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Robustheit von Stahl- und Verbundrahmen durch gezielte Knotenausbildung

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[Quelle: http://d-nb.info]

In der heutigen Zeit wird die Forderung nach robusten Tragwerken immer wichtiger. Im Allgemeinen ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein außergewöhnliches Beanspruchungsszenario auftritt zwar gering, die Folgen eines solchen Ereignisses sind meist jedoch schwerwiegend. Der Einsatz teiltragfähiger und verformbarer Anschlüsse in Stahl- und Verbundrahmentragwerken hat neben der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit auch den Vorteil, dass die Robustheit der jeweiligen Tragwerke gesteigert werden kann. Im Falle einer außergewöhnlichen Beanspruchungssituation wie dem Stützenausfall, können mit Hilfe dieser Knoten die vorhandenen und zusätzlich auftretenden Beanspruchungen von der intakten Reststruktur abgetragen werden. Dafür müssen die Knoten eine hohe Rotationskapazität bei gleichzeitig vorhandener Momententragfähigkeit aufweisen, um ein vorzeitiges Versagen auszuschließen. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Mitwirkung der einzelnen Komponenten am Knoten, die ein möglichst duktiles Verhalten aufweisen müssen. Bei ausreichender Duktilität ist es möglich, durch die Bildung von Fließgelenken an den Knoten, eine Spannbandwirkung im Rahmensystem auszubilden. Mit der Arbeit wird ein Beitrag zum Nachweis der Robustheit eines Verbundrahmensystems nach einem Stützenausfall geleistet. Hauptaugenmerk liegt dabei mit der Auswertung einer umfangreichen numerischen Parameterstudie auf der analytischen Bestimmung der vorhandenen Verformungskapazitäten von teiltragfähigen Verbundknoten. Dabei werden sowohl die im Gebrauchszustand vorhandene Beanspruchung eines negativen Stützmomentes am Knoten als auch die bei einem Stützenausfall auftretende Beanspruchung eines positiven Feldmomentes am Knoten betrachtet. Die vorhandenen Knotenkapazitäten müssen schließlich den erforderlichen Verformungskapazitäten, die sich aus der globalen Rahmenstruktur ergeben, gegenübergestellt werden. Dies kann mit Hilfe der sogenannten Beamline-Methode erfolgen, die im Rahmen der Arbeit für die Anwendung bei einem Rahmentragwerk mit einer ausgefallenen Stütze erprobt wird. Damit wird in neben den entwickelten Bemessungsgleichungen für die Bestimmung der vorhandenen Rotationskapazität von Verbundknoten ein Vorschlag für ein anschauliches Verfahren zur Nachweisführung bei einem Stützenausfall in einem unverschieblichen Rahmentragwerk gegeben.

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Bücher, Broschüren

Jennifer C. Hrabowski
Ermüdungsverhalten von Schweißverbindungen aus höchstfestem Stahl im Kurzzeitfestigkeitsbereich
Berichte zum Stahl- und Leichtbau, Band 9
Dissertationsschrift
2019, 214 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Größer, höher, weiter? so lauten die Anforderungen an den konstruktiven Ingenieurbau der heutigen Zeit. Zur Umsetzung dieser Ziele im modernen Stahlleichtbau spielt die Weiterentwicklung hochfester Baustähle eine entscheidende Rolle. Stahlsorten mit Streckgrenzen von bis zu 1300 N/mm² bieten hohe Festigkeiten in Kombination mit ausreichender Zähigkeit und guter Schweißeignung. Für den Kran- und Anlagenbau werden dadurch höhere Beanspruchbarkeiten bei gleichzeitig geringerem Eigengewicht der Konstruktion ermöglicht. Durch den Einsatz höchstfester Feinkornbaustähle können die Traglast und damit auch die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion erhöht werden. Für die Ermüdungsbemessung kann die höhere statische Festigkeit nach derzeit gültigen Normen und Regelwerken nicht zum Ansatz gebracht werden. Insbesondere im Kranbau wird für die Ermüdung der Lastspielzahlbereich unter 50.000, aber dafür mit verhältnismäßig hohen einzelnen Beanspruchungen, maßgebend. Hier stellt sich die Frage, ob die höhere statische Festigkeit der höchst- und ultrahochfesten Stähle im Kurzzeitfestigkeitsbereich zum Tragen kommt und in wie weit diese angesetzt werden kann. Innerhalb dieser Arbeit wird das so genannte Low-Cycle-Fatigue-Verhalten moderner höchst- und ultrahochfester Feinkornbaustähle mit Nennfestigkeiten bis 1100 N/mm² im Schweißzustand untersucht und beschrieben. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Abgrenzung des elastischen zum vorwiegend plastischen Materialverhalten und die Grenzen der Anwendbarkeit der rein elastischen Bemessung. Am Ende werden Empfehlungen zur Bemessung auf Basis der Nennspannungs-, Strukturspannungs- und Kerbspannungsmethode ausgesprochen. Damit können Schweißdetails aus höchstfestem Stahl im Kurzzeitfestigkeitsbereich elastisch bemessen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine genauere Bemessung, die eine wirtschaftliche Anwendung höchstfester Feinkornbaustähle ermöglicht.

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Matthias Friedrich Albiez
Zur statischen Tragfähigkeit geklebter Kreishohlprofilverbindungen im Stahlbau
Dissertationsschrift
2016, 471 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

In der Arbeit wird eine leistungsfähige Klebverbindung für den Anschluss von Kreishohlprofilen im Stahlbau entwickelt. Insbesondere werden dabei die Randbedingungen und Anforderungen des Bauwesens berücksichtigt. Das Tragverhalten der geklebten Verbindung, die als Überlappungsstoß ausgeführt ist, wird anhand experimenteller und numerischer Untersuchungen unter Variation der geometrischen Parameter Überlappungslänge, Klebschichtdicke, Kreishohlprofilgeometrie sowie definiert eingebrachten Imperfektionen bestimmt und analysiert.

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Rolf Kindmann, Michael Stracke
Verbindungen im Stahl- und Verbundbau
Bauingenieur-Praxis
Jetzt nach Eurocode
2015, XII, 456 S., 337 SW-Abb., 86 Tabellen. 240 mm, Softcover
Ernst & Sohn

 

 

Zentrale Themen des Buches sind geschweißte und geschraubte Verbindungen im Stahl- und Verbundbau. Darüber hinaus werden auch andere Verbindungstechniken und Verbindungsmittel behandelt, wie z. B.: Kontakt, Kopfbolzendübel, Setzbolzen, Niete, Augenstäbe, Bolzen, Hammerschrauben, Zuganker, Dübel und Ankerschienen. Auf die Methoden und Vorgehensweisen zur Bemessung und konstruktiven Durchbildung von Verbindungen wird ausführlich eingegangen. Neben den allgemeingültigen Grundlagen werden die Regelungen der DIN 18800 und der Eurocodes behandelt und Erläuterungen zum Verständnis gegeben. Zahlreiche Konstruktions- und Berechnungsbeispiele auf Grundlage der Eurocodes zeigen die konkrete Anwendung und Durchführung der Tragsicherheitsnachweise.

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Eduard Kahlmeyer, Kerstin Hebestreit, Werner Vogt
Stahlbau nach EC 3
Bemessung und Konstruktion. Träger - Stützen - Verbindungen
7., Aufl.
2015, XII, 340 S., m. Abb. 24 cm, Buch
Reguvis Fachmedien

 

 

Das Standardwerk behandelt die Grundelemente des Stahlbaus - Träger, Stützen, Verbindungen - sowie der Bemessung und Konstruktion nach Eurocode 3, Teil 1-1 und 1-8. Die Berechnungsansätze werden anhand typischer Beanspruchungsfälle erläutert. Neben der Zusammenstellung von Trägerarten und -systemen stellt das Werk die Nachweise der Vollwandträger mit Einwirkungskombinationen, die Einstufung in Querschnittsklassen und die auszuwählenden Nachweisverfahren gegenüber den Grenzzuständen der Tragfähigkeit vor. Der Abschnitt Stützen führt in die Gestaltungsmöglichkeiten, die Nachweise und die allgemeinen Grundbegriffe des Knickens ein. Für biegeknickgefährdete Bauteile wird neben dem Ersatzstabverfahren ein Näherungsverfahren für Tragsicherheitsnachweise nach der Elastizitätstheorie II. Ordnung unter Berücksichtigung von Imperfektionen angegeben. Ein besonderer Schwerpunkt sind die Verbindungen. Neben den allgemeinen Ansätzen für die Nachweise der Schweiß- und Schraubenverbindungen inklusive biegesteifer Stirnplattenverbindungen werden zahlreiche Beispiele zur Konstruktion und Berechnung von Anschlüssen (u. a. Trägeranschlüsse, Trägerauflagerungen, Stützenfüße, Rahmenknoten, Rippenanschlüsse) behandelt.

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Fügetechnik Schweißtechnik
Lehrunterlage
8., Aufl.
2012, o. Ang. v. S., 30 cm, Softcover
DVS Media

 

 

Das Werk gibt einen umfassenden Überblick über die Grundlagen von Fügetechnik und Schweißtechnik und ist hervorragend einsetzbar sowohl für die Lehre als auch für das Selbststudium. Zum Inhalt: - Schweißtechnische Einführung; - Werkstoffe und deren Schweißverhalte; - Schweißverfahren und Geräte; Verwandte Verfahren; - Beschichten; - Thermisches Trennen; - Schweißtechnische Fertigung; - Konstruktion und Berechnung; - Anwendungs- und Ausführungsbeispiele; - Technologietransfer in der Schweißtechnik. Das Werk wurde komplett überarbeitet und aktualisiert.

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Forschungsberichte

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Jan Reimann, Jörg Hildebrand, Jean-Pierre Bergmann
3D-Weld - 3D gedruckte Knotenpunkte aus Stahllegierungen für bionische Tragstrukturen
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3208
2020, 169 S., 100 Abb. u. 18 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch solche Strukturen ist es nicht nur möglich individuelle Ästhetik in Bauwerke einfließen zu lassen oder ikonenhafte architektonische Meisterwerke zu kreieren, sondern auch beanspruchungsoptimierte bautechnische Lösungen in Anlehnung an die Natur (Bionik) zu generieren. Die Motivation eine leichte Knotenstruktur mit maximaler Tragfähigkeit herzustellen ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart. Die Untersuchung erfolgt sowohl an numerischen als auch an realen Modellen. Anhand der numerischen, parametrischen Modelle können eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle differierender Systemspezifikationen untersucht und hinsichtlich Tragfähigkeit der Knoten aus Stahl bewertet werden. Die Verifikation und Validierung der numerisch ermittelten Ergebnisse erfolgt über begleitende experimentelle Belastungstests an räumlichen Modellen. Anhand eines Demonstrators konnte gezeigt werden, dass die Abbildung des Herstellungsprozesses unter Verwendung von gewissen Vereinfachungen mittels Schweißstruktursimulation möglich ist. Die experimentell ermittelten Materialkennwerte für die Schweißzusatzwerkstoffe ermöglichen es, die Tragwerkknoten beanspruchungsgerecht zu dimensionieren. Mit Hilfe von Demonstratoren konnte die Herstellbarkeit topologieoptimierter Tragwerkknotens mittels WAAM gezeigt werden.

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C. Könke, J. P. Bergmann, M. Ganß, J. Hildebrand, M. Kuhne, S. Hammer, Y. Ali
Zustandsmonitoring von mit Kohlefaserlamellen verstärkten Stahlverbindungen unter Einsatz integrierter Fasersensorik. Intelligentes CFK-Pflaster. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3103
2018, 59 S., 40 Abb. u. 1 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ein neuer Ansatz zur Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen ist die klebetechnische Applikation von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). In die Klebverbindung integrierte sehr dünne faseroptische Sensoren können hier helfen neue Detailkenntnisse zu den Verbundeigenschaften insbesondere zu dem Klebfugenverhalten unter komplexen Umgebungsbedingungen und Belastungen zu erlangen. Die Untersuchungen an den Stahl-CFK-Klebverbindungen und CFK-verstärkten Bauteilen mit in der Klebfuge integrierten faseroptischen Sensoren verdeutlichen, dass während der mechanischen und thermisch-hygrischen Belastung der Stahl-CFK-Klebverbindungen sehr genau und ortsauflösend lokale Dehnungen sowie inhomogene Dehnungszustände in Sensorfaserrichtung in der Klebfuge ermittelt werden können. Mit der Fasersensorik können somit tatsächliche Dehnungszustände und eine Schädigung des Verbundes in Form einer Delamination ortsaufgelöst und in Echtzeit detektiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern somit einen neuen Ansatz für die Optimierung von strukturellen Klebverbindungen auf Basis einer Detailanalyse der Klebfugen.

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Ulrike Kuhlmann, Matthias Konrad
Sicherstellung ausreichender Tragfähigkeit von Kopfbolzendübeln bei Einsatz von Profilblechen
Bauforschung, Band T 3236
2010, 131 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ausgehend von einer Datenbasis mit ca. 300 Push-Out Tests konnte gezeigt werden, dass die normative Regelung in DIN 18800-5 zur Bestimmung der Kopfbolzentragfähigkeit in Trapezblechsicken (senkrecht zum Träger) zum Teil ungenügende Ergebnisse liefert. So berücksichtigt die Regel in DIN 18800-5 die Haupteinflussparameter Einbindetiefe, Profilblechgeometrie, Kopfbolzenposition nur unzureichend. Bestehende Modelle aus der Literatur versuchen unter Berücksichtigung dieser Parameter sowie der vorhandenen Versagensmechanismen die Kopfbolzentragfähigkeit bei Verwendung von Trapezblechprofilen zu bestimmen. Der Vergleich dieser Modelle mit den Versuchen der Datenbasis lieferte teilweise bessere Ergebnisse im Hinblick auf Genauigkeit und dem geforderten Sicherheitsniveau. Manche Modelle sind jedoch sehr komplex in ihrer Anwendung und für die Praxis nur bedingt geeignet. Auch musste festgestellt werden, dass die qualitativ guten Modelle teils sehr strikte Anwendungsgrenzen haben und somit einen kleinen Anwendungsbereich. Aus diesem Grund wird mit Hilfe einer FE-Parameterstudie ein eigener Vorschlag zur Bestimmung der Kopfbolzentragfähigkeit bei Verwendung von senkrecht zum Träger spannenden Trapezblechen gemacht. Im Vergleich zu den meisten Ansätzen und Modellen zeigte der eigene Ansatz eine bessere Übereinstimmung zwischen Versuch und rechnerischer Tragfähigkeit sowie einen ausreichend großen Anwendungsbereich.

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Peter Schaumann, Frithjof Marten
Experimentelle Ermittlung von Wöhlerlinien großer Schrauben. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3198
2009, 88 S., 87 Abb., 24 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Anlass: Schrauben der Größenordnung M48 in Ringflanschverbindungen von modernen Windenergieanlagen (WEA) erfahren Ermüdungsbeanspruchungen aus kombinierten Axial- und Biggespannungen bei über 10 hoch 9 Schwingspielen. Dem Nachweis gegen Ermüdung kommt daher eine große Bedeutung zu. Der im Hochbau für den Nachweis maßgebende EN 1993-1-9 ordnet Schrauben bei Beanspruchungen in Axialrichtung die Wöherllinie der Kerbgruppe 50 zu. Für Durchmesser größer M36 ist diese Wöhlerlinie allerdings nicht abgesichert. Für Schrauben unter reiner Biegebelastung existieren keine Ermüdungsfestigkeitskurven. Ziel: Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Erstellung von Wöhlerlinien für hochfeste Schrauben des Durchmessers M48 unter Axial-, und Biegebeanspruchungen zur Absicherung bzw. Erweiterung der vorhandenen Richtlinien. Arbeitsplan: 1. Vorversuchsreihe zur Kalibrierung der Messeinrichtung. 2. Schwingversuche im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich an hochfesten Schrauben M48 unter Axialbeanspruchung. 3. Schwingversuche Im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich an hochfesten Schrauben M48 unter Biegebeanspruchung. 4. Statistische Auswertung der Schwingversuche und Erstellung der Wöhlerlinien 5. Schlussbericht. Durchführung: Zur Bestimmung des Zeitfestigkeitsbereichs werden auf zwei Lasthorizonten Schwingversuche mit jeweils 10 Probekörpern durchgeführt. Der Übergangsbereich zur Dauerfestigkeit wird über Schwingversuche mit 30 Probekörpern bestimmt. Als Grundlage für die zu erwartenden Schwingspielzahlen werden für Axialbeanspruchung die Kerbgruppe 50 und für Biegebeanspruchung die Kerbgruppe 71 herangezogen. Die Erstellung der Wöhlerlinien erfolgt im Anschluss durch eine statistische Auswertung der Messergebnisse und liefert als Streubreite die 10-, 50- und 90-prozentige Bruchwahrscheinlichkeit p. Ergebnis: Ergebnis sind die Wöhlerlinien für Schrauben des Durchmessers M48 unter Axial- und Biegebeanspruchung.

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H. Saal, Th. Misiek
Trag- und Verformungsverhalten querkraftbeanspruchter dübelartiger Verbindungen im Stahlbau
Bauforschung, Band T 3163
2008, 214 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Verwendbarkeitsnachweis dübelartiger Verbindungselemente für Verbindungen an Hohlprofilen und anderen rückseitig schwer zugänglichen Konstruktionen ist durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung zu erbringen. Bei den genannten Verbindungselementen erfolgt die Fixierung durch Spreizung einer Hülse mittels eines im unzugänglichen Bereich der Verbindung liegenden Konus. Infolge der auf der unzugänglichen Seite fehlenden Auflage ergeben sich bei querkraftbeanspruchten dübelartigen Verbindungen unter Gebrauchslastniveau zwangsläufig größere Verformungen als bei Verbindungen mit rohen Schrauben oder gar Passschrauben. Andererseits führt die sich spreizende Hülse zu einer Verklemmung im Bohrloch, die die Verformungen behindert. Erneute Fragestellungen zum Trag- und Verformungsverhalten der o.g. Verbindungselemente haben sich insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung dieser Verbindungselemente bei der Kattwykbrücke in Hamburg ergeben. Bei den dort ausgeführten Anschlüssen traten große und von den Ausführenden nicht erwartete Verformungen auf, deren Einfluss auf die tatsächliche Tragfähigkeit der Anschlüsse unklar blieb. In Rahmen des Forschungsprojekts wurde das Trag- und Verformungsverhalten und somit auch die Gebrauchstauglichkeit dübelartiger Verbindungen im Stahlbau untersucht.

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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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Wald, Frantisek; Vild, Martin; Kurikova, Marta; Kabelac, Jaromir; Sekal, David; Maier, Nadine; Da Silva Seco, Laura; Couchaux, Maël
Component based finite element design of steel joints
Civil engineering design, 2020

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Albiez, Matthias; Kasper, Yann; Damm, Jannis; Boretzki, Jakob; Ummenhofer, Thomas
Kleben im Stahl- und Leichtbau - Eine Alternative für Neubau und Instandsetzung?
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2020

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Wald, Frantisek; Vild, Martin; Kurikova, Marta; Kabelac, Jaromir; Sekal, David; Maier, Nadine; Da Silva Seco, Laura; Couchaux, Mael
Finite-Element-Bemessung von Stahlverbindungen basierend auf der Komponentenmethode
Stahlbau, 2020

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Bärtschi, Roland; Fontana, Mario; Taras, Andreas; Tobler, Roman
Zum Mindestverdübelungsgrad von Verbundträgern
Stahlbau, 2020

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Wegener, Filip; Schwarz, Mathias; Glienke, Ralf; Marten, Frithjof; Seidel, Marc
Numerische Modellierung des Kraft-Verformungsverhaltens vorgespannter Schrauben in L-Flanschverbindungen
Stahlbau, 2020

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