Tragwerksplanung Rechenzentrum: Verständnis der Anforderungen an Nutzlasten

von Dipl. Ing. Daniel Bacon

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 annehmen, 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 Betonbauteil aufgenommen werden. Obwohl die Auswirkung in normalen Fällen üblicherweise gering ist, muss dieses Thema für eine klare und eindeutige Definition der Anforderungen berücksichtigt werden.

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

Nutzlasten werden in Kategorien wie Wohnen, Büro, Versammlungsstätten, Einkaufsbereiche, Lagerbereiche, Wind, Schnee usw. unterteilt. Grundsätzlich gibt es zwei Hauptgründe, warum die korrekte Definition der Lastarten für eine sichere und wirtschaftliche Planung wichtig ist.

Grund Nummer 1

Bei der Berechnung eines Tragwerksbauteils kombinieren wir als Tragwerksplaner die verschiedenen Nutzlasten, die auf dieses Bauteil wirken, nach bestimmten Regeln. Diese Regeln definieren die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Nutzlasten gleichzeitig und vollständig auftreten.

Zum Beispiel
Nehmen wir an, wir haben Windlast und Nutzlast auf einem Dach. Ist es plausibel, dass bei einem Sturm gleichzeitig die volle Schneelast auf diesem Dach vorhanden ist? Die Antwort ist nein. Wind oder Schneelast werden bei der Kombination beider Lasten reduziert, was wirtschaftlichere Bemessungen ermöglicht.

Grund Nummer 2

Anforderungen zur Begrenzung der Durchbiegung sind oft ein dominierendes Bemessungskriterium und beeinflussen daher die Wirtschaftlichkeit der Tragkonstruktion. Unterschiedliche Arten von Nutzlasten und Nutzlastkombinationen verursachen unterschiedliche Größen der langfristigen Durchbiegungen. Warum? Dies liegt im spezifischen Verhalten von Stahlbetonbauteilen wie Kriechen und Schwinden. Stellen Sie es sich so vor, als würden Sie Gewichte über Ihrem Kopf halten. Für kurze Zeit können Sie das Gewicht hochhalten, aber mit der Zeit geben Ihre Arme etwas nach. Für die langfristigen Durchbiegungen ist entscheidend, wie viel Nutzlast wir über die Lebensdauer der Struktur als dauerhaft vorhanden annehmen.

Als Tragwerksplaner würden wir annehmen, dass in einem Wohngebäude etwa 30 Prozent der gesamten Nutzlast ständig vorhanden sind, während wir für eine Lagerhalle annehmen würden, dass 80 Prozent der Nutzlast über die Lebensdauer des Gebäudes vorhanden sind. Das bedeutet, dass die Auswirkung auf die langfristigen Durchbiegungen einer Platte unter Lagerlast etwa 2,7 Mal höher ist als unter Wohnnutzungslast.

Ist die Last eines Serverracks gleich der Nutzlast

Die einfache Antwort lautet NEIN. Wenn wir die Nutzlast auf einer Struktur bestimmen, beziehen wir uns üblicherweise auf die Last, die über die gesamte Fläche einer Spannweite verteilt ist, also den Bereich zwischen Stützen oder Wänden. Um diese Flächennutzlast zu bestimmen, müssen Sie sich folgende Frage stellen: "Welche über die gesamte Spannweite verteilte Flächennutzlast verursacht die gleichen Spannungen in der Struktur wie die tatsächlichen Lasten der Racks?" Wie Sie anhand dieser Frage erkennen, spielt die Anordnung der Racks eine Rolle bei der Bestimmung der Nutzlast. Schauen wir uns das folgende Beispiel an:

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.