Querschnittswerte von Stahlprofilen, erklärt

Ein Praxisleitfaden zu den Arten von Baustahlprofilen, ihren geometrischen Werten und der Frage, wie man das richtige Profil für Träger, Stützen und Fachwerkstäbe wählt. StructureCalcs enthält über 2.600 Profile aus sechs internationalen Normen.

Was sind Stahlprofile?

Baustahlprofile sind genormte Querschnittsformen, die warm gewalzt oder kalt geformt werden. Statt für jeden Träger und jede Stütze einen eigenen Querschnitt zu entwerfen, wählen Ingenieure aus einem Katalog vorgegebener Formen, die eng toleriert gefertigt werden. Diese Normung senkt Fertigungskosten und Lieferzeit erheblich und macht das Tragverhalten vorhersehbar.

Jede Form ist auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten. I-Profile (auch H-Profile oder Breitflanschprofile) sind biegewirksam, weil sie den Werkstoff weit von der Nulllinie entfernt anordnen. Hohlprofile sind druck- und torsionswirksam, weil sie den Werkstoff gleichmäßig um den Schwerpunkt verteilen. Winkel dienen der Aussteifung und den Anschlüssen, wo Einfachheit wichtiger ist als Tragwirkung.

Die Rechner von StructureCalcs bringen eine Bibliothek von über 2.600 Profilen aus sechs internationalen Normen mit: AS4100 (Australien), AISC (USA), EN10365 (Europa), BS4 (Großbritannien), JIS (Japan) und IS808 (Indien). Wählen Sie ein Profil, werden alle zugehörigen Werte automatisch geladen — Übertragungsfehler entfallen.

I-Profile und Breitflanschprofile (UB, UC, W, IPE, HEA)

I-Profile sind das Arbeitspferd des Stahlbaus. Sie bestehen aus zwei parallelen Flanschen (den waagerechten Blechen oben und unten), die ein senkrechter Steg verbindet. Die Flansche nehmen das Biegemoment auf (einer gedrückt, einer gezogen), der Steg die Querkraft.

Universalträger (UB) — in amerikanischer Praxis Breitflanschprofile W, in europäischer IPE — sind höher als breit. Die große Höhe verschafft ihnen ein hohes Flächenträgheitsmoment (Ix) um die starke Achse und macht sie als Träger sehr wirtschaftlich. Ein 310UB40.4 (australisches Profil mit 40.4 kg/m) hat Ix = 86.4 × 10⁶ mm⁴ und überspannt damit große Weiten bei sehr geringer Durchbiegung.

Universalstützen (UC) — Breitflanschprofile W, deren Flanschbreite etwa der Höhe entspricht, oder HEA/HEB in europäischer Praxis — sind gedrungener. Ihre breiteren Flansche ergeben ein größeres Iy (Flächenträgheitsmoment um die schwache Achse) und einen größeren Trägheitsradius, was den Knickwiderstand verbessert. Ein 310UC96.8 hat fast dieselbe Höhe wie ein 310UB40.4, wiegt aber mehr als doppelt so viel, weil seine Flansche viel breiter sind.

Wann ein I-Profil passt: Deckenträger, Dachträger, Stürze, Abfangträger, Kranbahnträger — und jedes Bauteil, das vor allem Biegung um eine Achse aufnimmt. Nehmen Sie UB-Profile für Träger (größtes Ix je Kilogramm) und UC-Profile für Stützen (größter Widerstand um die schwache Achse).

Abbildung 1.Ein Universalträger in den Nennmaßen eines 310UB40.4, mit eingezeichnetem Schwerpunkt. Ix = 84.3×10⁶ mm⁴ gegenüber Iy = 7.6×10⁶ mm⁴ — derselbe Stahl, in der einen Richtung 11-mal steifer als in der anderen.

U-Profile (PFC, C, MC, UPE)

U-Profile haben einen C-förmigen Querschnitt: einen Steg, dessen Flansche nur nach einer Seite ausladen. In australischer und britischer Praxis heißen sie U-Profile mit parallelen Flanschen (PFC), in amerikanischer C- oder MC-Profile.

Ihr Kennzeichen ist die Unsymmetrie. Schwerpunkt und Schubmittelpunkt fallen nicht zusammen, und beide liegen außerhalb des Stegs. Eine im Schwerpunkt angreifende Last verdreht das Profil deshalb, sofern es nicht seitlich gehalten ist. Darum setzt man U-Profile oft paarweise ein (Rücken an Rücken zu einem symmetrischen Querschnitt) oder verbindet sie mit Bauteilen, die die Verdrehung verhindern.

Wann ein U-Profil passt: Pfetten und Riegel (Dach- und Wandtragwerk), Treppenwangen, Randträger, leichte Tragwerke und als Teil zusammengesetzter Querschnitte. Ihr flacher Rücken lässt sich leicht an Wände und Stützen schrauben. In Fachwerken dienen Rücken an Rücken gesetzte U-Profile mitunter als Gurte.

Abbildung 2.Ein PFC 250. Der Schwerpunkt liegt zum Steg hin statt in der Mitte der Flansche — genau das macht die Arbeit mit einem U-Profil unsymmetrisch.

Hohlprofile (RHS, SHS, CHS)

Hohlprofile für den Stahlbau gibt es in drei Formen: rechteckig (RHS), quadratisch (SHS) und rund (CHS). Sie entstehen, indem flaches Blech zu einem Rohr geformt und die Naht verschweißt wird.

Hohlprofile haben gegenüber offenen Profilen mehrere eigene Vorteile:

  • Ausgezeichneter Druckwiderstand: Die geschlossene Form verteilt den Werkstoff gleichmäßig um den Schwerpunkt und ergibt in alle Richtungen einen hohen Trägheitsradius. Das Problem des Knickens um die schwache Achse, das offene Profile plagt, entfällt. CHS und SHS haben um jede Achse denselben Trägheitsradius.
  • Weit besserer Torsionswiderstand: Der geschlossene Querschnitt setzt dem Verdrehen viel mehr entgegen als ein I- oder U-Profil. Bei Bauteilen mit ausmittigen Lasten oder Querlasten ist das entscheidend.
  • Gutes Aussehen: Die klare, geschlossene Form wirkt bei sichtbaren Stahlbauteilen architektonisch ansprechend.
  • Weniger Instandhaltung: Die geschlossene Form bietet weniger Fläche zum Streichen und keine Innenflächen, an denen sich Feuchtigkeit sammelt — das senkt den Korrosionsschutzaufwand.

Wann ein Hohlprofil passt: Stützen (vor allem, wenn Knicken um beide Achsen maßgebend ist), Fachwerkstäbe (besonders gedrückte), sichtbarer Stahlbau, Außentragwerke und Geländer. Im Fachwerkrechner eignen sich Hohlprofile besonders gut, weil ihr hoher Trägheitsradius das Knicken gedrückter Stäbe verhindert.

Abbildung 3.Ein SHS 150×150×6: Ix = Iy = 12.0×10⁶ mm⁴ — es gibt also keine schwache Achse, die man verwechseln könnte.

Winkel (EA, UA, L)

Winkelprofile haben einen L-förmigen Querschnitt mit zwei im rechten Winkel zusammentreffenden Schenkeln. Gleichschenklige Winkel (EA oder L) haben zwei gleich lange Schenkel; ungleichschenklige (UA) einen längeren als den anderen.

Sie sind die einfachsten und günstigsten Profile. Sie lassen sich leicht über einen Schenkel verschrauben und eignen sich damit für Nebenbauteile, bei denen Tempo und Fertigungskosten zählen. Tragtechnisch sind sie wegen ihrer ausgeprägten Unsymmetrie jedoch wenig wirksam: Die Hauptachsen sind gegenüber den Schenkeln um 45° gedreht, und der Trägheitsradius um die schwache Hauptachse ist sehr klein.

Wann ein Winkel passt: Aussteifungsstäbe in Fachwerken und Rahmen (die überwiegend Normalkraft tragen), Stürze über kleinen Öffnungen, Konsolwinkel für Mauerwerk oder Bekleidung, Anschlussteile (Laschen, Knotenbleche) und leichte Tragwerke. In Fachwerken dienen einzelne oder doppelte Winkel häufig als Füllstäbe.

Abbildung 4.Ein ungleichschenkliger Winkel 150×90×10 mit eingezeichneten Hauptachsen — um 20.1° gegenüber den Schenkeln gedreht. Sein kleinstes I beträgt 0.9×10⁶ mm⁴ um diese gedrehte Achse, und genau dieser Wert interessiert das Knicken.

Wichtige Querschnittswerte: Ix und Iy

Das Flächenträgheitsmoment (I) ist der wichtigste Einzelwert für die Trägerbemessung. Es misst, wie wirksam der Querschnitt der Biegung widersteht.

Ix (um die starke Achse) bestimmt den Widerstand gegen Biegung in der senkrechten Ebene, der üblichen Lastrichtung. Ein senkrecht belasteter Träger biegt sich weniger durch und erhält geringere Spannungen, je größer Ix ist. Rechnerisch gilt I = ∫y² dA — die Summe jedes kleinen Flächenelements mal dem Quadrat seines Abstands zur Nulllinie. Werkstoff weit von der Nulllinie trägt weit mehr bei als Werkstoff nahe daran.

Iy (um die schwache Achse) bestimmt den Widerstand gegen Biegung in der waagerechten Ebene und ist für Biegedrillknicknachweise und die Stützenbemessung entscheidend. Bei I-Profilen ist Iy meist 5- bis 20-mal kleiner als Ix — Ausdruck ihrer hohen Wirksamkeit um eine einzige Achse.

Praktische Folge: Biegt sich Ihr Träger zu stark durch, brauchen Sie ein Profil mit größerem Ix. Die Höhe zu verdoppeln vervierfacht Ix ungefähr, wegen der Abhängigkeit von y². Deshalb sind hohe, leichte Träger (etwa 530UB82 oder W21x44) als Deckenträger oft wirtschaftlicher als niedrige, schwere (etwa 310UC96.8).

Wichtige Querschnittswerte: das elastische und das plastische Widerstandsmoment

Das Widerstandsmoment verknüpft das Biegemoment mit der größten Biegespannung im Querschnitt. Es gibt zwei Fassungen davon:

Sie lesen die Schreibweise nach AS 4100, die Z das elastische und S das plastische Widerstandsmoment nennt. ⚠ In Tabellen nach amerikanischer Praxis (AISC) sind diese beiden Buchstaben umgekehrt belegt — lesen Sie eine solche Tabelle, tauschen Sie sie. Ändern Sie oben auf der Seite die Bemessungsnorm, und jedes Symbol weiter unten folgt.

Elastisches Widerstandsmoment, Z: Es ist I geteilt durch den Abstand von der Nulllinie zur äußersten Faser (ymax). Die größte elastische Biegespannung beträgt σ = M / Z. Der Träger beginnt zu fließen, sobald diese Spannung die Streckgrenze fy erreicht. Je größer der Wert, desto größer das Moment, das der Träger vor dem Fließen aufnimmt. (Geschrieben Z in AS 4100, S in AISC, W_el im Eurocode und Z_e in IS 800.)

Plastisches Widerstandsmoment, S: Es steht für die volle plastische Tragfähigkeit des Querschnitts, bei der die Spannung überall fy erreicht hat (ober- und unterhalb der plastischen Nulllinie). Das plastische Moment beträgt Mp = fy × S. Bei I-Profilen liegt es üblicherweise 10–15 % über dem elastischen Wert; ihr Verhältnis ist der Formbeiwert. Moderne Normen (AS 4100, AISC LRFD, Eurocode 3) verwenden für kompakte Querschnitte das plastische Widerstandsmoment. (Geschrieben S in AS 4100, Z in AISC, W_pl im Eurocode und Z_p in IS 800.)

Praktische Folge: Bemessen Sie einen Träger auf Tragfähigkeit, muss das plastische Widerstandsmoment S mindestens so groß sein wie das Bemessungsbiegemoment geteilt durch das Produkt aus Abminderungsbeiwert und Streckgrenze — M* / (φ fy) nach AS 4100, Mu / (φ fy) nach AISC LRFD. Schlagen Sie es in den Profiltabellen nach, oder zeichnen bzw. setzen Sie den Querschnitt im Querschnittsrechner, der beide Widerstandsmomente berechnet, und prüfen Sie diese Ungleichung.

Querschnittsfläche und Trägheitsradius

Die Querschnittsfläche (A) ist die Gesamtfläche des Stahlquerschnitts, gemessen in mm² oder in². Sie bestimmt:

  • Die Normalkrafttragfähigkeit: Bei Fachwerkstäben und Stützen beträgt die größte Normalkraft vor dem Fließen Ny = fy × A.
  • Das Eigengewicht: Masse je Längeneinheit = A × Dichte des Stahls (7.850 kg/m³). Daraus ergibt sich die Eigengewichtslast des Trägers.
  • Die Dehnsteifigkeit: Sie beträgt EA/L und geht in die Steifigkeitsmatrizen von Fachwerken ein.

Der Trägheitsradius (r) beträgt √(I/A) und wird in mm oder Zoll gemessen. Er ist die Schlüsselgröße für das Knicken von Stützen. Der Schlankheitsgrad einer Stütze ist L/r, worin L die Knicklänge ist. Je größer die Schlankheit, desto knickgefährdeter die Stütze und desto kleiner ihre Tragfähigkeit.

Bei Stützen ist der maßgebende Trägheitsradius meist ry (um die schwache Achse), denn das Knicken tritt um die Achse mit dem kleinsten I und damit dem kleinsten r auf. Deshalb bevorzugt man UC-Profile (breitere Flansche, größeres ry) als Stützen gegenüber UB-Profilen, deren ry wegen der schmalen Flansche klein ist.

Im Fachwerkrechner ist die Querschnittsfläche A der wichtigste Querschnittswert, weil Fachwerkstäbe nur Normalkraft tragen. Wählen Sie ein Stahlprofil, wird A automatisch eingetragen.

Das richtige Profil wählen: ein Entscheidungsrahmen

Welches Stahlprofil passt, hängt von der Aufgabe des Bauteils ab:

  • Deckenträger (Biegung maßgebend): UB / W / IPE verwenden. Größtes Ix je Kilogramm Stahl anstreben. Mit dem leichtesten Profil beginnen, das die Durchbiegungsgrenze einhält, und danach Momenten- und Querkrafttragfähigkeit nachweisen.
  • Stützen (Knicken maßgebend): UC / HEA / HEB oder SHS/CHS verwenden. Den kleinsten Trägheitsradius maximieren. Bei kurzen Stützen (geringe Schlankheit) taugt fast jede Form; bei hohen, schlanken Stützen sind CHS oder SHS am wirtschaftlichsten.
  • Fachwerkgurte (Normalkraft und etwas Biegung): je nach Fachwerktyp UB, Doppelwinkel oder Hohlprofile. Bei schweren Fachwerken sind UB-Gurte üblich, bei leichteren bevorzugt man Hohlprofile.
  • Füllstäbe (nur Normalkraft): Winkel (günstig), CHS/RHS (druckwirksam) oder Flachstäbe (für reine Zugstäbe wie Aussteifungen).
  • Aussteifung (nur Zug): Winkel, Rundstäbe oder Flachstäbe. Da keine Knickgefahr besteht, ist das leichteste Profil mit ausreichender Fläche optimal.

Mit dem Trägerrechner und dem Fachwerkrechner vergleichen Sie Profile im Handumdrehen: Ändern Sie die Auswahl in der Liste und beobachten Sie, wie sich die Ergebnisse sofort aktualisieren.

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