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Beulen dünnwandiger flüssigkeitsgefüllter Kegelschalen: Experimente und theoretische Interpretation
Autor: Guggenberger, Werner; Tekleab, Medhanye R
Quelle: Berichte der Fachtagung Baustatik - Baupraxis 13 am 20. und 21. März 2017 an der Ruhr-Universität Bochum
Seiten: 497-504
2017
Publikationslisten zum Thema:
Dünnwandigkeit, Kegelschale, Beulen, Experiment, Wasserturm, Schalenkonstruktion, Bemessungsgleichung, Beulversuch, Flüssigkeit, Laborversuch, Druckbelastung, Parameter, Innendruck, Umrechnung, Imperfektion, Hypothese, thin-walled, conical sheel, buckling(plate), experiment, water tower, shell construction, design equation, buckling test, liquid, laboratory test, compressive load, parameter, internal pressure, conversion, imperfection,
Dünnwandigkeit, Kegelschale, Beulen, Experiment, Wasserturm, Schalenkonstruktion, Bemessungsgleichung, Beulversuch, Flüssigkeit, Laborversuch, Druckbelastung, Parameter, Innendruck, Umrechnung, Imperfektion, Hypothese, thin-walled, conical sheel, buckling(plate), experiment, water tower, shell construction, design equation, buckling test, liquid, laboratory test, compressive load, parameter, internal pressure, conversion, imperfection,
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Es wird auf die komplexe Problematik punktgestützter Zylinderschalen eingegangen und zunächst über umfangreiche experimentelle Untersuchungen berichtet. Bei der dabei verwendeten neuartigen Versuchstechnik wurden zur Erzielung einer zwängungsfreien Lagerung und zur Vermeidung von Aufstandsimperfektionen die endringversteiften Schalen am kontinuierlich belasteten Rand auf einen wassergefüllten Hochdruckschlauch aufgelegt und zwecks statischer Eindeutigkeit an drei äquidistanten Stellen des freien Randes belastet. Neben der Ermittlung eindeutiger Versuchsdaten war es weiterhin das Ziel, das von Knoedel und Ummenhofer vorgeschlagene Lastausbreitungswinkel-Verfahren zu verifizieren. Es galt, realistische Angaben über den Ort der einfallenden Beulen, die fiktiven Lastausbreitungswinkel und die Beulspannung in Abhängigkeit von Schalenschlankheit, Eindringsteifigkeit und Lasteinleibungsbreite zu machen. Mit Kenntnis dieser Daten und einem experimentell gefundenen Korrekturfaktor ist es möglich, den Stabilitätsnachweis der punktgestützten Schale unter Heranziehung des in DIN 18800-4 beschriebenen Nachweisverfahrens zu führen.
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Die Beulkurven, die derzeitig in DIN 18 800 und Eurocode 3 festgelegt sind, bestimmen die Tragfähigkeit von beulgefährdeten Querschnitten (Querschnittsklasse 4). Aus den Beulkurven ergibt sich gleichzeitig der Grenzfall, ab dem ein örtliches Beulen nicht mehr rechnerisch zu berücksichtigen ist. Den Grenzwerten für das Verfahren Elastisch-Plastisch (bzw. Querschnittsklasse 2) ist dabei besonderes Augenmerk zu widmen, da diese einzuhalten sind, um die vereinfachten Stabilitätsnachweise nach DIN 18 800-2 führen zu dürfen. Die derzeit in den maßgebenden Regelwerken vorgesehenen Beulkurven können auf der unsicheren Seite liegen, sofern geometrische Imperfektionen in Anlehnung an die in DIN 18 800-3 festgelegten Höchstwerte der unvermeidbaren Herstellungsungenauigkeiten angesetzt werden. Eigene Untersuchungen, bei denen auch Eigenspannungen berücksichtigt wurden, zeigten einen Widerspruch zwischen numerisch ermittelten Traglasten und empirischen Erfahrungswerten. Dieser konnte nur dadurch aufgelöst werden, daß statt schlimmstmögliche, nur anregende Imperfektionen in Ansatz gebracht wurden. Eine Verschärfung der in den Normen verwendeten Beulkurven wird dann nicht als notwendig erachtet. Bezüglich der Grenz-(b/t)-Verhältnisse werden z.T. deutlich strengere Grenzwerte gefordert, weil sich für auf die derzeitigen (b/t)-Verhältnisse optimierten Querschnitte zu hohe Traglasten ergeben würden. Numerische Rechnungen zeigen zwar gewisse Unzulänglichkeiten der derzeitigen Regelungen auf, geben jedoch nicht genügend Anlass, die derzeitigen Grenzwerte zu verschärfen.
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Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht
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Bauteile aus austenitischen Stählen sind bei vielen Anwendungen beulgefährdet. Einschlägige Regelwerke für den Beulsicherheitsnachweis von Schalenbauten aus Baustahl (z.B. DIN 18800-4 oder ENV 1993-1-6) sind wegen der ausgeprägt nichtlinearen Spannungsdehnungslinie austenitischer Stähle, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, nicht direkt anwendbar. Um verlässliche Vorschläge für die notwendige Modifizierung des Konzeptes für den Beulsicherheitsnachweis erarbeiten zu können, wurden umfangreiche numerische und experimentelle Untersuchungen an axialgedrückten Kreiszylindern bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen umfassten 37 Beulversuche sowie ein systematisches begleitendes Werkstoff-Prüfprogramm. Versuchsparameter waren (1) die Stahlsorte (1.4301, 1.4404, 1.4571), (2) die Schalenschlankheit (r/t = 50, 150, 400) und (3) die Versuchstemperatur (T = 20 Grad C, 100 Grad C, 250 Grad C, 400 Grad C). In Präzisions-Zug- und -Druckversuchen an Dünnblechproben wurden komplette Spannungslinien aufgenommen. Durch Vergleich mit den Versuchsbeullasten wird gezeigt, dass eine direkte Anwendung der vorgenannten Schalenbeul-Normen, die keine spezifischen Angaben für nichtrostende Stähle enthalten, zu unsicheren Bemessungsergebnissen führt. Die numerischen Untersuchungen umfassten ca. 6000 geometrisch und werkstofflich nichtlineare Finite-Elemente-Beulanalysen an ersatzimperfekten Zylinderschalen. Das Werkstoffverhalten wurde dabei nach Ramberg/Osgood modelliert. Das gesamte numerische Modell wurde durch Vergleichsberechnungen zu den Beulversuchen verifiziert. Aus den numerisch ermittelten Beullasten wurde der stabilitätsmindernde Einfluss der nichtlinearen Spannungsdehnungslinie - im Vergleich zu einer idealisierten elastisch-plastischen Spannungsdehnungslinie mit identischen Werten für den E-Modul und die Streckgrenze - als Quotient entnommen. Dieser Quotient wird für die praktische Bemessung als "Edelstahl-Beulreduktionsfaktor" vorgeschlagen, mit dem die Bemessungsbeu
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In die 1990 erschienene Stahlbau-Grundnorm DIN 18800 Teil 4 bzw. den 1993 erschienenen zugehörigen Beuth-Kommentar sowie in den ebenfalls 1993 erschienenen Entwurf der DASt-Richtlinie 017 ist das seinerzeit verfügbare "normungsfähige" Wissen über Schalenstabilität eingeflossen. Zur Zeit wird im Rahmen der Arbeiten an Eurocode 3 eine Grundnorm EC3-Part 1.6 "Strength and stability of steel shell structures" konzipiert. Da hier im Rahmen der EC3-Arbeit das Thema Schalenstabilität erstmals angefaßt wurde, mußte zunächst Vorarbeit geleistet werden, indem alle seit 1992 überarbeiteten Versionen international einschlägiger Regelwerke und neu erschienenen Veröffentlichungen zur Schalenstabilität gesichtet und auf ihre Relevanz für die geplante EN-Grundnorm überprüft wurden. Der Bericht enthält als Anlage die Listen der gesichteten Regelwerke und Veröffentlichungen sowie einen schalenbeulspezifischen Auszug aus dem "2nd draft" des EC3-Part 1.6 (Stand August 1996).
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Die genaueren Beulnachweise nach Eurocode 5 liefern geringere b/d-Werte als die angegebenen Näherungswerte. Um günstigere Ergebnisse bei dem genaueren Beulnachweis zu erhalten, sollte die postkritische Tragfähigkeit einer Platte bei dem Beulnachweis berücksichtigt werden. Es besteht Grund zur Annahme, daß ein großes Potential beim Beulnachweis verschenkt wird, wenn die postkritische Tragfähigkeit der Platten nicht berücksichtigt wird. Zum genaueren Beulnachweis wird das Konzept der "mitwirkenden Plattenbreite" vorgeschlagen. Um aber die mitwirkende Plattenbreite berechnen zu können, sind noch umfangreiche experimentelle Untersuchungen auf dem Gebiet des Plattenbeulens von Holzwerkstoffplatten erforderlich. Der jetzige genauere Beulnachweis nach Eurocode 5 ist zu konservativ und muß überarbeitet werden.
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