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Design of cast steel components under cyclic loading

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[Quelle: https://www.ksp.kit.edu]

Stahlguss ist aufgrund seiner hohen mechanischen Beanspruchbarkeit und der nahezu freien Formgebung theoretisch optimal für den Einsatz in ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen geeignet. Jedoch wird der Bauteilwiderstand gegen Ermüdung durch herstellungsbedingte Ungänzen bestimmt. Aufgrund fehlender Kenntnisse und nicht vorhandener, einfach anwendbarer Bemessungsansätze wird der Einsatz meist abgelehnt, oder durch höchste Anforderungen an die Herstellqualität begegnet. Diese pauschale Wahl ist in vielen Fällen unwirtschaftlich und unter technischen Gesichtspunkten nicht erforderlich, da auch größere Gussfehler die Leistungsfähigkeit eines Bauteils nicht zwangsläufig reduzieren. Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein allgemeingültiger Bemessungsansatz entwickelt und so eine durch lokale Beanspruchungen begründete Festlegung von Herstellqualität ermöglicht. Dieser Ansatz wird durch umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen abgesichert und deckt sich mit den Erkenntnissen aus Forschung und Anwendungspraxis der letzten 60 Jahre. Grundlage für die Bewertung sind Ermüdungsversuche an 60 Kleinbauteilen mit realen Gussfehlern aus den Werkstoffen G20Mn5 und G22NiMoCr5-6. Der Übertrag auf reale Bauteile erfolgt durch die Betrachtung von 19 Probekörpern mit praxisnahen Abmessungen und realitätsnahen geometrisch bedingten Spannungskonzentrationen. Mit Hilfe von nummerisch gestützten Rissfortschrittsberechnungen kann das Schädigungsverhalten detailliert abgebildet und bewertet werden. Die Verknüpfung zwischen Beanspruchbarkeit und zulässigen Fehlergrößen erfolgt durch neu definierte Widerstandskategorien. Ausgehend von technisch relevanten Ermüdungsbeanspruchungsklassen werden auf Basis bruchmechanischer Überlegungen maximal zulässige Fehlergrößen definiert. Die Bauteilauslegung erfolgt durch die Begrenzung von maximalen Spannungsschwingbreiten, ist an etablierte Nachweiskonzepte angelehnt und somit direkt auf baupraktische Anwendungen abgestimmt. Einflüsse wie Mittelspannungsabhängigkeit, Formtoleranzen, Sprödbruch, Spannungsgradienten und Interaktion mehrerer Fehler, werden durch Abminderungsfaktoren oder Zusatzbedingungen berücksichtigt.

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Forschungsberichte

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Richard Stroetmann, Lars Sieber, Hans-Werner Viehrig, Mario Houska, Birgit Vetter, Veneta Schubert
Beurteilung der Sprödbruchgefährdung gelochter Stahltragwerke - Weiterentwicklung der Analysemethoden
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2972
2015, 133 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Beurteilung bestehender Stahlkonstruktionen interessiert neben der Tragsicherheit ebenso die Sprödbruchgefährdung. Die normativen Regelungen in DIN EN 1993-1-10 sind für gelochte Konstruktionen aus alten Baustählen nicht anwendbar. Zur sachgerechten Beurteilung der Sprödbruchneigung wird ein Verfahren zum Nachweis ausreichender Zähigkeit quasi-statisch beanspruchter gelochter Bauteile aus Flussstahl auf bruchmechanischer Basis entwickelt. Als eine Grundlage des Nachweisverfahrens wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm an Bauteilen aus bestehenden Stahltragwerken der Baujahre 1904 bis 1930 durchgeführt. Es wurden Werkstoffproben aus unterschiedlichen Bauwerken, verschiedenen Querschnittstypen und allen typischen Stahlherstellungsverfahren untersucht. Neben der Ermittlung der Werkstoffkennwerte im Zugversuch wurde vor allem die Werkstoffzähigkeit der Stähle analysiert.

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K. Geißler, I. Prokop, A. Bubner, R. Egner, S. Heyde, M. Kempkes, B. Kühn, J. Laumann, P. Lieberwirth, J. Naumes, J. Ruga, S. Schilling, H. Schmidt, T. Ummenhofer
Verbesserung der Praxistauglichkeit der Baunormen durch pränormative Arbeit - Teilantrag 3: Stahlbau. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2964
2015, 130 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der umfangreiche Eurocode 3 für den Stahlbau rief in der Ingenieur- und Baupraxis teilweise heftige Kritik hervor. Kritisiert wurde neben der großen Seitenzahl die unzureichende Übersichtlichkeit und Konsistenz und damit verbunden eine mangelhafte Anwenderfreundlichkeit. Ziel des Vorhabens war daher die pränormative Forschung für eine praxisgerechte Überarbeitung und Weiterentwicklung des Eurocode 3. Für das Forschungsvorhaben wurden von den 20 Teilen des Eurocodes 3 die sechs Teile ausgewählt und untersucht, die für die Ingenieure in Planung und Ausführung die größte Relevanz und den größten Verbesserungsbedarf haben. Dies sind der Teil 1-1 (Bemessungsregeln für den Hochbau - "Grundlagenteil"), Teil 1-8 (Anschlüsse), Teil 1-5 (Plattenförmige Bauteile), Teil 1-9 (Ermüdung), Teil 1-2 (Heißbemessung) und Teil 6 (Kranbahnen). Da die Ausführungsnorm DIN EN 1090 Teil 2 in engem Zusammenhang mit dem Eurocode 3 steht, wurde sie ebenfalls in Bezug auf die Praxistauglichkeit überprüft. Gemäß Forschungsantrag wurden zunächst ähnlich einer Anamnese die Schwachstellen und Überregulierungen des Eurocode 3 zusammengetragen. Danach wurde in einer Diagnose geprüft, inwieweit diese Defizite in der Praxis zu Problemen führen. Besonderes Augenmerk wurde daher auf die praktische Anwendbarkeit und auf Unstimmigkeiten in den Bemessungsvorschriften gelegt. Dies und Unklarheiten in der sprachlichen Formulierung der Norm wurden in separaten Synopsen aufgezeigt. Im nächsten Schritt wurden praxisgerechte Verbesserungen und Vereinfachungen der Norm im Sinne einer Therapie erarbeitet. Bedarfsweise wurden die Auswirkungen der Verbesserungsvorschläge an konkreten Bauteilen in Vergleichsberechnungen untersucht und mit den Bemessungsergebnissen der jetzt gültigen Fassung des Eurocode 3 verglichen. Die Therapie wurde je Eurocode in einem Abschnitt "Lösungsvorschläge" erläutert. Die Lösungsvorschläge münden in überarbeiteten und praxistauglichen Entwürfen von Normentexten für den Eurocode 3. Diese Normentwürfe liegen in einzelnen Teilberichten vo

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Ulrike Kuhlmann, Benjamin Braun
Bestimmung der Sicherheitselemente für die Anwendung von DIN EN 1993-1-5 "Plattenförmige Bauteile". Teil 1. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 3234
2010, 29 S., 13 Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Schlussbericht zu diesem Forschungsvorhaben werden der Inhalt und der Hintergrund des deutschen Nationalen Anhangs zu DIN EN 1993-1-5:2006 erläutert. Neben den nationalen Festlegungen umfasst der Nationale Anhang eine Reihe von so genannten konfliktfreien nationalen Ergänzungen, die die zukünftige Bemessungspraxis erleichtern und das bisherige Sicherheitsniveau auch in der Zukunft sicherstellen sollen. Der vorliegende Teil 1 des Schlussberichts stellt Inhalte und Vorschläge zu allen nationalen Festlegungen und konfliktfreien nationalen Ergänzungen vor. Die Festlegungen und Ergänzungen werden dabei so begründet, dass sie auch als Vorlage für eine europäische Harmonisierung dienen können. Die Vorschläge werden im Detail begründet, dabei wird in Teil II zu einigen einzelnen nationalen Festlegungen gesondert Stellung genommen.

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Gerhard Sedlacek
Ausarbeitung eines Entwurfs für den deutschen Nationalen Anhang zu EN 1993-1-1 und seiner wissenschaftlichen Begründung
Bauforschung, Band T 3239
2010, 19 S., 9 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Wie alle Eurocodes enthält die EN 1993 - Eurocode 3 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau - Öffnungen für nationale Festlegungen, die im Rahmen der Bearbeitung des deutschen Nationalen Anhangs zu EN 1993-1-1 getroffen wurden. Beide, EN 1993-1-1 und der deutsche nationale Anhang dazu, sind Kompromisse zwischen verschiedenen Auffassungen und Expertenmeinungen, die in den internationalen Arbeitsgruppen zu EN 1993-1-1 und in der DIN Arbeitsgruppe zum deutschen Nationalen Anhang gefunden wurden. Die Aufgaben für die Herstellung dieses Berichtes sind: 1. eine Sicherheitsüberprüfung der EN 1993-1-1 und des deutschen Nationalen Anhangs zur wissenschaftliche Begründung der gewählten Kompromisse und 2. eine Überprüfung, ob die im Rahmen der Kompromisse gefundenen Alternativen nicht eine unnötige Komplexität der Regelwerks erzeugt haben, die durch "einfachere" und sicherheitsmäßig mindestens gleichwertige Lösungen beseitigt werden könnte.

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H. Pasternak, A. Marosi
Tragverhalten von Hallen mit Flanschstreben
Bauforschung, Band T 3206
2009, 71 S., 69 Abb., 26 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In der Studie werden drei Modelle von Stahlrahmen mit unterschiedlicher Spannweite (18-56 m) entwickelt, um das Biegedrillknicken bei Flanschstreben mit Finiten Elementen zu simulieren. Die Modelle umfassen lmperfektionen sowie geometrische und physikalische Nichtlinearität. Der Weg der Modellierung machte Änderung der Rahmendetails möglich, so dass mehr Parameter untersucht werden konnten. Analysiert werden: - die Schwachstelle "nachgiebige" Drehlagerung, - die Möglichkeit der konstruktiven Umsetzung "unendlicher" Drehsteifigkeit an den Lagerpunkten, - Abgrenzung des "normgerechten" Zustandes, - Hinweise zur rechnerischen Abbildung nachgiebiger Drehlagerungen, - die Notwendigkeit eines weiteren Forschungsbedarfes. Zunächst wird das numerische Modell der Struktur vorgestellt. Dazu werden zwei unterschiedliche Modelle analysiert: ein vereinfachtes Federmodell und ein Model mit Pfetten. Es stellte sich heraus, dass manche Imperfektionen vernachlässigbar waren, während andere entscheidend sind. Um akkurate Ergebnisse zu erhalten, wurde die Elementgröße (FE-Modellierung) variiert. Die durchgeführten Berechnungen zeigen, dass Flanschstreben In der Lage sind, Hallenrahmen auch bei ungünstigen Imperfektionen gegen seitliches Ausweichen zu sichern. Die Tragreserven sind allerdings teilweise außerordentlich gering.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Bui, Hung Cuong; Trinh, Duy Khanh; Nguyen, Minh Tuyen
Effect of web stiffeners on lateral buckling of I-section simply supported beam
Steel Construction, 2022

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Misiek, Thomas; Norlin, Bert; Gitter, Reinhold; Höglund, Torsten
Review of European design provisions for buckling of aluminium members with longitudinal welds - part 2
Steel Construction, 2022

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Siebers, Raban
Auf dem Weg zum klimaneutralen Stahlbau
Stahlbau, 2022

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Friese, Friso; Gebert, Gregor
Erfahrungen beim Bau von Verbundrahmen
Bautechnik, 2022

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Pinger, Thomas; Mensinger, Martin; Firan, Maria-Mirabela
Emissivität von Zink-Aluminiumüberzügen unter Brandlast und Wirkung auf den Feuerwiderstand
Bautechnik, 2022

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Highlights aus dem Programm