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Forschungsbericht: Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht

Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht

Bauforschung, Band T 2929
Herbert Schmidt, Kirsi T. Hautala
Univ. Essen, Fachgebiet Stahlbau
2000, 106 S., Abb.,Tab.,Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Kurzbericht [PDF] deutsche Version
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Inhalt

Austenitische, rostfreie Stähle werden zunehmend beim Bau von Chemieanlagen, Behältern und Kraftwerken eingesetzt. Rauchgas führende Innenrohre von Doppelmantelschornsteinen sind für Betriebstemperaturen bis zu 500 °C auszulegen. Für schalenartige Bauteile aus austenitischem, nicht rostendem Stahl, die solch hohen Temperaturen ausgesetzt sind, gibt es keine speziellen Vorschriften zum Sicherheitsnachweis gegen Schalenbeulen. Deshalb erfolgten numerische Grenzlastanalysen sowie 43 Beulversuche an axial gedrückten Modellkreiszylindern. Versuchsparameter waren die Stahlsorte, die Betriebstemperatur und die Schalenschlankheit. Im Ergebnis der Versuche und der 6 000 Finite-Elemente-Beulanalysen an baupraktisch imperfekten Kreiszylinderschalen liegen Näherungsformeln vor. Sie dienen der Ermittlung des von der Temperatur und Schlankheit abhängigen Edelstahl-Beulreduktionsfaktors. Mit diesem ist die Bemessungsbeulspannung des jeweiligen Regelwerks für allgemeine schalenförmige Stahlbauten zu reduzieren. Das Nachweisverfahren verzichtet auf fiktiv reduzierte Elastizitätsmoduli wie sie DIN 4133:1991-11 »Schornsteine aus Stahl« angibt und ist auf alle austenitischen, nicht rostenden Stähle bei Temperaturen bis 500 °C anwendbar. Es scheint vertretbar zu sein, die Nachweisprozedur auch bei den Stabilitätsfällen »Schalenbeulen unter Umfangsdruck« und »Schalenbeulen unter Torsion« anzuwenden.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1
2 Experimentelle Untersuchungen 3
2.1 Beulversuchsprogramm 3
2.2 Werkstoffeigenschaften der verwendeten Bleche 4
2.3 Geometrie der Versuchskörper 7
2.4 Durchführung der Beulversuche 8
2.5 Ergebnisse der Beulversuche 10
3 Numerische Parameterstudie 13
3.1 Zielsetzung, Umfang, eingesetztes Computerprogramm 13
3.2 Modellierung der Werkstoffeigenschaften 13
3.3 Modellierung der Imperfektionen 14
3.4 Durchführung der Parameterstudie 14
3.4.1 Vorberechnungen 15
3.4.2 Parameterstudie für Raumtemperatur 18
3.4.3 Parameterstudie für erhöhte Temperatur 20
3.5 Ergebnisse der Parameterstudie 20
4 Vergleiche zwischen experimentellen und rechnerischen Ergebnissen 23
4.1 Numerische Vergleichsberechnungen zu den Beulversuchen 23
4.2 Vergleiche zwischen experimentellen und Regelwerk-Beullasten 27
5 Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis 33
6 Zusammenfassung und Ausblick 36
Literatur

Publikationslisten zum Thema:
Stahlbau, Stahlkonstruktion, Stahl(austenitisch), Stahl(nichtrostend), Stahl(warmfest), Beulen, Beulsicherheit, Schale, Stahlschale, Kreiszylinderschale, Schornstein, Stahlschornstein, Stahl(rostfrei), Versuch, Imperfektion, Zylinderschale, Beulversuch, Parameterstudie, Temperatur, Bemessung, Berechnung, Edelstahl,

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Fraunhofer IRB Verlag

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.

Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht

Herbert Schmidt, Kirsi T. Hautala
Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2929
2000, 106 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

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

A. Rusch
Grenz-(b/t)-Verhältnisse in Abhängigkeit der Belastung unter besonderer Berücksichtigung von Imperfektionen. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2952
2000, 68 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

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.

Vergleichende Betrachtungen europäischer Bauproduktennormen mit nationalen Bestimmungen - Beulnachweise bei Beplankungen von Tafelelementen und bei Verbundträgern mit Plattenstegen

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Vergleichende Betrachtungen europäischer Bauproduktennormen mit nationalen Bestimmungen - Beulnachweise bei Beplankungen von Tafelelementen und bei Verbundträgern mit Plattenstegen
Bauforschung, Band T 2776
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Fraunhofer IRB Verlag

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.

Herbert Schmidt
Sichtung und Aufbereitung der Kenntnisse zur Schalenstabilität für die Teile 3 und 4 des Eurocode 3. Schlußbericht
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Fraunhofer IRB Verlag

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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