Tragwerksplanung Rechenzentrum: Verständnis der Anforderungen an Nutzlasten

von Dipl. Ing. Daniel Bacon Linked In

In der Welt von Hyperscale Rechenzentren und High Density Einrichtungen sind strukturelle Sicherheit und Lastplanung grundlegend für eine zuverlässige Leistungsfähigkeit eines Rechenzentrums. Während Kühlung, elektrische Systeme und IT Ausstattung häufig im Mittelpunkt stehen, ist es das strukturelle Rückgrat, das sicherstellt, dass ein Rechenzentrum schwere Racks, Kabeltrassen, abgehängte Installationen und zukünftige Erweiterungen sicher tragen kann.

Das Verständnis der Anforderungen an Nutzlasten ist einer der kritischsten Aspekte bei der Planung jedes Rechenzentrums. Falsche Annahmen können zu überdimensionierten Strukturen, kostspieligen Umplanungen oder schlimmer noch zu Leistungs und Sicherheitsrisiken führen. Dieser Artikel erläutert die technischen Grundlagen von Nutzlasten in Rechenzentren und erklärt, wie Tragwerksplaner, einschließlich der Spezialisten bei gbc engineers, diesen wesentlichen Bestandteil der frühen Planungsphase angehen.

Was ist eine Nutzlast

Eine Nutzlast ist eine variable oder bewegliche Last, die während der Lebensdauer einer Struktur vorhanden, teilweise vorhanden oder nicht vorhanden sein kann. Ingenieure vereinfachen dies, indem sie davon ausgehen, dass die Last in einem bestimmten Bereich der Struktur entweder vorhanden oder nicht vorhanden ist. Eine Nutzlast in einem Rechenzentrum kann das Serverrack sein, das auf der Bodenplatte steht, oder die Rohre und Kabel, die an der Unterseite der Platte hängen.

Nutzlasten, die an der Unterseite einer Platte hängen oder auf der Oberseite einer Platte stehen warum ist das wichtig

Nutzlasten, die an der Unterseite eines Tragwerksbauteils hängen, müssen in der Analyse anders behandelt werden als Nutzlasten, die auf der Oberseite eines Bauteils liegen. Bei Stahlbetonbauteilen muss die Last an der Unterseite durch zusätzliche Bewehrung im Bauteil aufgenommen werden. Obwohl die Auswirkung in normalen Fällen gering ist, muss dieses Thema für eine klare und eindeutige Definition der Anforderungen berücksichtigt werden.

Welche Arten von Nutzlasten gibt es gemäß Eurocode und warum ist dies wichtig

Grund Nummer 1: Lastkombinationen folgen Wahrscheinlichkeitsregeln

Wenn Tragwerksplaner eine Platte, einen Träger oder ein Dachelement bemessen, müssen verschiedene Nutzlasten gemäß den Kombinationsregeln des Eurocodes kombiniert werden. Diese Regeln spiegeln die Wahrscheinlichkeit wider, dass zwei oder mehr Lasten gleichzeitig mit ihrer vollen Größe auftreten.

Zum Beispiel:
Betrachten wir ein Dach, das sowohl Schnee als auch Wind ausgesetzt ist. Während eines starken Windereignisses wie Sturmbedingungen ist es äußerst unwahrscheinlich, dass gleichzeitig die volle Schneelast vorhanden ist.

Aus diesem Grund erlaubt der Eurocode eine Reduzierung der Schnee oder Windlasten, wenn sie miteinander kombiniert werden. Dies führt zu einer effizienteren Tragwerksplanung, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen, da die Lastkombination das tatsächliche Verhalten in der Realität besser widerspiegelt.

Grund Nummer 2: Die langfristige Durchbiegung hängt von der Nutzlastkategorie ab

Anforderungen zur Begrenzung der Durchbiegung gehören oft zu den dominierenden Bemessungskriterien in Stahlbetonstrukturen und haben einen direkten Einfluss auf die Kosten der Tragkonstruktion. Unterschiedliche Nutzlastkategorien und Lastkombinationen führen zu sehr unterschiedlichen Werten der langfristigen Durchbiegung.

Warum passiert das
Weil sich Stahlbeton im Laufe der Zeit aufgrund von Kriechen und Schwinden unterschiedlich verhält. Ein einfacher Vergleich verdeutlicht dies: Stellen Sie sich vor, Sie halten ein Gewicht über Ihrem Kopf. Anfangs können Sie Ihre Arme gerade halten, aber mit der Zeit sinken sie langsam ab. Beton verhält sich genauso. Die langfristige Durchbiegung hängt davon ab, wie viel Last über die gesamte Nutzungsdauer voraussichtlich auf der Struktur verbleibt.

Tragwerksplaner schätzen daher den dauerhaften Anteil der Nutzlast ab:

• In einem Wohngebäude werden nur etwa 30 Prozent der Nutzlast als langfristig verbleibend angenommen.
• In einer Lagerumgebung werden ungefähr 80 Prozent als dauerhaft vorhanden angenommen.

Dieser Unterschied hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer Bodenplatte. Eine Stahlbetonplatte unter Lagerlasten kann etwa 2,7 Mal mehr langfristige Durchbiegung erfahren als dieselbe Platte unter Wohnnutzungsannahmen.

Für Rechenzentren, die sich aufgrund dichter Rack Anordnungen eher wie Hochlast Lagerumgebungen verhalten, ist die Wahl der richtigen Nutzlastkategorie entscheidend, um eine sichere, wirtschaftliche und vorhersagbare Tragwerksleistung zu erreichen.

Ist die Last eines Serverracks gleich der Nutzlast

Die kurze Antwort lautet nein.
Wenn Tragwerksplaner von der Nutzlast auf einem Rechenzentrumsgeschoss sprechen, meinen sie in der Regel eine gleichmäßig verteilte Flächenlast über die gesamte Spannweite, also den Bereich zwischen Stützen oder Wänden, und nicht nur das Gewicht eines einzelnen Serverracks.

Um diese äquivalente Flächennutzlast zu bestimmen, stellen wir eine entscheidende Frage:

"Welche gleichmäßig verteilte Flächenlast, die über die gesamte Spannweite aufgebracht wird, erzeugt die gleichen inneren Kräfte in der Struktur wie die tatsächlichen Racklasten und deren Anordnung"

Das bedeutet, dass die Rackanordnung selbst wie Abstände, Gangbreiten, Einzel oder Doppelreihen sowie Hot und Cold Aisle Konfiguration einen direkten Einfluss auf die resultierende Bemessungsnutzlast hat. Zwei Data Halls mit identischen Rackgewichten, aber unterschiedlichen Layouts können daher unterschiedliche Flächennutzlasten in der Tragwerksplanung erfordern.

Im folgenden Beispiel zeigen wir, wie eine konzentrierte Racklast in eine äquivalente gleichmäßig verteilte Nutzlast für eine typische Spannweite in einem Rechenzentrum umgerechnet werden kann.

Beispiel: Bestimmung der Flächennutzlast für eine Rechenzentrumsspannweite

Abbildung 1: Grundriss einer typischen Data Center Hall

Darstellung der Ergebnisse

Fazit

In diesem Beispiel wurde die Rack Nutzlast mit 20,83 kN/m2 berechnet. Der strukturelle Vergleich zeigt jedoch, dass eine äquivalente gleichmäßig verteilte Nutzlast von 10,2 kN/m2 die gleichen inneren Kräfte im Deckensystem erzeugt, wenn die tatsächliche Rackanordnung berücksichtigt wird. Dies zeigt deutlich, wie stark die Definition der Nutzlast sowohl das Tragverhalten als auch die wirtschaftliche Effizienz der Planung beeinflusst.

Die präzise Bestimmung der erforderlichen Flächennutzlast ist daher von entscheidender Bedeutung. Während dieses Beispiel einen vereinfachten Ansatz verwendet, müssen in realen Projekten auch zukünftige Flexibilität, Geräteänderungen und langfristige betriebliche Anforderungen berücksichtigt werden.

gbc engineers unterstützt Entwickler von Rechenzentren mit einer präzisen Methode der strukturellen Analyse, die reale Racklayouts in zuverlässige Bemessungslasten umwandelt. Dies gewährleistet optimierte Baukosten, verbesserte Tragwerksleistung und langfristige Resilienz, entscheidende Faktoren für jedes High Density oder Hyperscale Rechenzentrumsprojekt.