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Forschungsbericht: Grenz-(b/t)-Verhältnisse in Abhängigkeit der Belastung unter besonderer Berücksichtigung von Imperfektionen. Schlussbericht

Grenz-(b/t)-Verhältnisse in Abhängigkeit der Belastung unter besonderer Berücksichtigung von Imperfektionen. Schlussbericht

Bauforschung, Band T 2952
A. Rusch
TU Berlin, Institut für Baukonstruktionen und Festigkeit, Fachgebiet Stahlbau
2000, 68 S., Abb.,Tab.,Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Kurzbericht [PDF] deutsche Version
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Inhalt

Nach Expertendiskussionen erfolgten eingehende Untersuchungen zum Einfluss von Imperfektionen auf das Tragverhalten beulgefährdeter, unversteifter Stahlbauteile, die von Normalspannungen beansprucht werden. Bei den numerischen Berechnungen der drei- und vierseitig gelagerten Querschnittselemente berücksichtigte man neben geometrischen Imperfektionen zum Teil auch Eigenspannungen. Es zeigte sich, dass die Randbedingungen der unbelasteten Längsränder einen wesentlichen Einfluss auf die Traglast haben können. Im Bereich mittlerer und großer bezogener Schlankheitsgrade für das Plattenbeulen steigert ein Geradebleiben der Längsränder in signifikanter Weise die Traglast. Bei realen Konstruktionen, beispielsweise die des Brückenbaus, liegt die übliche rechnerische Annahme einer freien Verschieblichkeit weit auf der sicheren Seite. Die Beulfeldlänge ist für die Traglast nur von untergeordneter Bedeutung, sofern der maximale Stich der Vorverformung gleich angenommen wird und beim Beulwert unabhängig von der Länge keine Zwischenmaxima angesetzt werden.

Die Tragfähigkeit beulgefährdeter Querschnitte lässt sich mit den Beulkurven von DIN 18800 und Eurocode 3 ermitteln. Diese Kurven bezeichnen auch den Grenzfall, ab dem ein örtliches Beulen rechnerisch nicht mehr zu berücksichtigen ist. Dabei sind die Grenzwerte für das Verfahren Elastisch-Plastisch wesentlich. Sie sind einzuhalten, um die vereinfachten Stabilitätsnachweise gemäß DIN 18800-2 führen zu dürfen.

Neben dem Einfluss von Imperfektionen auf das Tragverhalten beulgefährdeter Stahlblech-Querschnitte untersucht der Bericht die gegenwärtigen Festlegungen zu den Grenzwerten grenz (b/t) für das Nachweisverfahren Elastisch-Plastisch. Es werden numerische Rechnungen interpretiert, deren Ergebnisse mit Versuchen überprüft wurden. Danach befriedigen die normativen Regelungen nicht vollends. Die Unzulänglichkeiten sind aber nicht so gravierend, dass die derzeitigen, bewährten Grenzwerte verschärft werden müssten. Die Grenzwerte grenz (b/t) von DIN 18800-1 und Eurocode 3 kann man beim Nachweisverfahren Elastisch-Plastisch weiterhin verwenden.

Inhaltsverzeichnis

1 ALLGEMEINES 1
2 WIRKSAME BREITEN 3
2.1 Wirksame Breiten für das Verfahren Elastisch-Elastisch 3
2.2 Wirksame Breiten für das Verfahren Elastisch-Plastisch 5
3 EINFLUß VON IMPERFEKTIONEN 9
3.1 Imperfektionsempfindlichkeit 9
3.2 Arten von Imperfektionen 12
3.3 Unabhängigkeit der Traglast von der Berechnungsmethode 13
4 NUMERISCHE BERECHNUNGEN ZUM EINFLUß VON JMPERFEKTIONEN 15
4.1 Allgemeines 15
4.2 Randbedingungen 15
4.3 Variation des Seitenverhältnisses 17
4.4 Übereinstimmung mit empirischen Daten 19
4.5 Bewertung 22
5 BEULGEFÄHRDEU GESAMTPROFILE 23
6 GRENZWERTE (B/T) FÜR DAS VERFAHREN ELASTISCH-PLASTISCH 25
7 PLASTISCHE QUERSCHNITTSRESERVE 27
7.1 Allgemeines 27
7.2 Gesamtquerschnitte 27
7.3 Erforderliche Dehnungen 28
8 UNTERSUCHUNGEN ZU DEN GRENZWERTEN (BIT) 31
8.1 Allgemeines 31
8.2 Vierseitig gelagert, Ψ_ε = 1,0 32
8.3 Dreiseitig gelagert, Ψ_ε = 1,0 37
8.4 Vierseitig gelagert, Ψ_ε -1,0 38
8.5 Dreiseitig gelagert, Ψ_ε = 0,0 39
8.6 Experimentelle Überprüfung 41
8.7 Bewertung 44
9 ZUSANMENFASSUNG 45
9.1 Einfluss von Imperfektionen auf das Tragverhalten beulgefährdeter Querschnittselemente 45
9.2 Grenz (b/t)-Verhältnisse für das Verfahren Elastisch-Plastisch 46
10 DANKSAGUNG 47
11 LITERATUR 49
Anhang A Exemplarisches Versuchsprotokoll Al - A6

Publikationslisten zum Thema:
Imperfektion, Beulen, Beulkurve, Platte, Lagerung, Berechnung, Bemessung, Beulgefährdung, Grenzwert, Versuch, Experiment, Stahlbau,

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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.,
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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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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.

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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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