Trennbalkenkonstruktion als Teil der Standard-Aufzugskonstruktion

Eine neue Methode zur Installation dieser als Teil des Aufzuginstallationsprozesses und ihre Vorteile

Dieses Papier wurde auf der Elevcon 2023 in Prag, Tschechische Republik, vorgestellt.

Schlüsselwörter: Konfigurationen von Aufzugsgruppen, Trennbalken, modulares System, Designstandard, Qualitätskontrolle, Prozessstandard, Designbericht, Aufzugsschacht, Unfallverhütung, Zeitersparnis

Abstract

Trennbalken können Projektmanagern Kopfzerbrechen bereiten, die Trennwände in einem Aufzugsschacht bereitstellen müssen, der zwei oder mehr Aufzüge beherbergen soll. Um Unfälle beim Handling und Schweißen von schwerem Stahlmaterial zu vermeiden, wird die Montage der Träger häufig dem Generalunternehmer oder einem Subunternehmer übertragen. Für die Einbindung Dritter sind Konstruktionszeichnungen, ein Ausschreibungsverfahren, eine Abstimmung, eine Abnahmeprüfung und schließlich das Reklamationsverfahren erforderlich.

In diesem Dokument wird eine neue Entwurfsmethode für die Installation von Trennbalken als Teil des Aufzuginstallationsprozesses vorgestellt und die vielfältigen Vorteile dieser innovativen Lösung erörtert.

1. Einleitung

Es ist üblich, dass Aufzugsschächte für Gruppenkonfigurationen (Duplex, Triplex usw.) vom Generalunternehmer ohne Trennwände erstellt werden (Abbildung 1). Die Vorderwand des Schachts bleibt oft völlig offen. Dies reduziert die Kosten für den Betonbau und eliminiert das Risiko von Reklamationen aufgrund der Schachtbewertung und etwaiger anschließender Korrekturarbeiten, die durchgeführt werden müssten. Darüber hinaus bietet es zusätzliche Flexibilität für den Entwurf des Aufzugssystems, der häufig erst nach Baubeginn detailliert beschrieben wird.

In diesem Fall wird der Aufzugsmonteur zur Befestigung der Führungsschienen sogenannte Trennbalken verwenden. Die Konstruktion und Beschaffung der üblicherweise aus Stahl gefertigten Trennbalken erfolgt in der Regel vor Ort. Diese Aufgabe inklusive Montage wird in der Regel einem ortsansässigen Stahlbauunternehmen übertragen. In einigen Ländern ist es Standard, dass das Aufzugsunternehmen verlangt, dass die Arbeiten im Rahmen des Schachtbaus durchgeführt werden. Die Ausführung erfolgt dann in der Verantwortung des Generalunternehmers.

Das Design und die Konstruktion des Trennbalkens beeinflussen den Fahrkomfort des Aufzugs, insbesondere bei Hochleistungsmodellen. Bei einer Notbremsung, bei der die Sicherheitselemente auslösen, kann es bei unsachgemäßer Montage der Trennbalken dazu kommen, dass die Sicherheitsvorrichtung den ausreichenden Kontakt zu den Führungsschienen verliert, was fatale Folgen haben kann. Um eine einwandfreie Funktion der Sicherheitseinrichtung zu gewährleisten, werden strenge Anforderungen an die maximale horizontale Verschiebung des Systems aus Führungsschienen und Trennbalken gestellt. Für Hochleistungssysteme werden diese Anforderungen definiert, um den Fahrkomfort zu gewährleisten (Vibrations- und Geräuschentwicklung in der Kabine, Lobby und Nebenräumen).

Die lokale Definition und Installation des Trennbalkens führt zur Definition einer Vielzahl von Lösungen, die im Hinblick auf die zentrale Planung und Ausführung hauptsächlich auf Qualitätsprüfungen und -kontrollen durch den Aufzugshersteller verzichten. Da das System aus Trennbalken und Führungsschienen einen wesentlichen Einfluss auf die Sicherheit und den Fahrkomfort des Aufzugs hat, wäre eine zentrale, spezifische Lösung für die Trennbalken sehr zu begrüßen (Merz, 2010). 

Für die Herstellung der Trennbalken schreibt der Stahlbau oft massive I-Träger vor, an die in der Werkstatt Ankerplatten angeschweißt werden und die dann direkt auf der Baustelle mit Ankern an der Schachtwand befestigt werden müssen. Die gewählte Lösung, insbesondere bei seismischen Bedingungen, besteht darin, Ankerplatten in Beton zu setzen, an die die I-Träger während der Installation geschweißt werden. Das Bewegen massiver Stahlträger in einer engen Schachtumgebung erfordert schwere Hebegeräte, während bei den Schweißarbeiten Funken entstehen können. Der Einbau der Trennbalken erfolgt in der Regel separat vor der Montage der Aufzugsanlage und ist abgeschlossen, bevor mit der Aufzugsmontage begonnen wird. Aufgrund der Unfallgefahr beim Umgang mit massiven Stahlträgern und der Brandgefahr durch Schweißfunken sollte die Montage der Trennbalken vorzugsweise einem Subunternehmer übertragen werden (Bild 2). 

Der Aufwand für die Auswahl, Beauftragung und Einweisung eines Subunternehmers in Bezug auf die korrekte Installation des Trennbalkens ist erheblich. Dennoch besteht nach der offiziellen Begutachtung des Schachts weiterhin die Gefahr, dass es zu Beanstandungen kommt, die eine Nachbesserung erforderlich machen. Der für diese Vorarbeiten erforderliche Zeitrahmen reduziert den Zeitaufwand für die Errichtung des Aufzugssystems. Es könnte auch zu einer Verzögerung bei der Übergabe der Aufzugsanlage an den Generalunternehmer kommen.

Wenn die Trennbalken installiert und vom Aufzugsunternehmen genehmigt wurden, kann sich das Anschließen der Schienenhalterung als problematisch erweisen. Befestigungslöcher müssen grundsätzlich vor Ort gebohrt werden; Vorinstallierte Befestigungslöcher müssen oft aufgeweitet werden. In bestimmten Fällen kann die Schienenhalterung auch an den Trennbalken angeschweißt werden. Aufgrund der mit diesen Arbeiten verbundenen Risiken dürfen in dieser Zeit keine weiteren Personen im Schacht arbeiten und der Brandschutz muss gewährleistet sein.

Das damit verbundene Unfallrisiko soll vermieden werden und der Zeitaufwand für die Durchführung der damit verbundenen Aufgaben ist erheblich.

Die Qualitätssicherung während der Installation und während des Abnahmeprozesses durch das Aufzugsunternehmen nach der Installation der Trennbalken ist sehr anspruchsvoll und schwierig zu erreichen.

2. Modulares System für Gebäudetragwerke           

Bei Installationsarbeiten im Bau von Gebäuden, Anlagen sowie On- und Offshore-Plattformen werden seit Längerem standardisierte Baukastensysteme zur Erstellung von Tragkonstruktionen zur Befestigung und Verlegung von Versorgungsleitungen aller Art eingesetzt. Diese Systeme wurden erweitert, um Plattformen zur Positionierung von Maschinen und Geräten, Gehwege, Fußwege usw. zu bauen (Merz, 2014).

Um modulare Systeme für den Bau von Trennbalken geeignet zu machen, wurden spezielle Profile und Verbinder entwickelt. Der Entwurf wird mit einer herstellerspezifischen Entwurfssoftware durchgeführt, die die Kraftbelastungen des gesamten Entwurfs überwacht und auch die eventuelle Verformung der Träger ermittelt.

Im Aufzugsmodellbau können modulare Systeme als Standardlösung integriert werden, so dass eine zentral definierte Qualität der Trennbalkenkonstruktion erreicht wird. Mit der Konzeption der Aufzugsanlage kann auch der Prozess der Installation modularer Trennbalken, bestehend aus Standardkomponenten, zentral definiert werden. Dies ermöglicht eine zentrale Kontrolle der Arbeitsqualität. Wenn der Lieferant des modularen Systems in der Lage ist, das System weltweit zu liefern, kann eine weltweit einheitliche Teilerbalkenqualität realisiert werden (Merz, 2010).

Da modulare Systeme im Vergleich zu Standard-Stahlträgern im Allgemeinen aus wesentlich leichteren Komponenten bestehen, kann die gesamte Installation der Aufzugsgruppenkonfiguration vor Ort neu definiert werden. Das Risiko von Unfällen bei der Installation kann reduziert oder sogar beseitigt werden.

Das hier gezeigte Baukastensystem besteht aus besonders stabil konstruierten, feuerverzinkten Stahlträgern, die aufgrund des speziellen Profils eine sehr flexible Verbindung von Anbauteilen unabhängig vom Hersteller ermöglichen. Auf beiden Seiten des Trägerprofils sind gezahnte C-Profile integriert (Bild 3). Dies unterstützt die Verwendung von T-Hammerkopfschrauben zur Befestigung der Schienenhalterungen. Zur horizontalen Positionierung der Schienenhalter sind die T-Hammerkopfschrauben unabhängig voneinander im C-Profil auf beiden Seiten verschiebbar und ermöglichen so eine vereinfachte Ausrichtung der Führungsschienen. Zusätzlich zum Kraftschluss bei der Schraubenbefestigung sorgt die Innenverzahnung für einen Formschluss, der die Stabilität der Verbindung unterstützt. Das Bohren von Befestigungslöchern oder Schweißen auf der Baustelle ist somit nicht mehr erforderlich (Merz, 2014).

Die Träger werden in speziellen Wandverbindern mit U-förmiger Öffnung befestigt. Die Wandverbinder können unabhängig vom Träger mit einem Verankerungssystem an den Wänden verankert werden, ähnlich dem, das die Schienenhalterungen an den Schachtwänden verankert (Abbildung 4). Es können mechanische oder chemische Anker sowie in Beton einbetonierte Ankerschienen verwendet werden (Merz, 2018).

Zu den Vorarbeiten zur Befestigung der Wandhalterungen an der Wand gehören bei der Montage die Verwendung und Handhabung kompakter Bauteile mit geringem Gewicht, die problemlos von einer Person positioniert und verankert werden können. Zur Positionierung der Verankerungslöcher eignen sich besonders Laserpositioniersysteme. Nach der Verankerung beider Wandhalter wird der eigentliche Trennbalken in die U-förmige Öffnung eingesetzt.

Der Trennbalken hat ein geringes Gewicht (9 kg pro Meter) im Vergleich zu Standard-Stahlbalken, die um den Faktor 2 bis 3 schwerer sind und daher in engen Schächten schwerer und schwieriger zu handhaben sind. Der Trennbalken kann ohne spezielle Hebe- oder Hebevorrichtungen in den Schacht gefahren und dann in der Wandhalterung platziert werden (Abbildung 5). Durch die Wandhalterungskonstruktion ist sichergestellt, dass die Trennbalken ohne weitere Vorkehrungen oder Vorkehrungen gegen Herabfallen oder Herabfallen gesichert sind.

Nach korrekter horizontaler Positionierung, die auch zur Ausrichtung der Führungsschienen genutzt werden kann, wird der Trennbalken mit Durchgangsschrauben am U-Profil des Wandverbinders festgeklemmt. Die Installation dieses Trennbalkentyps kann von einer einzelnen Person sicher in weniger als 30 Minuten durchgeführt werden.

Eine einfache Installation erfordert nur wenige prägnante Schritte und kann in einem Standardprozessablauf gut dokumentiert werden, der Installateuren weltweit über ein zentrales Dokumentationssystem zur Verfügung gestellt werden kann. Dies unterstützt die zentrale Qualitätssicherung für einen weltweit einheitlichen Prozess zur Montage von Trennbalken.

Beide Wandhalter sind hinsichtlich Länge und Lochung so konzipiert, dass sie in Verbindung mit dem Lochbild der Trennbalken eine spezifikationsgerechte Befestigung ermöglichen, auch wenn die Schachttiefe bauliche Toleranzen mit sich bringt. Das System überbrückt Schachttiefenabweichungen von bis zu +/- 40 mm, so dass alle Trennbalken in einheitlicher Länge auf die Baustelle geliefert werden können und ein nachträgliches Zuschneiden entfällt (Bild 6).

3. Technische Gestaltung der Trennbalken

Die technische Auslegung des Trennbalkens wird durch eine herstellerspezifische Berechnungssoftware unterstützt, die auf dem leistungsstarken Statikprogramm RSTAB basiert. Um die Belastungswiderstände und das Leistungsverhalten des Gesamtkonzepts zu bewerten, werden im Rahmen des Produktentwicklungsprozesses Finite-Elemente-Analysen mechanischer Komponenten auf Basis der Software ANSYS 2020 durchgeführt. Die Konstruktionssoftware wurde vom TÜV SÜD zertifiziert.

Numerische Berechnungen und praktische Tests wurden durchgeführt, um das FE-Modell zu kalibrieren und technische Daten für alle Komponenten in der Verifizierung mit physikalischen Tests zu ermitteln. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für einen Vergleich zwischen den praktischen Tests und der numerischen Simulation eines 2 m langen Teilerbalkensatzes in Originalgröße. Die Spannungsverteilungen in den Bauteilen und im Gesamtmodell wurden detailliert ermittelt und dokumentiert. Für den dargestellten Fall (Abbildung 7) wurde folgender Aufbau verwendet: Materialmodell von S350 für den Träger und S355 für die Basisanschlüsse mit rund 93,000 Multizonen-Hex-Elementen und mehr als 608,000 Knoten. Letztlich fließen alle Erkenntnisse und umfangreichen Daten der numerischen Simulationen in die Berechnungssoftware ein und dienen als Grundlage für die technische Auslegung.

Die Berechnungssoftware erstellt einen umfassenden Bericht über die Systemauslegung. Die Eingabedaten der auf die Führungsschienen wirkenden Kräfte werden ebenso dokumentiert wie die geometrische Positionierung der Führungsschienen mittels der Schienenhalterungen am Trennbalken. Dies wird durch eine schematische Skizze des Trennbalkens untermauert. Im Rahmen des Designprozesses entsteht ein Vorschlag für ein spezifisches Trägerprofil und eine passende Wandhalterung. Auch ihr Leistungsgrad wird in Abhängigkeit von den Belastungen in den Bauteilen dokumentiert. Zusätzlich wird die Durchbiegung der Trennbalken an der Stelle dargestellt, an der die Führungsschienen an den Trennbalken befestigt sind (Merz, 2014).

Eine Schnittstelle zur Ankerkonstruktionssoftware desselben Herstellers unterstützt die gleichzeitige Konstruktion der Verankerung des Trennbalkens an den Schachtwänden und dokumentiert die verschiedenen vorgeschlagenen Ankersysteme einschließlich ihrer Tragfähigkeitsrate.

Abhängig vom Aufzugsmodell des Herstellers und den Anforderungen an eine maximale Verformung von Führungsschienen und Trennbalken unter Last ist die Flexibilität bei der Auswahl der Balkenprofile und Wandhalterungen begrenzt. Für jede dieser Varianten kann mit der Berechnungssoftware eine detaillierte Auslegung durchgeführt werden, deren Ergebnisse dann in einer Tabelle dokumentiert werden (Abbildung 8). Die Tabelle dient dann als Standardspezifikation für die verschiedenen Aufzugsmodelle, die den Kunden angeboten werden.

Dies reduziert den lokalen Planungsaufwand, eliminiert Fehlerquellen und spart Kosten bei der Konstruktion und Installation von lokal installierten Trennbalken und unterstützt außerdem die zentrale Qualitätssicherung bei der Konstruktion von lokal installierten Trennbalken. 

4. Die Vorteile standardisierter modularer Lösungen

Neben Qualität und Entwicklung ergeben sich für die Lieferkette auch Vorteile in der Beschaffung eines weltweit einheitlichen Systems für Trennbalken (Abbildung 9).

Die Zentralisierung der Beschaffung unterstützt die Umsetzung von Skaleneffekten bei Preisverhandlungen. Dies wiederum bedeutet, dass sich die Kosten des Baukastensystems weniger von den Kosten lokal beschaffter Lösungen unterscheiden, als dies bei Zugrundelegung lokaler Baukastenpreise der Fall sein könnte.

Durch Zeitersparnis und den Wegfall bestimmter Werkzeuge und Geräte zur Handhabung des leichteren Materials können zudem Kostenvorteile bei der Montage des Trennbalkens realisiert werden. Die Verarbeitung einer geringeren Stahlmenge bei der Herstellung einer definierten Länge von Trennbalken führt dazu, dass weniger Energie für die Herstellung der Trennbalken aufgewendet wird. Aus modularen Systemen konstruierte Trennbalken tragen erheblich dazu bei, die von den verschiedenen Aufzugsunternehmen vorgegebenen Ziele für den CO2-Fußabdruck zu erreichen.

Die große Vereinfachung der Trennbalkenmontage verbunden mit einer Reduzierung des Unfall- und Fehlerrisikos kann im Einzelfall dazu führen, dass das Trennbalkenpaket vom Generalunternehmer an den Aufzugsbauer übertragen wird, was zu einer Erhöhung beider beitragen kann Umsatz und Gewinn.

 Auch die Standardisierung von Lösungen mit komplexen Trennwandkonstruktionen bestehend aus Pfeilern und Trennbalken verringert die Möglichkeit, dass im Einzelfall die gesamte Schienenbefestigung umgestaltet werden muss, um die Abstände zwischen den Schienenhalterungen zu vergrößern (Abbildung 10). Dies kann dazu führen, dass bei der Montage im Schacht kleinere Schienenprofile mit geringerem Kosten- und Aufwand verwendet werden können.

Eine weitere, komplexere Anwendung ergibt sich bei Modernisierungen, bei denen moderne Seilaufzüge mit maschinenraumloser (MRL) Bauweise alte hydraulische Maschinen ersetzen sollen. Da die Kabine durch die hydraulische Konstruktion oft von unten nach oben geschoben wird, war keine tragende Struktur im Gebäude erforderlich. Leider verteilen MRL-Aufzüge die höchsten und komplexesten Belastungen auf die Gebäudestruktur auf und über der Ebene des obersten Treppenabsatzes.

Mithilfe modularer Stützsysteme kann eine Käfigstruktur entworfen und gebaut werden, in der die Seilaufzugsmaschine und die Schienen zusammengebaut werden (Abbildung 11). Die modulare Tragkonstruktion nimmt die Kräfte der Aufzugskomponenten auf und leitet sie über ihre Verankerung an der oberen Stockwerksplatte an das Gebäude weiter.

 Für einen bestimmten Seilaufzugstyp des Herstellers kann ein standardisiertes modulares Design entwickelt werden, das eine einfache, schnelle Installation mit viel weniger Lärm und Staub ermöglicht, als bei herkömmlichen Bauaktivitäten mit Beton- und Stahlelementen die Herstellung einer solchen Struktur erforderlich wäre.

5. Schlussfolgerungen

Es gibt gute Gründe, bei Gruppenaufstellungen in Schächten auf die Gestaltung einer bauseitigen Trennwand zu verzichten. Die Qualität der Befestigung und Montage der Führungsschienen ist für die Sicherheit und den Fahrkomfort der Aufzugsanlage von entscheidender Bedeutung. Zur Befestigung der Führungsschienen zwischen den Aufzugsanlagen müssen Tragkonstruktionen errichtet werden. Die Planung, Konstruktion und Montage dieser Tragkonstruktionen wird in der Regel einem örtlichen Subunternehmer übertragen. Dieser Prozess stellt eine erhebliche Herausforderung für den zentralen Qualitätskontrollprozess dar und birgt erhebliche Risiken in Bezug auf Unfälle, zusätzliche Kosten und Zeitverzögerungen bei der Installation.

In vielen Branchen sind Baukastensysteme für die Konstruktion von Tragwerken längst etabliert. Weltweite Anbieter dieser modularen Systeme unterstützen weltweite Standards für modular aufgebaute Tragkonstruktionen in der Industrie. Die modularen Systeme wurden so erweitert, dass sie für den Einsatz bei der Gestaltung von Trennwandkonstruktionen für Multiplexanlagen im Aufzugbau geeignet sind (Abbildung 12).

Die Spezifikation von Standardlösungen, basierend auf einem solchen Baukastensystem für Trennbalken, die in bestimmten Systemmodellen verwendet werden, ermöglicht eine zentrale Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung beim Bau von Trennwandkonstruktionen. Mit der Standardisierung der Lösung geht eine Vereinheitlichung des Montageprozesses einher, der sich durch die Handhabung von Leichtbauteilen auszeichnet, die vor Ort zusammengebaut werden, ohne dass Trenn- oder Heißfügeprozesse (wie Schweißen etc.) erforderlich sind. Dadurch ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen hinsichtlich der Vermeidung von Unfallrisiken, der Zeit- und Kostenersparnis sowie der Integration der Installation des Trennwandsystems in den Montageprozess der Aufzugsanlage.

Wenn die Trennwandstruktur in Normen als integraler Bestandteil des Aufzugssystemmodells spezifiziert ist, können die Kosten für ihre Bereitstellung in die Lieferinstrumente der Aufzughersteller einbezogen werden.

Die Vielzahl an Vorteilen, die modulare Systeme bei der Erstellung von Trennwandkonstruktionen mit sich bringen, werden aller Voraussicht nach dazu führen, dass sich diese Lösungen in Zukunft weltweit etablieren werden.

Danksagungen

Vielen Dank an Dr. Alexander Eberlein, Teamleiter Specials im Corporate Project Management Office von Hilti, FL-Schaan in Liechtenstein, für seine Unterstützung bei den Details der FEM (Finite-Elemente-Methode) zur Unterstützung der Entwurfsberechnung von Aufzugstrennträgern.

Referenzen

1. Merz, M. (2010). Praktisches Beanspruchungsverhalten des kompletten Schienenbefestigungssystems. Elevator Technology 18: Proceedings of ELEVCON 2010 (A. Lustig), Luzern, S. 248-257. Elevator World, 2011, 59(6).
2. Merz, M. (2014). Modulare Stützsysteme ersetzen geschweißte Stützstrukturen. Elevator Technology 20: Proceedings of ELEVCON, 20 (A. Lustig), Paris, 214-226.
3. Merz, M. (2018). Mehrwert von Ankern nach einem Zulassungs-/Bewertungsstandard. Elevator Technology 22: Proceedings of ELEVCON, 22 (A. Lustig), Berlin, 12-23.