittel Werkstattarbeit und ein Drittel Montage.“

Diese Aussage machte Bradshaw im März 2022 während einer Präsentation, die er in Denver auf der NASCC: The Steel Conference hielt, die vom American Institute of Steel Construction (AISC) organisiert wurde. Er fügte hinzu, dass die Regel im Laufe der Zeit mit sich ändernden Material- und Arbeitskosten schwanke. Manchmal gerät die Regel jedoch aus dem Gleichgewicht, weil der zuständige Ingenieur (EOR) bestimmte Entwurfsentscheidungen getroffen hat oder Faktoren, die der EOR einfach übersehen hat.

Von allen Sektoren der Metallverarbeitung sticht die Baustahlherstellung hervor. Die Lieferkette im Baugewerbe ist weniger eine Kette als vielmehr ein komplexes Geflecht miteinander verbundener Parteien. Ein Baustahlhersteller kann nur ein Rädchen im Getriebe sein, das das herstellt, was ihm gegeben wird, oder er kann ein aktiver Kommunikator sein, der dem EOR (und allen anderen) zeigt, was die Kosten und Effizienz in der Fertigungshalle wirklich steigert (siehe Abbildungen 1 und 2). 2). Aus diesem Grund freut sich Bradshaw, der in drei AISC-Ausschüssen tätig ist, immer über die Gelegenheit, einen Rundgang durch das Geschäft zu geben. Tatsächlich könnte man seine NASCC-Präsentation als eine Art virtuellen Rundgang durch den Laden betrachten, bei dem er auf verschiedene Faktoren hinwies, die die Kosten-Faustregel aus dem Gleichgewicht bringen.

Bradshaw zeigte auf einen einfachen Balken mit unkomplizierten Verbindungen. „In diesem Fall bedeutet weniger Gewicht tatsächlich weniger Kosten. Es handelt sich um einen einfachen Träger, es ist nicht viel Werkstattarbeit erforderlich und die Installation vor Ort ist nicht teuer.“

Dann zeigte er auf einen Zwickelbalken (Randbalken entlang der Außenwand jedes Stockwerks) mit einer langen, auskragenden Kante. Seine leichte Konstruktion sieht isoliert gut aus, aber dieses geringe Gewicht erfordert auch eine Stahlverstärkung. „Sie haben gerade das Gewicht des Balkens vervierfacht, weil Sie dem Balken so viel Verstärkungsstahl hinzufügen müssen, um die auskragende Kante zu tragen. Vielleicht wäre es besser gewesen, den Balken etwas schwerer zu machen oder einen rohrförmigen Abschnitt für Ihre Zwickel zu verwenden, oder.“ um nicht diese lange auskragende Kante zu haben.

Anschließend wies er auf einige Fertigungszeichnungen hin, in denen es um Versteifungen und Aufdoppelungen ging. Je nach Design sind für leichtere Säulen möglicherweise robustere Versteifungen und Verdoppelungen erforderlich, und das Schweißen dieser Säulen ist nicht kostenlos. In seiner Präsentation verwies er auf eine leichte Säule mit den Abmessungen W14 × 159 und einem 6-Zoll-Verdoppler sowie auf eine Säule mit den Maßen W14 × 342 und ½ Zoll. Doppler. Aus der Sicht der reinen Materialkosten scheint W14 × 159 der richtige Weg zu sein, bis man sich alle Schweißarbeiten ansieht, die diese Doppler erfordern. Der 6-Zoll. Doppelplatten auf W14 × 159 erhöhten das gesamte Schweißvolumen um das 72-fache. Vieles davon hat mit Geometrie zu tun; Eine vollständig durchgeschweißte Schweißnaht ist im Wesentlichen ein Dreieck, dessen Volumen mit seiner Größe exponentiell zunimmt. Mit zunehmendem Schweißvolumen gehen mehrere Schweißdurchgänge und höhere Kosten einher.

„In diesem Fall könnte es kostengünstiger sein, statt der 14 × 159-Säule eine W14 × 342-Säule zu verwenden“, sagte er, „vor allem, wenn Sie Momentverbindungen auf mehreren Ebenen aus mehreren Richtungen herstellen.“

Detaillierung, Verbindungstechnik, Fertigung – manchmal werden alle drei Dinge unter einem Dach erledigt; In anderen Fällen werden sie von verschiedenen Firmen durchgeführt. Unabhängig davon ist eine offene Kommunikation der Schlüssel (siehe Abbildung 3).

ABBILDUNG 2. Ein leichter Träger könnte solche Stegverstärkungen erfordern – ein weiterer Faktor, der sich auf Gewichts- und Kostenüberlegungen auswirkt.

Einige Hersteller, insbesondere diejenigen, die über ausreichend Stanz- und Bohrausrüstung verfügen, sind darauf eingestellt, Schraubarbeiten sehr effizient durchzuführen. andere schweißen effizient; einige übertreffen beides. Natürlich erstellen Ingenieure oft Zeichnungen, ohne zu wissen, welcher Hersteller die Arbeit ausführen wird. „Wenn Sie nicht wissen, ob der Hersteller für Schweißarbeiten, Schraubarbeiten oder beides geeignet ist, versuchen Sie, entweder Schraub- oder Schweißverbindungen zu berücksichtigen.“

Für den Monteur eignen sich einseitige Verbindungen am besten. „Natürlich können Sie nicht immer eine einseitige Verbindung verwenden, aber nutzen Sie so viele wie möglich“, sagte er. „Im neuesten Steel Construction Manual [veröffentlicht von AISC] wird nicht nur über Standard-Scherlaschen, sondern auch über erweiterte Scherlaschen viel recherchiert. [Die Verwendung dieser Laschen] kann viel bewirken, insbesondere wenn Sie eine Verbindung zum Netz von a herstellen "

Er fügte hinzu, dass es bei der Auslegungslast auf Einzelheiten ankomme. Bei bestimmten Lastanforderungen hat dieser W12 eine Mindestanschlusslast von 20 Kips; für diesen W14 sind es 24 Kips – Verbindungsingenieure prüfen jede Verbindung anhand dieser Last.

Manchmal erhalten Verbindungstechniker jedoch lediglich eine tabellarische Liste, in der die Mindestanzahl eines bestimmten Schraubentyps und einer bestimmten Schraubengröße aufgeführt ist. „Das sagt uns aus verbindungstechnischer Sicht nicht viel“, sagte er. „Wir können Ihnen einen W16 mit vier Bolzen geben, aber was bedeutet das für die Blockscherung? ."

„Wenn Sie Schweißnahtgrößen berücksichtigen, berücksichtigen Sie die Art der Schweißnaht“, sagte Bradshaw. „Wir würden Sie bitten, die Größe der Schweißnaht auf der Grundlage der tatsächlichen Lastanforderung oder der Einhaltung der Vorschriften zu bestimmen. Es ist einfach, eine Reihe von Plänen zu erstellen, in denen „vollständig durchdringende Schweißnaht“ steht. Aber ist das wirklich nötig? Wenn ja, großartig. Wir machen das gerne. Aber es ist nicht immer notwendig.“

Für vollständig durchgeschweißte Schweißnähte sind zumindest in den meisten Fällen Schweißzugangslöcher erforderlich. „Überlegen Sie, wie diese aussehen werden und ob Ihr Architekt überhaupt zulässt, dass sie offen bleiben. Füllen Sie außerdem niemals ein Schweißzugangsloch mit Schweißgut, nachdem die Verbindung fertig ist. Wenn Sie ein Schweißzugangsloch haben und füllen müssen Versuchen Sie es mit Spachtelmasse. Wenn Sie die Lackierung auslagern, überlassen Sie es dem Maler.“

Auch die Schweißposition ist wichtig. Ein Hersteller kann eine Schweißnaht so positionieren, dass sie in der Werkstatt leicht zugänglich ist, auf dem Feld jedoch nicht so sehr. Wie Bradshaw erklärte: „Verwenden Sie den Zeichnungen zufolge die Technik des Niederhandschweißens? Eine vertikale Schweißnaht? Oder erfolgt die Schweißnaht über Kopf, was am schwierigsten herzustellen ist?“

Auch hier kommt es auf das Schweißvolumen an, und insbesondere Kehlnähte können viel Volumen beanspruchen (siehe Abbildung 4). „In einigen Fällen sieht ein Hersteller möglicherweise die Zeichnungen, in denen eine sehr große Kehlnaht gefordert wird, und fragt sich, ob es sich bei der Schweißnaht um eine teilweise oder sogar vollständig durchgeschweißte Schweißnaht handeln kann. Zwei sehr große Kehlnähte auf beiden Seiten der Platte können tatsächlich mehr haben Schweißvolumen als eine vollständig durchgeschweißte Schweißnaht.“

Berücksichtigen Sie auch die Größe der Schweißnaht, die die Schweißer einer Werkstatt beim Drahtschweißen in einem Durchgang ausführen können. Heutzutage können einige Werkstätten (abhängig von der Ausrüstung und dem Drahtdurchmesser) eine Einzeldurchgangsschweißung bis zu einem Durchmesser von 5/16 Zoll durchführen. Schweißnahtgröße. Andere Hersteller legen ¼ Zoll auf einmal ab. „Egal, alles über 5/16 Zoll wird eine Schweißnaht mit zwei Durchgängen sein“, sagte Bradshaw und fügte hinzu, dass die Anzahl der Durchgänge exponentiell mit der Schweißnahtgröße zunimmt. „Eine 5/8-Zoll-Schweißnaht wird zu sechs Durchgängen, eine ¾-Zoll-Schweißnaht zu 10 Durchgängen, eine 7/8-Zoll-Schweißnaht zu 15 Durchgängen und eine 1-Zoll-Kehlnaht zu 21 Durchgängen. Deshalb haben wir In manchen Fällen würde ich lieber eine Voll- oder Teildurchschweißung durchführen.“

Er fügte hinzu, dass Roboterschweißzellen sehr große Schweißnähte herstellen können, sie seien aber immer noch durch die Drahtgröße begrenzt. Und ja, mit dem Unterpulverschweißen (SAW) können sehr große Verbindungen in einem einzigen Durchgang geschweißt werden, aber nicht jede Schweißnaht kann für den mechanisierten Aufbau des UP-Schweißens ausgelegt werden.

ABBILDUNG 4. Mehrlagige Kehlnähte wie diese können viel Schweißgut erfordern, was die Projektkosten erhöht.

Die Fassadenbauer sind oft die letzten, die an einem Projekt beteiligt sind. Das kann eine Herausforderung sein, wie Bradshaw erklärte, da eine frühzeitige Koordination unerlässlich ist, um zu entscheiden, wie die Fassade mit den Randträgern und der Decke verbunden wird.

Auch eine komplizierte Abfolge der Arbeiten kann zu Mehrkosten führen. Bradshaw beschrieb beispielsweise ein Projekt, bei dem die Fassadenwinkelaussteifung durch Dehnungsverankerung an der Unterseite der Platte befestigt werden musste – eine Aussteifung, die erst nach dem Gießen der Platte angebracht werden konnte. „In diesem Fall wurde also der Stahl errichtet, die Platte gegossen und jemand musste zurückgehen und die Winkel einbauen.“

In manchen Fällen kann die Koordinierung der Fassadenanschlüsse von Anfang an – etwa durch Verschieben des Balkens oder eine Änderung der Plattenposition um den Bruchteil eines Zolls – zu einer einfachen, eleganten Lösung führen, die in der Entwurfsphase entwickelt wird. Diese Lösung wird mit ziemlicher Sicherheit kostengünstiger sein, als während der Bauphase die Herstellungs- und Montagepläne durcheinander bringen zu müssen.

Bradshaw zeigte auf eine Zeichnung mit einer Momentverbindung, in der ein W40-Träger von einem W30-Träger getragen wurde. „In diesem Fall mussten wir an der Unterseite des W30 einen WT anschweißen, um ihn auf die gleiche Tiefe wie den W40 zu bringen und die Flanschplatten anzubringen.

„Das ist ein extremes Beispiel“, fuhr Bradshaw fort, „aber denken Sie über die Einrahmung nach. Wir haben gesehen, wie ein W24 in einen W12 eingerahmt wird. Oftmals müssen Sie mit W24 so viel zurechtkommen, dass Sie es jetzt verstärken oder eine Art verlängerte Platte an der Unterseite anbringen müssen. Fazit: Versuchen Sie nicht, einen tieferen Abschnitt in einen wesentlich flacheren Abschnitt einzurahmen. Das kann leicht passieren ."

In Bereichen, in denen mehrere Momentenverbindungen in eine Stütze einfließen, etwa in einem Momentenrahmen, „ist es immer gut, für die Momententräger die gleiche Nenntiefe zu verwenden, damit am Ende nicht mehrere Schichten von Versteifungen entstehen“, sagte Bradshaw. „Wenn Sie die Nenntiefe Ihrer Momententräger auf beiden Seiten der Stütze beibehalten können, verringert sich der Arbeitsaufwand für die Installation mehrerer Schichten von Versteifungen.“

Das Kehlnahtschweißen von Versteifungen ist in der Regel einfach und kostengünstig, ist jedoch nicht immer möglich, wenn die Versteifungen zu nahe beieinander liegen. Manchmal kommt es vor, dass Schweißer vollflächige Schweißnähte auf gegenüberliegenden Seiten ausführen. „Es wird kompliziert“, sagte Bradshaw, „und es erhöht die Stunden, die für die Herstellung eines Stücks benötigt werden.“

Bei der Baukonstruktion kommt es nicht nur darauf an, wie viele Tonnen Stahl eine Werkstatt in einer bestimmten Zeit produzieren kann. Die Arbeit spielt eine große Rolle. „Wir messen die Kosten gerne anhand der Anzahl der Arbeitsstunden pro Tonne“, sagte Bradshaw.

Natürlich kann die Automatisierung diese Arbeitsstunden pro Tonne reduzieren, aber auch Klarheit und ständige Kommunikation können dazu beitragen. Geben Dokumente die genaue Version des Codes an? Die Angabe der „neuesten Version“ kann manchmal zu Verwirrung führen, da verschiedene Codes von verschiedenen Organisationen unterschiedliche Veröffentlichungspläne haben.

Sind projektspezifische Toleranzvorgaben vorgegeben? Während gängige Fertigungstoleranzen in ANSI/AISC 303-16, Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges, spezifiziert sind, müssen möglicherweise zusätzliche Toleranzen in den Entwurfsdokumenten spezifiziert werden, um die Arbeit anderer Gewerke, wie der Fassadenmontage oder anderer Architekturarbeiten, zu berücksichtigen endet.

Wo immer sich Baubauer treffen – bei NASCC, FABTECH oder anderswo –, befassen sich viele Sitzungen mit technologischen Fortschritten, aber ein großer Teil konzentriert sich normalerweise auf die Kommunikation und das Aufbrechen der Silos zwischen allen an einem Bauprojekt beteiligten Parteien. Aus diesem Grund, so Bradshaw, heißt er immer EORs, Detailer, Monteure, Verbindungstechniker (die Owen Steel beschäftigt), Maschinenbauunternehmer, Fassadenbauer und alle anderen, die mit dem Hochbau zu tun haben, zu einem Besuch willkommen. Eine effiziente Strukturfertigung erfordert die Verbreitung von Wissen, und seit mehr als zwei Jahrzehnten arbeiten Bradshaw und seine Kollegen – sowohl bei Owen Steel als auch bei anderen AISC-Mitgliedern – daran, genau das zu erreichen.

ABBILDUNG 3. Die Verbindungsingenieure von Owen Steel haben diese aussteifende Endverbindung im eigenen Haus entworfen. Unabhängig davon, ob die Verbindungstechnik intern durchgeführt oder ausgelagert wird, ist eine offene Kommunikation der Schlüssel.