aiMOOC

Objekte aus genormten Halbzeugen planen und konstruieren - Technischer Systemplaner - LF 6 SMT

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Einleitung

Wie wird aus einer funktionalen Idee eine eindeutige und prüfbare Stahlkonstruktion? In diesem aiMOOC bearbeitest du einen fiktiven Auftrag vom Lesen der Anforderungen über das Berechnen und Konstruieren bis zur digitalen Fertigungsdokumentation. Schwerpunkt ist Lernfeld 6 der Fachrichtung Stahl- und Metallbautechnik (SMT) im zweiten Ausbildungsjahr (KMK-Zeitrichtwert: 100 Stunden). Ein Stahlprofil wird nicht allein nach Aussehen ausgesucht: Lastabtragung, Werkstoff, Abmessung, Fertigung, Verbindung, Qualität und Kosten müssen zusammenpassen.

Am Ende kannst du Fertigungszeichnungen analysieren und ändern, passende genormte Halbzeuge und Werkstoffe begründet wählen, idealisierte Träger berechnen, Querschnittswerte verwenden, Verbindungen und Prüfungen unterscheiden, einen Schweißfolgeplan erklären, Zuschnitte und Massen ermitteln und aus dem Ergebnis Einzelteil-, Gruppen- und Gesamtzeichnungen mit Stückliste sowie einen Prüfbericht erstellen.

Sicherheitsgrenze: Alle Rechenbeispiele dienen dem Lernen; sie sind weder eine freigabefähige Tragwerksbemessung noch eine Schweißanweisung. Für reale tragende Bauteile sind die einschlägigen aktuellen Eurocodes mit Nationalen Anhängen, Ausführungsregeln, Bauvorschriften, zugelassene Produkte und die Prüfung durch befugte Fachleute erforderlich. Schweißen, thermisches Trennen, Richten, Prüfen unter Gefahrstoffeinwirkung oder mit Strahlung sowie Arbeiten an tragenden Systemen erfolgen ausschließlich nach betrieblicher Gefährdungsbeurteilung und unter befugter Aufsicht. Eine sichere Alternative sind CAD, Papiermodelle und statische Simulationen ohne gefährliche Lasten.

Arbeitsweise: Plane, begründe, prüfe und verbessere jede Entscheidung. Nutze anonymisierte Übungsdaten; keine echten Kunden-, Betriebs- oder Schülerdaten in externe CAD-, KI- oder Cloud-Dienste übertragen. Maßgeblich für die Ausbildungsdurchführung sind zusätzlich der betriebliche Ausbildungsplan, der Landeslehrplan und die zuständige Industrie- und Handelskammer.

Kundenauftrag, Halbzeuge und Werkstoffe verstehen

Anforderungen in prüfbare Entscheidungen übersetzen

Ein Halbzeug ist ein industriell vorgefertigtes Ausgangsprodukt, zum Beispiel Profilstahl, Blech, Flachstahl oder Rohr. Ein genormtes Profil besitzt eine definierte Querschnittsgeometrie und Bezeichnung; du vergleichst dazu aktuelle Normen, Hersteller- und Lieferantendaten. Trenne Lastenheft (was der Auftrag verlangt) und Pflichtenheft (wie die Anforderungen umgesetzt und nachgewiesen werden). Notiere den Verwendungszweck, Bauraum, Auflager, Lasten einschließlich Lastkombinationen, Umgebung/Korrosion, Lieferlängen, Montageweg, Brandschutzanforderungen sowie Verantwortlichkeiten.

Der typische Arbeitsweg lautet: Auftrag klären → Quellen und Risiken prüfen → Varianten skizzieren → Tragmodell aufstellen → Querschnitt und Werkstoff vorbemessen → Verbindungen festlegen → CAD-Zeichnungen erstellen → Stückliste und Materialbedarf berechnen → unabhängige Kontrolle und Änderung dokumentieren. Beginne nie mit einer beliebigen Profilgröße und versuche erst danach, die Anforderungen passend zu machen.

Profilformen, Bezeichnungen und Fachenglisch

Zu den Langprodukten gehören I- und H-Profile für Biegung und Druck, U-Profile, Winkelprofile, T-Profile und Rechteck-/Rundhohlprofile. IPE bezeichnet eine Reihe parallelflanschiger I-Profile; HE eine weitere Trägerfamilie. Ein I-Träger besteht aus Gurten (flanges) und Steg (web). Weitere Begriffe: beam = Träger, column = Stütze, brace = Verband/Diagonale, joint = Anschluss, bolt = Schraube, weld = Schweißnaht, mild steel = un- bzw. niedriglegierter Baustahl im passenden Kontext. Englische Begriffe dienen auch dem Lesen internationaler Datenblätter.

Querschnitt eines IPE-Trägers; Abmessungen und Achsen aus einem Datenblatt immer mit der gewählten Biegeachse abgleichen. Bildnachweis und Lizenz im OER-Abschnitt.

Die aktuelle DIN EN 10365:2026-09 behandelt Maße und Massen warmgewalzter U-, I- und H-Profile; eine Ausgabe aus 2017 ist inzwischen ersetzt. Für Stahlgüten und Lieferbedingungen sind unter anderem die einschlägigen Teile der Reihe EN 10025, Produktnachweise und Herstellerangaben relevant. Beispiel S235JR: „S“ kennzeichnet Baustahl; die Zahl 235 bezieht sich auf eine nominelle Mindeststreckgrenze für bestimmte Dickenbereiche, ist aber kein pauschaler Bemessungswert. „JR“ betrifft eine festgelegte Kerbschlagarbeit unter normierten Prüfbedingungen. Streckgrenzen, Dickeneinflüsse, Zähigkeit, Schweißeignung und Lieferzustand im aktuellen Datenblatt überprüfen.

Häufige Fehler: IPE und HE verwechseln, eine alte Profiltabelle ungeprüft übernehmen, Kilogramm pro Meter mit Kilogramm pro Stück vertauschen oder die hochtragfähige Profilachse nicht korrekt ausrichten. Auch ein formal passender Querschnitt kann wegen Stabilität, Anschlussdetails, Korrosion oder Durchbiegung ungeeignet sein.

Werkstoffveränderung, Korrosion und Nachhaltigkeit

Wärmeeintrag beim Schweißen oder thermischen Trennen kann das Gefüge, die Wärmeeinflusszone, Maßhaltigkeit und vorhandene Eigenspannungen beeinflussen. Wärmebehandlungen, Kaltverformung und Richten sind keine beliebig austauschbaren Verfahren. Entscheide anhand von Werkstoff, Lieferzustand, Bauteildicke, Vorgaben aus Zeichnung/Schweißanweisung und Fachfreigabe. Die Planung berücksichtigt außerdem Zugänglichkeit zur Schweißnaht und Beschichtung, Korrosionsschutzsystem, Materialtrennung und spätere Demontage.

Nachhaltiges Konstruieren heißt nicht nur „möglichst dünn“: Ein optimierter Verschnittplan, langlebiger Korrosionsschutz, überprüfte Wiederverwendbarkeit, verschraubte demontierbare Verbindungen und die richtige Materialmenge vermeiden Ressourcenverbrauch. Prüfe zugleich Beschichtung, Wartung und gegebenenfalls die Eignung wiederverwendeter Bauteile nach gesonderten Vorgaben. Wiederverwendung ohne Material-, Zustands- und Tragfähigkeitsnachweis ist keine sichere Abkürzung.

Tragwerke modellieren und Schnittgrößen berechnen

Lastabtragung, Lager und Aussteifung

Ein Tragwerk leitet Kräfte über Träger, Stützen und Anschlüsse zu den Auflagern beziehungsweise Fundamenten. Das statische Modell entscheidet über die Rechnung: Ein Festlager eines ebenen idealisierten Trägers überträgt zwei Kraftkomponenten, ein Loslager eine Komponente; eine Einspannung kann zusätzlich ein Moment aufnehmen. Reale Anschlüsse sind je nach Steifigkeit gelenkig, nachgiebig oder biegesteif. Eine unüberlegte Annahme „alles fest eingespannt“ führt zu falschen Schnittgrößen.

Verbände steifen Konstruktionen beispielsweise gegen horizontale Einwirkungen aus und leiten diese in geeignete Abstützungen. Rahmen tragen über ihre Stab- und Knotensteifigkeit. Bei Stützen sind Knicken und zweite Ordnung zu beachten; bei Trägern unter anderem seitliches Ausweichen beziehungsweise Biegedrillknicken. Für diesen Kurs werden zunächst statisch bestimmte ebene Systeme berechnet, bevor du komplexe Systemnachweise einordnest.

Schematischer Einfeldträger. Bei jeder Aufgabe eigene Lasten, Richtung, Abstände und Auflagerreaktionen ergänzen.

Deutschsprachiges Video von Eugen Nachtigall über Auflagerkräfte eines geneigten Einfeldträgers; übertrage die Gleichgewichtsbedingungen anschließend auf den einfacheren waagerechten Balken.

Auflagerkräfte mit Gleichgewicht

Für ein ebenes, statisch bestimmtes Tragmodell gelten die drei unabhängigen Gleichgewichtsbedingungen Summe der horizontalen Kräfte = 0, Summe der vertikalen Kräfte = 0 und Summe der Momente = 0. Lege vor der Rechnung ein Koordinatensystem und ein Vorzeichensystem fest.

Beispiel: Ein waagerechter Einfeldträger mit Festlager links A, Loslager rechts B, Spannweite L = 2,00 m und einer mittigen, senkrechten Einzellast F = 4,00 kN. Am gesamten Balken ist die horizontale Lagerkraft null. Aus dem Momentengleichgewicht um A folgt B_y · 2,00 m − 4,00 kN · 1,00 m = 0, also B_y = 2,00 kN. Aus dem vertikalen Kräftegleichgewicht A_y + B_y − F = 0 folgt A_y = 2,00 kN. Plausibilitätskontrolle: Beide Lagerkräfte zeigen aufwärts und ergeben zusammen genau 4,00 kN.

Verschiebt sich dieselbe Einzelkraft auf den Abstand a = 0,50 m vom Lager A, folgt B_y = F · a / L = 1,00 kN und A_y = 3,00 kN. Merke: Für das Moment musst du stets den senkrechten Hebelarm verwenden; der Lastabstand ist nicht generell L/2.

Normalkraft, Querkraft und Momentenverlauf

Die Normalkraft N wirkt entlang der Stabachse; die Querkraft V quer dazu; das Biegemoment M beschreibt die Biegewirkung. Schneide den Balken gedanklich frei und ermittle Schnittgrößen aus dem Gleichgewicht eines Teilstücks. Bei der mittigen Einzellast im obigen Beispiel gilt für den Bereich 0 kleiner x kleiner 1,00 m: V = +2,00 kN und M(x) = 2,00 kN · x. Rechts der Last gilt V = −2,00 kN und M(x) = 2,00 kN · (2,00 m − x). An der Last springt die Querkraft um −4,00 kN, das Biegemoment bleibt dort stetig.

Damit sind M(0) = 0, M(1,00 m) = +2,00 kNm, M(2,00 m) = 0. Der positive Momentenverlauf ist dreieckig. Das Beispiel besitzt bei fehlender Horizontalkraft N = 0. Andere Lastfälle erzeugen andere Linien; verteile eine Streckenlast nicht irrtümlich wie eine Einzelkraft am Schnittufer.

Momentenverlauf eines Balkens mit Mittenlast; prüfe die verwendete Vorzeichenkonvention.

Kontrollfrage ohne Lösungsvorgabe: Welcher Verlauf entsteht bei einer gleichmäßig verteilten Streckenlast? Skizziere zuerst die Querkraft und begründe daraus die Form des Momentendiagramms. Eine solche Konstruktion darf erst dann als tragfähig bezeichnet werden, wenn sämtliche für sie relevanten Nachweise geführt sind.

Querschnitte auswählen und Verformungen beurteilen

Schwerpunkt, Flächenträgheitsmoment und Widerstandsmoment

Der Schwerpunkt eines homogenen zusammengesetzten Querschnitts lässt sich über Flächen und Schwerpunktlagen ermitteln: y_S = Summe(A_i · y_i) / Summe(A_i). Bei symmetrischen I-Profilen liegt der Schwerpunkt auf den Symmetrieachsen. Bei L-Profilen oder einer exzentrischen Schweißbaugruppe darfst du das nicht einfach voraussetzen. Das Flächenträgheitsmoment I (Einheit mm⁴) beschreibt die Flächenverteilung bezüglich einer Achse; mit dem Steiner-Anteil A_i · d_i² lassen sich zusammengesetzte Querschnitte berechnen. Das elastische Widerstandsmoment W_el (mm³) ist I geteilt durch den Abstand e_max zur äußersten Faser.

Im elastischen linearen Grundmodell gilt für reine Biegung sigma_b = M_b / W_el; die Einheit Nmm / mm³ ergibt N/mm². Bei Zug oder Druck kommt die axiale Normalspannung F / A hinzu, und die Kombination ist zu beurteilen. Ein statischer Festigkeitsvergleich ohne Querschnittsklasse, Stabilitätsnachweise, Lastkombinationen und Teilsicherheitsbeiwerte ist kein bauaufsichtlich ausreichender Nachweis.

Deutschsprachiges Video von StudyHelpTV: Unterschied zwischen Normal- und Biegespannung.

Reale Profildaten statt Schätzwerte

Für ein beispielhaftes IPE 100 nennen die überprüften Profiltabellen h = 100 mm, b = 55 mm, A ungefähr 10,3 cm², I_y = 171 cm⁴, W_el,y = 34,2 cm³ und eine theoretische Masse von ungefähr 8,1 kg/m. Die konkrete Datenquelle lautet Profiltabelle IPE 100; die Werte sind bei einer realen Bestellung gegen aktuelle Hersteller- und Normdaten zu prüfen. Ein I-Profil weist in den zwei Hauptachsen stark unterschiedliche Biegeeigenschaften auf.

Für den Träger aus dem vorigen Kapitel wird die starke y-Achse angenommen. Rechne einheitenrichtig um: M_max = 2,00 kNm = 2 000 000 Nmm und W_el,y = 34,2 cm³ = 34 200 mm³. Somit sigma_b,max = 2 000 000 / 34 200 = 58,48 N/mm². Dieses Ergebnis ist eine elastische Vergleichsgröße, keine Freigabe. Ein bloßer Vergleich mit „235“ ohne passende Bemessungswerte und Zusatznachweise ist fachlich unzureichend.

Durchbiegung, Stabilität und Einheitenkontrolle

Die Durchbiegung beeinflusst Gebrauchstauglichkeit, Verformung angeschlossener Bauteile und Erscheinungsbild. Für den idealisierten, gelenkig gelagerten Einfeldträger mit mittiger Einzelkraft gilt unter den Annahmen der linearen Euler-Bernoulli-Balkentheorie: w_max = F · L³ / (48 · E · I). Mit F = 4 000 N, L = 2 000 mm, E = 210 000 N/mm² als Übungsannahme für Stahl und I_y = 171 cm⁴ = 1 710 000 mm⁴ erhältst du w_max = 1,86 mm (gerundet). Eine im Unterricht frei angenommene Vergleichsgrenze L/300 = 6,67 mm würde für dieses Beispiel eingehalten. L/300 ist hier ausdrücklich nur ein didaktischer Vergleichswert und kein pauschaler normativer Grenzwert.

Träger können trotz geringer rechnerischer Biegespannung wegen Biegedrillknicken, Beulen, unzureichender Aussteifung, Querkraft oder einer nicht ausreichend ausgebildeten Verbindung versagen. Stützen können knicken; die wirksame Knicklänge hängt vom System ab. Erforderliche Bemessungen erfolgen nach den aktuellen Regeln und nationalen Festlegungen, beispielsweise DIN EN 1993-1-1:2025-04 mit Nationalem Anhang 2026-04.

Typische Fehler beim Berechnen: I in cm⁴ in eine mm-Rechnung übernehmen, Gewicht mit Last in kN gleichsetzen, Querschnitt um 90 Grad verdrehen, eine Einzelkraft in der Mitte für eine Streckenlast halten, die Durchbiegung ohne E-Modul oder die Tragfähigkeit ohne Stabilität beurteilen. Schreibe immer Eingabedaten, Einheiten, Annahmen, Rechenweg und eine Plausibilitätsprüfung dazu.

Anschlüsse, Schweißfolge und Prüfverfahren planen

Schraub- und Schweißverbindungen differenzieren

Eine Schraubverbindung kann montagefreundlich und demontierbar sein. Zu dokumentieren sind unter anderem Schraubenklasse, Durchmesser, Garnitur, Anzahl, Lochbild, Randabstände, Anschlussblech, Verbindungskategorie und gegebenenfalls Vorspannanforderung. Eine Schweißverbindung schafft einen stoffschlüssigen Anschluss; Nahtart, Nahtlage, wirksame Abmessungen, Verfahren, Qualitätsanforderung und Prüfumfang müssen geplant werden. Erforderliche Nachweise für Scherung, Zug, Lochleibung, Blockversagen, Nahttragfähigkeit und gegebenenfalls Ermüdung sind nicht durch „vier Schrauben reichen vermutlich“ zu ersetzen.

Die aktuelle Anschlussbemessung ist etwa in DIN EN 1993-1-8:2025-04 mit Nationalem Anhang 2026-04 verankert. Die Ausführung von Stahltragwerken behandelt DIN EN 1090-2:2024-09 (Normenstatus und projektbezogene Anwendbarkeit laufend prüfen).

Schematische Schraubenverbindung im Schnitt; kein konstruktiver Bemessungsnachweis.

Deutschsprachige Grundlagen zur Schraubenverbindung von Sergej Karch; für tragende Stahlbauanschlüsse gelten ergänzende bauteilspezifische Bemessungsregeln.

Vereinfachtes Rechenprinzip: Wenn in einer fiktiven Übung für einen einzigen relevanten Lastfall die rechnerisch ansetzbare Widerstandskraft je Schraube schon fachlich vorgegeben ist (zum Beispiel 1,5 kN), ergibt sich bei zwei ideal gleich belasteten Schrauben ein zusammengefasster Ansatz von 3,0 kN. Das übersteigt eine Übungslast von 2,0 kN. Eine echte Bemessung muss darüber hinaus die Verbindungskategorie, alle Versagensarten, Kräfteverteilung und nationale Regeln prüfen; die beispielhaften 1,5 kN sind kein Tabellenwert und kein zugelassener Schraubenwiderstand.

Nahtzeichen, Schweißfolge und thermische Verfahren

Zeichne Schweißnähte nach dem für den Auftrag vereinbarten System der aktuellen DIN EN ISO 2553:2022-07; dazu gehören Bezugs- und Pfeillinie sowie geeignete Angaben zu Nahtart, Abmessung und Länge. Erfinde keine symbolische Nahtangabe aus einer Skizze, sondern prüfe sie gegen das aktuelle Normblatt und die betriebliche Vorgabe. Zur Auswahl möglicher Verfahren zählen etwa Lichtbogenverfahren und gegebenenfalls Widerstandsverfahren; Eignung und Qualifikation hängen von Material, Blechdicke, Zugänglichkeit und Beanspruchung ab.

Ein Schweißfolgeplan hält die Reihenfolge einzelner Nahtabschnitte mit Positionskennungen, Zugänglichkeit, Heft- und Kontrollschritten sowie Zwischenprüfungen fest. Ziel ist unter anderem die Begrenzung ungleichmäßiger Wärmeeinbringung und von Schweißverzug. Für ein symmetrisches Lehrmodell kannst du zwei seitlich gegenüberliegende Nähte als Folge A–B und dokumentierte Zwischenkontrolle planen; die tatsächliche Reihenfolge, Heftung und Spannvorrichtungen bestimmt nur die qualifizierte Schweißaufsicht anhand der zugelassenen Verfahren.

Verformung durch Wärmeeintrag an einer Kehlnaht; deshalb gehört die Verzugsvorsorge in die Planung.

Beim thermischen Trennen sind Schnittfuge, Wärmeeinfluss, Toleranz, Oberfläche und Emissionen zu berücksichtigen; beim Richten Gefügeänderungen und Eigenspannungen. Schneiden, Schweißen und Flammrichten niemals ohne betriebliche Freigabe, Aufsicht und passende Schutzmaßnahmen durchführen. Sichere Lernalternative: Zuschnitt und Wärmeschrumpfung geometrisch in CAD vergleichen oder Verzug anhand eines Papiermodells simulieren.

Schweißnahtprüfung und Arbeitsschutz

Zerstörungsfreie Prüfverfahren sind beispielsweise Sichtprüfung (VT), Farbeindringprüfung (PT) auf geeignete oberflächenoffene Unregelmäßigkeiten, Magnetpulverprüfung (MT) bei magnetisierbaren Werkstoffen sowie Ultraschall- (UT) und Durchstrahlungsprüfung (RT) für geeignete innenliegende Fehlerlagen. Zerstörende Prüfungen umfassen etwa Zug-, Biege- oder Bruchprüfungen an Proben. Prüfmethode, Qualifikation, Prüfumfang und Bewertungsmaßstab richten sich nach Naht, Material und Anforderung, nicht allein nach dem Wunsch „keine Beschädigung“. Aktuelle Orientierung: DIN EN ISO 17635:2025-08.

Arbeitsschutz: Risikobeurteilung vorab; Absaugung an der Entstehungsstelle und erforderliche Lüftung gegen Schweißrauche; Brand- und Explosionsschutz, optische Strahlung, elektrische Gefährdungen, heiße Oberflächen, Lärm, Schleifstaub, ergonomische Hebehilfen, Unterweisung und geeignete persönliche Schutzausrüstung. Maßgeblich sind insbesondere TRGS 528 und DGUV Regel 109-607 Branche Metallbau; für Schleifen zusätzlich DGUV Information 209-002. RT nur durch dazu befugtes Fachpersonal nach Strahlenschutzrecht. Kein eigenständiges Bedienen von Maschinen, kein echtes Belastungsexperiment mit angehängten Massen und keine praktische Schweißübung ohne befugte Beaufsichtigung.

Praxisfall: einen Stahlträgerauftrag vollständig dokumentieren

Auftrag und nachvollziehbarer Arbeitsplan

Fiktiver Ausbildungsauftrag: Für ein CAD-Demonstrationsmodell ist ein gerader, idealisiert einfach gelagerter Profilträger zwischen zwei Auflagerpunkten im Abstand von 2 000 mm zu planen. Mittig wirkt in der reinen Berechnung eine vertikale Einzelkraft von 4 000 N. Zu erstellen sind eine Variantenbegründung, eine Rechnung, eine Gesamt- und eine Einzelteilzeichnung, eine Baugruppenansicht mit zwei schematischen Anschlussplatten, ein Stücklistenauszug und eine Prüfdokumentation. Es wird kein realer lasttragender Prüfstand gefertigt oder belastet.

Schritt	Arbeitsauftrag	Prüffähige Ausgabe
Auftragsklärung	Last, Spannweite, Lagerart, Nutzungsgrenze und Datenschutz festhalten	Freigegebene fiktive Anforderungsliste
Informationsbeschaffung	Profiltabelle und Normenstatus, Werkstoff und Prüfregeln vergleichen	Quellenliste mit Ausgabestand
Tragmodell	Freikörperbild und Auflagerkräfte aufstellen	Gleichgewichtsrechnung
Querschnitt	IPE-100-Kenndaten übernehmen und Einheiten umrechnen	Moment, Spannung und Durchbiegung
Verbindung	Anschlussarten schematisch vergleichen und offene Nachweise kennzeichnen	Anschlussübersicht ohne Fertigungsfreigabe
CAD	Einzelteil-, Gruppen- und Gesamtzeichnung mit Revision anlegen	Bemaßte Zeichnungen und Export
Fertigungsplanung	Zuschnitt, Masse, theoretischen Schweißfolgeplan, Prüf- und Schutzkonzept notieren	Arbeitsplan, Stückliste, Prüfliste
Kontrolle	Unabhängige Zweitprüfung der Rechnung und Dateien, Korrekturen protokollieren	Signierter schulischer Kontrollvermerk ohne Baustellenfreigabe

Vollständig durchgerechneter Berechnungsteil

Eingabedaten: L = 2 000 mm; F = 4 000 N (mittig); E = 210 000 N/mm² (vereinfachte Materialannahme); IPE 100 mit I_y = 171 cm⁴, W_el,y = 34,2 cm³, Masse 8,1 kg/m. Es handelt sich um ein ideales, seitlich gehaltenes Balken-Lernmodell mit kleinem Verformungsbereich; Eigengewicht, Sicherheits- und Kombinationsfaktoren, Imperfektionen, Beulen, Biegedrillknicken und Anschlussbemessung bleiben außerhalb des vereinfachten Rechenteils und müssen für jedes reale Bauwerk ergänzt werden.

Auflager: A_y = F/2 = 2 000 N, B_y = 2 000 N, A_x = 0. Kontrolle: A_y + B_y − F = 0.
Querkraft: Links von x = 1 000 mm V = +2 000 N, rechts V = −2 000 N. Kontrolle: Lastsprung −4 000 N.
Moment: M_max = F · L/4 = 4 000 N · 2 000 mm/4 = 2 000 000 Nmm = 2,00 kNm am Feldmittelpunkt.
Elastischer Widerstand: W_el,y = 34,2 · 1 000 = 34 200 mm³; sigma_b = 2 000 000/34 200 = 58,48 N/mm².
Biegelinie: I_y = 171 · 10 000 = 1 710 000 mm⁴; w_max = 4 000 · 2 000³/(48 · 210 000 · 1 710 000) = 1,86 mm.
Nur didaktischer Vergleich: Bei einem explizit frei gewählten Kriterium w kleiner gleich L/300 gilt 1,86 mm kleiner 6,67 mm. Daraus folgt keine normgerechte Gebrauchstauglichkeitsfreigabe.
Masse: Für einen theoretischen Zuschnitt von 2,000 m: 8,1 kg/m · 2,000 m = 16,2 kg für den Träger ohne Anschlussplatten und Schrauben.
Zuschnitt: Bei 6 000 mm Lagerlänge und 3 mm exemplarischer Schnittfuge benötigt ein 2 000-mm-Zuschnitt 2 003 mm Material; die rechnerische Restlänge beträgt 3 997 mm, vorbehaltlich Stirnflächenbearbeitung und Toleranzen. Aus 6 000 mm lassen sich nicht drei exakt 2 000 mm lange Stücke mit positiven Schnittfugen erzeugen.

Anschlussplatten nur schematisch: Zwei Platten zu je 120 × 80 × 8 mm aus Stahl mit angenommener Dichte 7 850 kg/m³ haben vor Lochabzug die theoretische Masse 2 · 0,120 · 0,080 · 0,008 · 7 850 = 1,21 kg. Gesamtsumme der aufgeführten Stahlteile ≈ 17,41 kg ohne Schrauben, Nähte, Beschichtung und Verschnitt. Für die beiden Anschlüsse fehlen noch normgerechte Bemessung, Lochbilder, Randabstände, Befestigungsgrund, Montagetoleranzen und eine geprüfte Lastweiterleitung. Solange diese Punkte offen sind, ist das Ergebnis ausschließlich ein CAD-Lehrentwurf.

Prüffähiges Arbeitsergebnis und Bewertungsraster

Ein prüfbares Abgabepaket enthält A eine anonymisierte Anforderungsliste; B Systemskizze mit Kraftpfeilen und Lagerarten; C Berechnungsblatt mit Größen, Einheiten und den Ergebnissen 2/2 kN, 2,00 kNm, 58,48 N/mm² und 1,86 mm; D CAD-Einzelteilzeichnung mit Profilbezeichnung und 2 000-mm-Nennlänge; E Baugruppen- und Gesamtzeichnung mit schematischen Auflagern und eindeutig „nicht zur Fertigung freigegeben“ markierten Anschlussdetails; F Stückliste und Schnittplan; G Änderungs-/Revisionsvermerk, Normen-/Mediennachweis und Sicherheitscheck. Maßstäbe, Bezugskanten, Maßeinheiten, Zeichnungsnummern, Revisionsstatus und gegebenenfalls genormte Verbindungssymbole müssen konsistent sein. Eine digitale Modellansicht ersetzt keine vollständige Zeichnung.

Kriterium	Beobachtbarer Indikator	Punkte
Auftragsanalyse	Funktionen, Lasten, Grenzen und Risiken eindeutig dokumentiert	15
Profil- und Werkstoffwahl	Datenquelle, Profilorientierung, Material und Alternativen fachlich begründet	15
Statik und Festigkeit	Gleichgewicht, Schnittgrößen, Einheiten, Spannung und Durchbiegung nachvollziehbar	25
Verbindungen und Qualität	Montageidee, offene Nachweise, Prüfweg und fiktiver Schweißfolgeplan gekennzeichnet	15
Technische Dokumente	Einzelteil-, Gruppen- und Gesamtansicht sowie Stückliste und Revisionsstand konsistent	20
Sicherheit und Nachhaltigkeit	Schutz, Datenschutz, Verschnitt und Ressourcenaspekte einbezogen	10
Summe	100 Punkte; Bildungsbewertung, keine Baufreigabe	100

Rückmeldung für die Überarbeitung: Kreise jede unbewiesene Behauptung ein, kennzeichne Einheitenfehler, überprüfe die Profileigenschaften an zwei Quellen, gleiche Zeichnungen mit der Stückliste ab und dokumentiere, welche offenen Nachweise eine reale Fertigung verhindern. Bewertet wird auch, ob du Unsicherheiten fachlich korrekt erkennst.

Digitalisierung, Datenschutz und sichere Erprobung

In der CAD-Umgebung legst du benannte Ebenen, Materialattribute, Bauteilkennzeichen, Bohrungs- und Nahtinformationen sowie eindeutige Dateiversionen an. Exportiere eine lesbare PDF-Zeichnung und, wenn zulässig, ein neutrales 3D-Austauschformat; prüfe, ob Maßeinheit, Orientierung und Revision erhalten geblieben sind. Eine Softwareberechnung muss mit Handrechnung und Plausibilitätskontrolle abgeglichen werden. Speichere nur fiktive Auftragsnummern, entferne Metadaten mit Personen- oder Betriebsbezug und beachte Zugriffsrechte, sichere Aufbewahrung und Löschfristen.

Als gefahrloses Simulationsprojekt kannst du die mittige Last in einem Balkenrechner von 2 kN auf 4 kN steigern. Vergleiche rechnerisch, wie sich Moment, Spannung und Durchbiegung verdoppeln, während Massen und Profildaten gleich bleiben. Alternativ falte ein Papierprofil als Modell und beobachte qualitativ den Einfluss der Querschnittsform, ohne gefährliche Lasten zu verwenden. Zur Übertragung auf ein reales Tragwerk bedarf es gesonderter qualifizierter Planung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Fachwissen

Was bezeichnet das elastische Widerstandsmoment eines Profilquerschnitts? (Das Flächenträgheitsmoment geteilt durch den Abstand zur äußersten Randfaser) (!Die Masse des Profils geteilt durch seine Lieferlänge) (!Die gesamte Auflagerkraft geteilt durch die Fläche) (!Den Elastizitätsmodul multipliziert mit der Stützweite)

Welche Lagerreaktionen entstehen beim waagerechten idealen Einfeldträger mit mittiger Einzellast von 4 kN? (Links und rechts jeweils 2 kN nach oben) (!Links 4 kN und rechts null) (!Links und rechts jeweils 4 kN nach oben) (!Beide Lagerkräfte zeigen jeweils 2 kN nach unten)

In welcher Einheit wird ein Flächenträgheitsmoment bei einer Rechnung in Millimetern angegeben? (mm hoch vier) (!Quadratmillimeter) (!Kubikmillimeter) (!Newton pro Quadratmillimeter)

Welche Beschreibung des IPE-Profils trifft zu? (Ein I Profil mit im Wesentlichen parallelen Flanschflächen) (!Ein rundes Vollprofil ohne Gurte) (!Ein genormtes Rechteckhohlprofil) (!Ein Baustahl mit festgelegter chemischer Zusammensetzung)

Was folgt bei einer mittigen Punktlast für den Verlauf der Querkraft im einfach gelagerten Balken? (Sie springt an der Lastangriffsstelle um den Betrag der Punktlast) (!Sie bleibt auf der ganzen Trägerlänge null) (!Sie steigt überall quadratisch an) (!Sie ist identisch mit der Masse pro Meter)

Welcher Nachweis fehlt beim alleinigen Berechnen der elastischen Biegespannung eines Stahlträgers? (Unter anderem die Prüfung möglicher Stabilitätsversagen) (!Die Umrechnung von Millimetern in Zentimeter als einziger Nachweis) (!Eine unverbindliche Farbauswahl der CAD Ansicht) (!Das Eintragen beliebiger Kundennamen in die Zeichnung)

Welche Angabe gehört zur Planung einer Schraubverbindung im Stahlbau? (Lochbild und Randabstände entsprechend dem gewählten Anschluss) (!Nur die optische Farbe des Schraubenkopfes) (!Nur der vollständige Firmenname des Zulieferers) (!Nur die Anzahl der eingesetzten CAD Ebenen)

Was ist ein Zweck des Schweißfolgeplans? (Den Arbeitsablauf und Maßnahmen zur Begrenzung von Schweißverzug zu dokumentieren) (!Die Statikprüfung dauerhaft durch ein Foto zu ersetzen) (!Die Auswahl des Werkstoffs nach der Schweißung zu erzwingen) (!Den Gesundheitsschutz durch eine höhere Nahtzahl zu ersetzen)

Welches Prüfverfahren wird zur Suche nach geeigneten oberflächenoffenen Unregelmäßigkeiten verwendet? (Farbeindringprüfung) (!Ausschließlich die Massenberechnung) (!Nur die Bestimmung der Trägerstützweite) (!Eine unbelegte Änderung des Werkstoffnamens)

Warum reicht bei einem Sechs Meter Profil die Länge nicht für drei exakt zwei Meter lange Sägeschnitte? (Weil die Schnittfugen zusätzlich Material verbrauchen) (!Weil Stahlprofile immer als Acht Meter Ware geliefert werden) (!Weil die Profilmasse sich bei jedem Schnitt verdoppelt) (!Weil jeder Schnitt die Stahldichte reduziert)

Memory: Fachbegriffe zuordnen

Festlager	Nimmt im ebenen idealisierten Modell zwei Kraftkomponenten auf
Loslager	Nimmt im ebenen idealisierten Modell eine Kraftkomponente auf
Normalkraft	Innere Kraftkomponente entlang der Stabachse
Querkraft	Innere Kraftkomponente quer zur Stabachse
Widerstandsmoment	Verhältnis von Flächenträgheitsmoment zu äußerstem Faserabstand
Schweißfolgeplan	Dokumentierte Reihenfolge von Nahtabschnitten und Zwischenkontrollen

Drag-and-drop: Arbeitsschritte zuordnen

Fachbegriff	Passende Planungs- oder Prüfhandlung
Freikörperbild	Lasten und Lagerreaktionen am idealisierten System darstellen
Stückliste	Teilebezeichnungen, Mengen, Werkstoffe und Abmessungen aufführen
Biegespannung	Maximales elastisches Moment durch elastisches Widerstandsmoment dividieren
Sichtprüfung	Äußere Schweißnahtoberfläche nach Prüfvorgabe beurteilen
Revisionsstand	Gültige Änderung einer Zeichnung eindeutig kennzeichnen

Kreuzworträtsel: Stahlbau und Planung

Profil	Langprodukt mit über die Länge gleichbleibender Querschnittsform
Flansch	Äußerer Gurt eines I Trägers
Auflager	Bereich der Übertragung von Trägerreaktionen
Moment	Größe für die Drehwirkung einer Kraft
Schweißen	Stoffschlüssiges thermisches Fügeverfahren
Zuschnitt	Ablängen eines Halbzeugs auf ein benötigtes Maß

LearningApps: weitere Lernspiele finden

Die Suche zeigt verfügbare Fremdübungen; ihre Qualität und Lizenzen müssen vor dem Einsatz einzeln geprüft werden. Sie ersetzt keine Aufgabe dieses Kurses.

Lückentext: Planung und Nachweise

Ein industriell vorgefertigtes Ausgangsprodukt heißt

.

Ein I Träger besitzt einen Steg und zwei

.

Ein idealisiertes Lager mit einer einzigen Reaktionskomponente heißt

.

Die innere Kraft in Stablängsrichtung ist die

.

Der Quotient aus Biegemoment und elastischem Widerstandsmoment ergibt die

.

Die Einheit eines Flächenträgheitsmoments bei Millimetermaßen lautet

.

Die größte Verschiebung des Balkens unter Querlast nennt man

.

Die systematische Reihenfolge von Nahtabschnitten steht im

.

Das Dokument mit Bauteilmengen und Materialangaben ist die

.

Die Kennzeichnung einer dokumentierten Zeichnungsänderung heißt

.

Zum Nachweis von möglicherweise inneren Unregelmäßigkeiten kann je nach Bauteil die

geeignet sein.

Die beim Sägen verlorene Materialbreite heißt

.

Offene Aufgaben

Leicht

Profilarten erkennen: Zeichne I-, U-, L- und Rechteckhohlprofil in vereinfachten Querschnitten, notiere je eine mögliche Anwendung sowie zwei englische Fachbegriffe und begründe einen Unterschied.
Zeichnungscheck: Markiere an einer selbst erstellten fiktiven Einzelteilzeichnung Maßangaben, Bezugskante, Maßstab, Revision und Material und protokolliere fünf mögliche Missverständnisse.
Kraftfluss: Skizziere ein ideales Festlager, Loslager und eine Einspannung mit den jeweils möglichen Reaktionsgrößen; erkläre, warum ein ideales Lager eine Modellannahme ist.
Gefährdungen erkennen: Erstelle aus öffentlichen DGUV-Hinweisen eine Bild- oder Textkarte mit je drei Gefährdungen und Schutzmaßnahmen beim thermischen Trennen und Schweißen, ohne eine Maschine zu bedienen.

Standard

Trägerrechnung: Rechne den Einfeldträger mit L = 2 m und einer mittigen Last von 2 kN erneut; gib Auflagerkräfte, Momentenmaximum, Querkraftverlauf und alle Einheiten mit Plausibilitätskontrolle an.
Profilvergleich: Vergleiche anhand aktueller öffentlich zugänglicher Profildaten IPE 100 und ein größeres IPE Profil bezüglich I, W, Masse und Orientierung; formuliere eine nachvollziehbare Auswahlentscheidung ohne reale Baufreigabe.
CAD-Modell und Zuschnitt: Modelliere den Lernträger mit zwei schematischen Anschlussplatten, erzeuge Einzelteil- und Gruppenzeichnung und einen Zuschnittplan mit 3 mm angenommener Schnittfuge.
Verbindungen vergleichen: Vergleiche eine schematische Schraub- mit einer Schweißlösung hinsichtlich Demontage, Fertigung, Prüfung, Verzug, Arbeitsschutz und offener Nachweise; zeichne einen fiktiven Schweißfolgeplan.

Schwer

Exzentrische Punktlast: Verschiebe die 4 kN Last auf 0,5 m vom linken Lager, berechne die beiden Reaktionen und leite die stückweisen Querkraft- und Momentenfunktionen mit Vorzeichenkontrolle her.
Schwerpunkt und Steiner: Entwirf einen aus Rechtecken zusammengesetzten unsymmetrischen Querschnitt, berechne Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment mit dem Steinerschen Satz und vergleiche die Tragachsen.
Änderungsauftrag: Erstelle zwei fiktive Planstände eines Trägers mit zusätzlicher seitlicher Beanspruchung, führe eine nachvollziehbare Änderungsanalyse durch und benenne mindestens fünf weitere, fachlich nachzuweisende Versagens- und Gebrauchstauglichkeitsbedingungen.
Digitale Projektprüfung: Stelle ein überprüfbares CAD-Paket mit Änderungslog, Prüfmatrix, Material-/Medienquellen, DSGVO-Check und Ressourcenvergleich her; kennzeichne alle Punkte, die eine befugte Fachprüfung voraussetzen.

Lernkontrolle

Rechenkontrolle: Erläutere, warum die Summe zweier Lagerkräfte bei mittiger Punktlast F entsprechen muss, und prüfe das mit einem asymmetrischen Lastfall.
Bemessungsentscheidung: Berechne den Zusammenhang zwischen Biegemoment, Widerstandsmoment und Spannung an zwei Profilvarianten und zeige, weshalb der kleinste Spannungswert allein keine Freigabe bedeutet.
Werkstoff und Fertigung: Beurteile zwei fiktive Werkstoff- und Verbindungsvarianten bezüglich Wärmeeinfluss, Korrosion, Montage und Materialdokumentation; benenne notwendige Hersteller- und Normquellen.
Qualitätskontrolle: Wähle für drei gegebene fiktive Fehlerbilder geeignete Prüfmethoden begründet aus und dokumentiere deren Grenzen, Sicherheitsanforderungen und Zuständigkeiten.
Zeichnungsprüfung: Vergleiche eine Einzelteilzeichnung, eine Gruppenzeichnung und eine Stückliste und identifiziere mindestens sechs Abweichungen oder fehlende Angaben.
Zuschnittoptimierung: Plane zwei Längenverteilungen mit Schnittfugen, berechne Materialrestmengen und begründe deine Wahl unter Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsaspekten.
Transferkontrolle: Übertrage den Lehrträger in eine CAD-Simulation und begründe mithilfe einer Handrechnung, welche Modellaussagen verlässlich sind und welche fachliche Prüfung erfordern.

Selbst- und Partnerfeedback: Prüfe Einheiten, Randbedingungen, Normausgaben, nachvollziehbare Begründungen und markierte Grenzen der Modellannahmen. Die Lösung des beruflichen Auftrags ist ein begründeter und kontrollierbarer Arbeitsweg, keine unbelegte Behauptung von Sicherheit.

Lernnachweis

Abgabe als fiktive Ausbildungs-Projektmappe: 1. Auftrag und Funktionsanalyse mit verknüpften Kompetenzzielen des Lernfelds 6 SMT; 2. Variantenmatrix für mindestens zwei Profile; 3. Freischnitt, Lagerkräfte, N-/V-/M-Verläufe und vollständiges Berechnungsblatt; 4. Schwerpunkt-/Querschnittsnachweis und begründete Profilorientierung; 5. CAD-Einzelteil-, Gruppen- und Gesamtzeichnung, bei Verbindungssymbolen mit geprüfter gültiger Normreferenz; 6. Stückliste mit Zuschnittlängen, Mengen, Massen und Schnittverlusten; 7. Verbindungsvorschlag mit ausdrücklich offenen Bemessungen, Schweißfolgeplan und Prüfstrategie; 8. Sicherheit, Nachhaltigkeit, Datenschutz und digitaler Versionsnachweis; 9. kurzes Fachgespräch mit deutschen und englischen Begriffen; 10. Reflexion dokumentierter Korrekturen.

Messbare Kriterien: Rechenwerte stimmen innerhalb nachvollziehbarer Rundung; zu jedem Bauteil existiert eine identifizierbare Zeichnungs- und Stücklistenposition; Werkstoff- und Profildaten haben Quellen mit aktuellem Stand; der Schweißfolgeplan enthält Nahtkennungen und Prüfpunkte; alle gefahrenträchtigen Arbeitsschritte sind als nur beaufsichtigt oder als Simulation ausgewiesen. Bewertet wird anhand des 100-Punkte-Rasters im Praxisfall. Die schulische Bewertung ist keine amtliche Prüfungszulassung und keine fachliche Freigabe für echte Bauwerke.

OER und Wikipedia

Berufsprofil und fachliche Rechts-/Regelquellen, geprüft am 27.10.2026:

KMK-Rahmenlehrplan, PDF-Seite 26: Lernfeld 6 SMT, 100 Stunden (Lehrplanziele, keine fertige Bauanleitung).
BIBB-Berufsprofil Fachrichtung SMT und VAT nur zum Fachrichtungsvergleich. Die geltende Bundes-Ausbildungsordnung und gegebenenfalls spätere Änderungen über die Rechtsgrundlagen des BIBB prüfen.
DIN EN 10365:2026-09: Profilabmessungen und Massen; öffentlich zugängliche IPE-100-Profildaten (für echte Fertigung Herstellerwerte prüfen).
DIN EN 1993-1-1:2025-04 sowie Nationaler Anhang 2026-04; DIN EN 1993-1-8:2025-04 und Nationaler Anhang 2026-04. Nur Normenhinweise, keine Wiedergabe geschützter Normtexte.
DIN EN 1090-2:2024-09, Stahltragwerksausführung; DIN EN ISO 2553:2022-07, Schweißsymbole; DIN EN ISO 17635:2025-08, zerstörungsfreie Prüfungen.
BAuA TRGS 528, schweißtechnische Arbeiten; DGUV 109-607, Branche Metallbau; DGUV 209-002, Schleifen.

Geprüfte Commons-Grafiken mit Herkunft, Urheber und Lizenz:

Dateiname	Dateiseite und Bildthema	Urheberangabe	Lizenz
File:Ipe beam cross section.svg	IPE-Querschnitt	Slinging benjaminite	CC BY-SA 4.0
File:Loaded beam.svg	Gelagerter Träger	Kallog; Vektorisierung Zerodamage	CC BY-SA 3.0
File:Biegemoment Balken Mittenlast.svg	Momentenverlauf	Pyrometer	Gemeinfrei durch Urheberfreigabe
File:Bolted joint.svg	Schraubenverbindung im Schnitt	Yuri Raysper	Gemeinfrei durch Urheberfreigabe
File:Welding fillet distortion.svg	Verzug bei Kehlnaht	Wizard191	CC BY-SA 3.0; alternativ GFDL

Deutschsprachige, überprüfte Fachvideos (auf YouTube regulär urheberrechtlich geschützt; eingebettet und verlinkt, nicht als frei lizenzierte OER ausgegeben):

Eugen Nachtigall: Auflagerkräfte eines geneigten Einfeldträgers, Deutsch.
StudyHelpTV: Normalspannung und Biegespannung, Deutsch.
Sergej Karch: Schraubenverbindung – Grundlagen, Deutsch.

Weitere frei zugängliche Lerninformationen: Wikipedia: Profilstahl, Wikipedia: Stahlbau und die verlinkten DGUV-/BAuA-Seiten. Quellentexte, Abbildungen und Bezeichnungen eigenständig nachprüfen; Internetinhalte sind kein Ersatz für freigegebene aktuelle Normen, Herstellerangaben oder die betriebliche Unterweisung.

Verknüpfte Lernbereiche

Stahl- und Metallbautechnik

Zusammenhänge: Mathematik unterstützt Einheitenrechnung und Schwerpunktbestimmung; Physik erklärt Kräfte, Moment und Verformung; Informatik hilft bei CAD, Berechnungsprotokollen und Versionsverwaltung; Deutsch und Englisch stärken Auftragssprache und Fachkommunikation; Wirtschaft und Umweltschutz betreffen Materialeinsatz und Lebenszyklus. Die Fachrichtungen VAT und ETS werden ausschließlich als Vergleichsfelder herangezogen, nicht als zusätzliche Lernfeldpflichten.