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Mehrskalenmodellierung von Schädigung in Stahlstrukturen

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[Quelle: https://d-nb.info]

Das Versagen von Stahlstrukturen beginnt mit der Schädigung auf Mikrostrukturebene durch das Lösen von Verbindungen infolge Überbeanspruchung. Das Materialverhalten wird mit einem phänomenologischen Ansatz der Kontinuumsschädigungsmechanik (CDM) beschrieben, wobei das Konzept von Poren, die sich bilden, anwachsen und verbinden, aus der Literatur übernommen wird. Durch die Berücksichtigung von Viskoplastizität, isotroper und kinematischer Verfestigung, einer Strain Memory Surface sowie isotroper Schädigungsentwicklung wird eine zutreffende Beschreibung zyklischer und ratenabhängiger Beanspruchungen erreicht. Die Anpassung der eingeführten Modellparameter an das in Versuchen beobachtete Materialverhalten erfolgt für den Materialpunkt mit Hilfe von evolutionären Algorithmen. Innerhalb der zuvor festgelegten Grenzen stellt der zum kleinsten Zielfunktionswert zugehörige Parametersatz die optimale Anpassung an unterschiedliche Beanspruchungssituationen dar. Zur Untersuchung des nichtlinearen Verhaltens von zwei- und dreidimensionalen Strukturen wird eine Finite-Element-Methode in Weggrößenformulierung verwendet. Zur Vermeidung netzabhängiger Ergebnisse wird eine Gradientenformulierung herangezogen, durch welche die lokal entwickelte Schädigung über ein Gebiet verteilt und die nichtlokale Schädigung als zusätzlicher Freiwert eingeführt wird. Eine interne Länge bestimmt die Größe der Prozesszone und limitiert die Abmessungen der Elemente im Schädigungsbereich. Durch die im Vergleich deutlich größeren Profilgeometrien im Stahlbau ergibt sich ein hoher Berechnungsaufwand für das CDM-Modell. Aufgrund der Beschaffenheit von Stahlbauteilen stellen Balkenelemente einen geeigneten Modellansatz für lineare Materialgesetze dar, die am Integrationspunkt um Plastizität erweitert werden können. Ein degeneratives Materialverhalten kann jedoch nicht abgebildet werden. Schädigung und Bauteilversagen stellen lokal begrenztes Phänomene dar, weshalb das konventionelle Balkenelement mit Verschiebungs- und Verdrehfreiheitsgraden um eine zusätzliche Ansatzfunktion sowie einen weiteren Freiheitsgrad zur Beschreibung eines Knickes ergänzt wird. Die Modellparameter des Balkenmodells werden ermittelt, indem eine Berechnung mit dem CDM-Modell für ein Referenzprofil durchgeführt und das maximale Moment und die plastischen Arbeiten beider Modelle gegenübergestellt werden. Abschließend wird das Versagens eines Stahlrahmens mit Hilfe des vorgetellten Mehrskalenmodells untersucht.

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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

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Foliendach für den Ausblick zum Himmel in Braunschweig (kostenlos)
Stahlbau heute, 2022

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Ko?ich, Matyá?; Wald, Franti?ek; Ding Bu, Xiao; Packer, Jeffrey A.
The strain limit state criterion for hollow section joints
Steel Construction, 2022

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Reinheimer, Jan; Lange, Jörg
Untersuchungen zur Grenzvorspannkraft von hochfesten Schraubengarnituren
Stahlbau, 2022

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Weltgrößte Fahrradgarage in Utrecht (kostenlos)
Stahlbau heute, 2022

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Wolters, Kevin; Nonn, Jonas; Rittich, Nils
Fatigue behaviour of composite girders with composite dowels assuming randomly distributed input parameters (kostenlos)
Steel Construction, 2022

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