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

Kurzbericht [PDF] deutsche Version
Short Version [PDF] englische Version

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.

Verfügbare Formate

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
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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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