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Ermüdungssicherheit imperfekter vorgespannter Ringflanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Stahlbauten

Bauforschung, Band T 2978
Herbert Schmidt, Alexander Jakubowski
Univ. Essen, Fachgebiet Stahlbau
2002, 170 S., Abb., Tab., Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Die Montagestöße turmartiger, kreiszylindrischer oder konischer Stahlbauten (Windenergietürme, Maste, Schornsteine) werden häufig als planmäßig vorgespannte geschraubte L-Ringflanschverbindungen ausgebildet. Der Bericht untersucht den Einfluss von Flanschklaffungen auf das innere Kräftespiel in L-Flansch-Stößen unter Rohrbiegung und analysiert die daraus resultierende Ermüdungsbeanspruchung der Schrauben. Das hierfür aufzubauende FE-Modell wurde experimentell validiert, indem großmaßstäbliche Rohrbiegeversuche an Ringflanschstößen durchgeführt wurden. Beschrieben werden die insgesamt vier Experimente, welche an einem perfekten Prüfflanschstoß, einem planmäßig imperfekten Stoß mit flanschseitiger Winkelklaffung, einem planmäßig imperfekten Stoß mit rohrseitiger Winkelklaffung sowie an einem planmäßig imperfekten Stoß mit Parallelklaffung durchgeführt wurden. Erläutert werden der Aufbau des FE-Modells mit Hilfe des Programmsystems ANSYS, dessen Validierung anhand der Versuchsergebnisse sowie eine numerische Parameterstudie, die an Ringflanschen mit zwei ausgewählten baupraktischen Ringflanschgeometrien durchgeführt wurde. Die Imperfektionsparameter wurden variiert und die damit berechneten Schraubenbeanspruchungsfunktionen miteinander verglichen. Der Forschungsbericht zieht aus den Untersuchungsergebnissen Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis und gibt Ausführungsempfehlungen.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 3
1.1 Problemstellung 3
1.2 Zielsetzung und Überblick 6
2 Wissensstand 7
3 Planung und Aufbau der Rohrbiegeversuche 11
3.1 Versuchsprogramm 11
3.1.1 Zugrundegelegte Flanschverbindungen 11
3.1.2 Parameter Flanschimperfektion 12
3.2 Versuchsaufbau 13
3.2.1 Belastungsvorrichtung13
3.2.2 Herstellung der Prüfkörper und der Auf nahmestücke14
3.3 Messeinrichtungen 15
3.3.1 Messeinrichtungen am Gesamtsystem 15
3.3.2 Messeinrichtungen im engeren Prüfflanschbereich 15
4 Durchführung der Rohrbiegeversuche 17
4.1 Begleitende Materialprüfung 17
4.1.1 Rohr- und Flanschmaterial 17
4.1.2 Schrauben 18
4.2 Vermessung der Prüfkörper 19
4.2.1 Imperfektionen - Vorgehensweise 19
4.2.2 Imperfektionen - Ergebnisse 21
4.3 Aufbringen der Vorspannung 23
4.4 Ablauf der Belastungsversuche 24
5 Ergebnisse der Rohrbiegeversuche 26
5.1 Darstellung der Versuchsergebnisse 26
5.1.1 Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung 26
5.1.2 Prüfschrauben: Torsionsbeanspruchung 28
5.1.3 Prüfrohre: Membran- und Biegebeanspruchung 29
5.2 Messungenauigkeiten und Messfehler 29
5.3 Ergebnisse der Vorspannphase 30
5.3.1 Ergebnisse Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung 30
5.3.2 Ergebnisse Prüfschrauben: Torsionsbeanspruchung 34
5.3.3 Ergebnisse Prüfrohre: Membran- und Biegebeanspruchung 34
5.3.4 Flanschklaffungen 36
5.4 Ergebnisse der Schwellbelastungsphase 37
5.4.1 Ergebnisse Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung unter Rohrbiegezug 37
5.4.2 Ergebnisse Prüfschrauben: Axial- und Biegebeanspruchung unter Rohrbiegedruck 40
5.4.3 Ergebnisse Prüfschrauben: Veränderungen der Axial- und Biegebeanspruchungen infolge wiederholter Belastung 41
5.4.4 Ergebnisse Prüfschrauben: Torsionsbeanspruchung 45
5.4.5 Ergebnisse Prüfrohre: Membran- und Biegebeanspruchung 46
5.4.6 Flanschklaffungen 48
5.5 Ergebnisse der Traglastversuche 48
6 Vergleichsberechnungen zu den Rohrbiegeversuchen 50
6.1 Aufbau des FE-Modells 50
6.1.1 Elementtypen 50
6.1.2 Feinmodellierung und Elementvernetzung 51
6.1.3 Werkstoffeigenschaften 52
6.1.4 Symmetriebedingungen 53
6.1.5 Modellierung der geometrischen Flanschimperfektionen 55
6.1.6 Aufbringen der Vorspannung 55
6.2 Validierung des FE-Modells anhand der experimentellen Ergebnisse 56
6.2.1 Vorspannphase 56
6.2.2 Schwellbelastungsphase 57
6.3 Weitere FE-Vergleichsberechnungen 59
6.3.1 Schraubenschnittgrößen unter stetig ansteigender Rohrbiegebelastung 59
6.3.2 Vorspannverluste bei wiederholter Belastung 61
7 Numerische Parameterstudie 62
7.1 Reduktion des FE-Modells 62
7.2 Baupraktische Flanschstöße: Geometrie und Werkstoff 65
7.3 Vergleich der Schraubenbeanspruchungsfunktionen 66
7.4 Vergleich der Ermüdungs-Schädigungssummen 69
7.4.1 Vorgehensweise 69
7.4.2 Ergebnisse Flanschstoß A 72
7.4.3 Ergebnisse Flanschstoß B 73
8 Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis 76
8.1 Unmittelbare Erkenntnisse aus den Untersuchungen 76
8.2 Überlegungen zum Ermüdungssicherheitsnachweis der Schrauben 77
8.3 Überlegungen zu Herstelltoleranzen für den Flanschstoß 79
8.4 Überlegungen zur Sanierung imperfekter Flanschstöße 81
9 Zusammenfassung und Ausblick 83

Publikationslisten zum Thema:
Stahlkonstruktion, Turmbauwerk, Windturm, Mast, Kreiszylinder, Konus, Windbeanspruchung, Montagestoß, Ringflansch, Verschraubung, Vorspannung, Imperfektion, Ermüdungssicherheit, Experiment, Biegeversuch, Untersuchungsergebnis, Modellierung, Finite-Elemente-Methode, Bemessungshinweis, Ausführungsempfehlung,

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Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird seit vielen Jahren im Stahlbau als Standardverfahren zur Berechnung und Bemessung von Tragwerken benutzt. Nach einer Einführung in die Methodik und Erläuterungen zum Verständnis konzentriert sich das Buch auf die Ermittlung von Schnittgrößen, Verformungen, Verzweigungslasten und Eigenformen für Stahlkonstruktionen. Neben linearen Berechnungen für Tragwerke bilden die Stabilitätsfälle Biegeknicken, Biegedrillknicken und Plattenbeulen mit der Ermittlung von Verzweigungslasten und Berechnungen nach Theorie II. Ordnung wichtige Schwerpunkte. Hinzu kommt die Untersuchung von Querschnitten, für die Berechnungen mit der FEM zukünftig stark an Bedeutung gewinnen werden. Für praktisch tätige Ingenieure und Studierende gleichermaßen werden alle notwendigen Berechnungen für die Bemessung von Tragwerken auf Grundlage der europäischen Normen (Eurocode 3) anschaulich dargestellt. Dabei wird auch die Ermittlung der Grenztragfähigkeit stabilitätsgefährdeter Stützen und Träger nach der Fließzonentheorie eingehend behandelt, da zu erwarten ist, dass diese Berechnungsmethode zukünftig vermehrt in der Baupraxis verwendet werden wird. Darüber hinaus wurden für die 2. Auflage insbesondere die Berechnungsbeispiele ergänzt und vertieft.

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Der Eurocode 3 Stahlbau gilt für die Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten und Stahlbauteilen. Die Normen behandeln Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit, die Tragfähigkeit, die Dauerhaftigkeit und den Feuerwiderstand von Tragwerken aus Stahl. Das Handbuch führt die aktuellen Originaltexte folgender Normen einschließlich dazugehöriger Nationaler Anhänge zu einem durchgängig lesbaren Text zusammen: DIN EN 1993-1-1:2010-12 Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau (einschl. A1:2014-07) und NA:2017-09; DIN EN 1993-1-2:2010-12 Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall und NA:2010-12; DIN EN 1993-1-3:2010-12 Allgemeine Regeln - Ergänzende Regeln für kaltgeformte Bauteile und Bleche und NA:2017-05; DIN EN 1993-1-4:2015-10 Allgemeine Bemessungsregeln - Ergänzende Regeln zur Anwendung von nichtrostenden Stählen und NA:2017-01; DIN EN 1993-1-5:2017-07 Plattenförmige Bauteile und NA:2016-04.

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Erfolgreiches Bauen setzt neben dem Wissen von Werkstoffeigenschaften und Korrosions- und Brandverhalten fundierte Kenntnisse in der Statik und Festigkeitslehre, aber auch eine gründliche Ausbildung in den wesentlichen Konstruktionsprinzipien dieser speziellen Bauweise voraus. Das Buch widmet sich diesen Konstruktionsprinzipien und vermittelt das hierfür notwendige Grundwissen. Es werden die wichtigsten Konstruktions- und Bemessungsregeln für Vollwandträger, Fachwerkträger, Fachwerke, Kranbahnen, Rahmentragwerke sowie für Tragelemente mit dünnwandigen Querschnittsteilen behandelt. Neben der ausführlichen zeichnerischen Dokumentation der Konstruktionen werden in verständlicher und umfassender Weise die zugehörigen Nachweise in Form vieler Berechnungsbeispiele dargestellt. Basis aller Berechnungen sind nun die neuen deutschen (DIN 18800-1 bis -2) und europäischen Normen (EC 3 (Stahlbau)). Die Verbundkonstruktionen aus Stahl und Beton werden auf der Grundlage des EC 4 (Verbundbau) in einem eigenen Abschnitt behandelt. Ebenfalls sind Dauer- und Betriebsfestigkeit des Stahls bei dynamischer Beanspruchung mit den zugehörigen Nachweisen ein ausführliches Thema innerhalb des Buches.

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Das ehemalige DIN-Taschenbuch 69 erscheint aufgrund der bauaufsichtlichen Einführung der Eurocodes inhaltlich umstrukturiert von nun an in drei Bänden. Band 1 und 2 führen Grundlagennormen des Stahlbaus auf, Band 3 enthält die einschlägigen Normen zum Ingenieurbau und ersetzt das bisherige DIN-Taschenbuch 144 "Stahlbau, Ingenieurbau". Der zweite Band DIN-Taschenbuch 69/2 Stahlbau 2 liefert folgende Stahlbaunormen einschließlich der zugehörigen Nationalen Anhänge: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten; DIN EN 1993-1-3:2010-12 Teil 1-3: Allgemeine Regeln - Ergänzende Regeln für kaltgeformte Bauteile und Bleche; DIN EN 1993-1-5:2010-12 Teil 1-5: Plattenförmige Bauteile; DIN EN 1993-1-8:2010-12 Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen; DIN EN 1993-1-9:2010-12 Teil 1-9: Ermüdung; DIN EN 1993-1-10:2010-12 Teil 1-10: Stahlsortenauswahl im Hinblick auf Bruchzähigkeit und Eigenschaften in Dickenrichtung. Folgende Normen wurden aktualisiert: DIN EN 1993-1-5/NA:2016-04 und DIN EN 1993-1-10/NA:2016-04.

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Forschungsberichte

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Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger durch die Schubsteifigkeit zweiseitig gelagerter Trapezbleche

Helmut Saal, Markus Dürr
Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger durch die Schubsteifigkeit zweiseitig gelagerter Trapezbleche
Bauforschung, Band T 3114
2006, 31 S., 25 Abb., 8 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

Durch den Ansatz der stabilisierenden Wirkung angrenzender Bauteile (wie zum Beispiel Stahltrapezprofile), die den stabilitätsgefährdeten Druckgurt stützen, kann die Grenztragfähigkeit biegedrillknickgefährdeter Profile gesteigert werden. DIN 18800-2:1990-11 gibt eine Bedingung für die erforderliche Schubsteifigkeit angrenzender Trapezprofile, bei deren Einhaltung die Anschlussstelle als in Trapezblechebene unverschieblich gehalten angesehen werden darf. Der Beuth-Kommentar zur DIN 18800-2 hebt hervor, dass eine Schubsteifigkeit S nur dann vorliegt, wenn das Schubfeld an allen Randträgern befestigt ist und die aus der Schubfeldwirkung resultierenden Kräfte aufgenommen werden können. Da eine allseitige Befestigung der Trapezbleche konstruktiv sehr aufwendig ist und zum Teil nicht der durch die Profilierung bestimmten einachsigen Lastabtragung dieser Bauteile entspricht, werden Stahltrapezprofile in der Praxis jedoch nur an den zur Lastabtragungsrichtung rechtwinkligen Rändern an die Unterkonstruktion angeschlossen. Aufgrund dieser konstruktiven Ausbildung darf die stabilisierende Wirkung mangels Kenntnissen nicht in Rechnung gestellt werden. Als Ergebnis des Forschungsvorhabens liegt eine Regel für die Ermittlung der Schubsteifigkeit von nur an den Querrändern gelagerten Trapezblechscheiben vor. Damit kann für diesen in der Praxis am häufigsten anzutreffenden Fall die Schubbettung der Trapezbleche für die Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger angesetzt werden. Auf diese Weise kann künftig eine sehr vorteilhafte Tragwirkung beim Tragfähigkeitsnachweis genutzt werden, die bisher nur mangels der entsprechenden Rechenhilfsmittel nicht genutzt wurde. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten parametrischen FE-Berechnungen mit ihrer experimentellen Verifikation gehen weit über das bei konkreten Einzelprojekten mögliche hinaus. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wirken auch dem unzulässigen Ansatz unbegründeter, möglicherweise zu großer Schubsteifigkeiten und den damit verbundenen Gefahren entge

Peter Schaumann, Florian Kettner, Alexander Heise
Tragwerksbemessung für den Brandfall bei Verbundtragwerken
Schlussbericht
Bauforschung, Band T 3089
2005, 63 S., m. 33 Abb. 30 cm,
Fraunhofer IRB Verlag

Bei der Überführung der Eurocodes für die brandschutztechnische Bemessung von Stahlverbundbauteilen von der ENV- in die EN-Version sind neue Kennwerte für die Berechnung der Erwärmung definiert und einige Bemessungsverfahren verändert worden oder neu hinzugekommen. Darüber hinaus enthält die EN-Fassung einige Angaben, die in den einzelnen Mitgliedsländern im Rahmen der National Determined Parameter dem nationalen Sicherheitsniveau entsprechend festzulegen sind. Insgesamt ist sicherzustellen, dass das derzeitige Bemessungsniveau allgemein und die bestehenden Bemessungstafeln und vereinfachten Berechnungsverfahren speziell im Bemessungsergebnis nicht spürbar verändert werden. Dazu ist in einer Studie anhand signifikanter Beispiele der Vergleich zwischen den bestehenden Regelungen und denen nach EN-Fassung durchzuführen und zu werten. Die identifizierten Änderungen werden anhand der einzelnen Nachweisebenen des Eurocodes (Level 1 bis 3) gegliedert und analysiert. Abschließend werden die Änderungen in den einzelnen Nachweisebenen ganzheitlich betrachtet und das Sicherheitsniveau der EN-Version im Vergleich zur ENV-Fassung beurteilt. Auf der Ebene der Bemessungstabellen haben sich Änderungen für Verbundstützen aus kammerbetonierten 1-Profilen oder betongefüllten Rundrohren ergeben. Die Änderungen können als wissenschaftlich abgesichert und das Sicherheitsniveau im Vergleich zur ENV-Fassung als eingehalten betrachtet werden. Für den Nachweis von Verbunddecken im Brandfall ist in der EN-Fassung ein neues vereinfachtes Bemessungsverfahren implementiert worden. Ein Vergleich mit den in Deutschland vorliegenden Zulassungen des Deutschen Instituts für Bautechnik zeigt, dass das Eurocode-Verfahren besonders bei positiver Momentenbeanspruchung zu konservativen Ergebnissen führt und ein Nachweis der Längsschubtragfähigkeit fehlt. Bei dem Nachweis von ungeschützten Verbundträgern ist in der EN-Fassung ein erhöhter Emissionsbeiwert und ein Abschaffungseffekt zu berücksichtigen. Insgesamt führt die Berechnung zu etwas geringeren

Ermüdungssicherheit imperfekter vorgespannter Ringflanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Stahlbauten

Herbert Schmidt, Alexander Jakubowski
Ermüdungssicherheit imperfekter vorgespannter Ringflanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Stahlbauten
Bauforschung, Band T 2978
2002, 170 S., Abb., Tab., Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

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.

Joachim Lindner, A. Rusch
Interaktionsgleichungen für das Biegeknicken bei Druck und zweiachsiger Biegung. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2895
1999, 90 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

Für stabilitätsgefährdete Bauteile und Bauwerke ist generell eine Berechnung nach Elastizitätstheorie 11. Ordnung möglich. Bei der praktischen Anwendung dominiert aber in Deutschland und auch international immer noch die Verwendung von Interaktionsgleichungen. Bei Diskussionen zur europäischen Normung wurden Zweifel laut, ob die im Eurocode 3, Abschn. 5.5. vorhandenen Interaktionsgleichungen für den Fall von Druck und Biegung hinreichend sicher sind. Es wurden Parameterstudien durchgeführt, die aus Traglastberechnungen bestehen. Diese Traglastberechnungen wurden unter Berücksichtigung des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens, von Eigenspannungen, von geometrischen Imperfektionen und der Ausbreitung plastischer Zonen in Stablängsrichtung durchgeführt. Die vorhandenen Interaktionsgleichungen des Eurocode 3 weisen ein hinreichendes Sicherheitsniveau auf, sind zum Teil aber etwas unwirtschaftlich. Zum anderen erwies sich ein gemeinsam mit Prof. Greiner/Graz erarbeitetes Nachweisformat sowohl als sicher als auch als wirtschaftlich.

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Zeitschriftenartikel

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Crack and deformation behavior of composite beams using partial-depth precast concrete units
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Unterweger, Harald; Derler, Christoph
Wölbkrafttorsion an einzelligen schlanken Kastenquerschnitten. Analyse des Beultragverhaltens und vereinfachter Nachweis
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