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Sichtung und Aufbereitung der Kenntnisse zur Schalenstabilität für die Teile 3 und 4 des Eurocode 3. Schlußbericht

Bauforschung, Band T 2753
Herbert Schmidt
1997, 30 S.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

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).

Inhaltsverzeichnis

1 General
1.1 Scope
1.2 Distinction between principles and application mies
1.3 Assumptions
1.4 Definitions
1.4.1 Structural forms
1.4.2 Limit state terminology
1.4.3 Actions
1.5 SI Units
1.6 Symbols
2 Basic design requirements
2.1 Design values of geometrical data
2.2 Geometrical tolerances and geometrical imperfections
2.3 Shell boundary conditions
2.4 Material properties
3 Basis of the ultimate limit state design of steel shells
3.1 Fundamental requirements
3.2 Ultimate limit states to be considered
3.2.1 LS1: Plastic collapse or tensile rupture
3.2.2 LS2: Cyclic plastification
3.2.3 LS3: Buckling
3.2.4 LS4: Fatigue
3.3 Design concepts for the limit state design of shells
3.3.1 General
3.3.2 Stress design
3.3.2.1 General
3.3.2.2 Primary stresses
3.3.2.3 Secondary stresses
3.3.2.4 Local stresses
3.3.3 Direct design
3.3.4 Design by global analysis: Finite element analysis
4 Stress resultants and stresses in shells
4.1 Stress resultants in the shell
4.2 Modelling of the shell for the analysis
4.2.1 Geometry
4.2.2 Boundary conditions
4.2.3 Actions and environmental influences
4.2.4 Stress resultants and stresses
4.3 Types of analysis
4.3.1 Membrane theory
4.3.2 Linear shell analysis (LA)
4.3.3 Geometrically nonlinear elastic analysis (GNA)
4.3.4 Materially nonlinear analysis (MNA)
4.3.5 Geometrically and materially nonlinear elastic analysis (GMNA)
4.3.6 Geometrically nonlinear elastic analysis with imperfections included (GNIA)
4.3.7 Geometrically and materially nonlinear analysis with imperfections included (GMNIA)
5 Plastic collapse or tensile rupture limit state (LS1)
5.1 Design values of action
5.2 Stress design
5.2.1 Design values of stresses
5.2.2 Design values of resistance
5.2.3 Stress limitation
5.3 Direct design
5.4 Design by global MNA or GMNA analysis
6 Cyclic plasticity limit state (LS2)
6.1 Design values of action
6.2 Stress design
6.2.1 Design values of stress range
6.2.2 Design values of resistance
6.2.3 Stress range limitation
6.3 Direct design
6.4 Design by global MNA or GMNA analysis
6.4.1 Design values of plastic strain range
6.4.2 Plastic strain range limitation
7 Buckling limit state (LS3)
7.1 Design values of actions
7.2 Special definitions and symbols
7.2.1 Definitions
7.2.2 Symbols
7.3 Buckling-relevant geometrical tolerances
7.4 Stress design
7.4.1 Design values of stresses
7.4.2 Design values of resistance (buckling strength)
7.4.3 Stress limitation (buckling strength verification)
7.5 Direct design
7.6 Design by global LA or GNA analysis
7.6.1 Design value of action
7.6.2 Design value of resistance
7.6.3 Buckling strength verification
7.7 Design by global GMNA analysis
7.7.1 Design value of action
7.7.2 Design value of resistance
7.7.3 Buckling strength verification
7.8 Design by global GNTA or GMNIA analysis
7.8.1 Design value of action
7.8.2 Design value of resistance
7.8.3 Buckling strength verification
8 Fatigue limit state (LS4)
8.1 Design values of actions
8.2 Stress design
8.2.1 General
8.2.2 Design values of stress range
8.2.3 Design values of resistance (fatigue strength)
8.2.4 Stress range limitation
8.3 Design by global LA or GNA analysis

Publikationslisten zum Thema:
Stahlbau, Schale, Stabilität, Beulen, Stahlkonstruktion, Schornstein, Silo, Pipeline, Behälter, Regelwerk, Normung, Stahlbauteil, Eurocode 3, Schalenbeulen,

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Forschungsberichte

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U. Schulz, T. Ummenhofer
Spannungs- und Stabilitätsverhalten von punktförmig gestützten Schalentragwerken. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2947
2001, 219 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

Es wird auf die komplexe Problematik punktgestützter Zylinderschalen eingegangen und zunächst über umfangreiche experimentelle Untersuchungen berichtet. Bei der dabei verwendeten neuartigen Versuchstechnik wurden zur Erzielung einer zwängungsfreien Lagerung und zur Vermeidung von Aufstandsimperfektionen die endringversteiften Schalen am kontinuierlich belasteten Rand auf einen wassergefüllten Hochdruckschlauch aufgelegt und zwecks statischer Eindeutigkeit an drei äquidistanten Stellen des freien Randes belastet. Neben der Ermittlung eindeutiger Versuchsdaten war es weiterhin das Ziel, das von Knoedel und Ummenhofer vorgeschlagene Lastausbreitungswinkel-Verfahren zu verifizieren. Es galt, realistische Angaben über den Ort der einfallenden Beulen, die fiktiven Lastausbreitungswinkel und die Beulspannung in Abhängigkeit von Schalenschlankheit, Eindringsteifigkeit und Lasteinleibungsbreite zu machen. Mit Kenntnis dieser Daten und einem experimentell gefundenen Korrekturfaktor ist es möglich, den Stabilitätsnachweis der punktgestützten Schale unter Heranziehung des in DIN 18800-4 beschriebenen Nachweisverfahrens zu führen.

Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht

Herbert Schmidt, Kirsi T. Hautala
Beulsicherheit schalenartiger Stahlkonstruktionen aus austenitischen Stählen bei erhöhten Temperaturen am Beispiel axial gedrückter Kreiszylinderschalen. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2929
2000, 106 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

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

Herbert Schmidt
Sichtung und Aufbereitung der Kenntnisse zur Schalenstabilität für die Teile 3 und 4 des Eurocode 3. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2753
1997, 30 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

Ringversteifte kreiszylindrische Tankbehälter im leeren Zustand unter Windbelastung - Versuche zur Bestätigung der neuen Bemessungsrichtlinien im Entwurf DASt-Richtlinie 017. Schlußbericht

I. Düsing
Ringversteifte kreiszylindrische Tankbehälter im leeren Zustand unter Windbelastung - Versuche zur Bestätigung der neuen Bemessungsrichtlinien im Entwurf DASt-Richtlinie 017. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2664
1995, 48 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

Der Beulnachweis eines leeren Tankbehälters unter Windbelastung wird üblicherweise mit einem auf der sicheren Seite angesetzten konstanten Außendruck geführt. Ist der Behälter ringversteift - wie dies heute aus Wirtschaftlichkeitsgründen häufig der Fall ist -, so fehlt für den Nachweis gegen globales Beulen bisher ein einfaches Konzept. Deshalb wurden die in der britischen Norm BS 5500 und in den ECCS-Recommendations "Buckling of steel shells" vorhandenen Regeln für ringversteifte Kreiszylinderschalen unter Außendruck von der Arbeitsgruppe Schalenbeulen im Deutschen Ausschuß für Stahlbau (DASt) für den Entwurf der DASt-Richtlinie 017 so modifiziert, daß sie - im Gegensatz zu den beiden genannten Quellen-Regelwerken - auch für globale Umfangsbeulwellenzahlen m größer 6 (wie bei Tankbehältern relevant) verwendet werden können. Die Erweiterung beruhte zunächst auf Plausibilitätsüberlegungen. Mit den im Bericht beschriebenen drei Beultraglastversuchen wurden diese Überlegungen stichprobenhaft überprüft und damit die vorgenannten Regeln als sicher bestätigt. Der Vergleich der im Modell erreichten Beultragdrücke mit den vom rechnerischen Konzept nach DASt-017 vorhergesagten "realen" Beuldrücken zeigt, daß letzteres auch für m größer 6 sichere Behälterkonstruktionen liefert.

P. Swadlo
Zusammengesetzte Rotationsschalen im Stahlbau, Behälterbau und Anlagenbau aus der Sicht der Stabilitätsbemessung. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2665
1995, 12 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

Für randgelagerte, einzelne Kreiszylinder- oder Kegelschalen gibt es mit DIN 18800 Teil 4 und den ECCS-Recommendations "Buckling of steel shells" moderne Regelwerke, um den Beulsicherheitsnachweis sicher und wirtschaftlich zu führen. Es werden aber insbesondere im Behälter- und Anlagenbau eine Vielzahl schalenartiger Stahlkonstruktionen gebaut, die aus einzelnen kreiszylindrischen und konischen Schalenabschnitten zusammengesetzt sind. Für derartige zusammengesetzte Rotationsschalen weist man in Ermangelung detaillierter Kenntnisse in der Regel die Beulsicherheit durch ingenieurmäßige, auf der sicheren Seite liegende Abschätzungen nach. Das Ergebnis sind oft Konstruktionen, die unnötig unwirtschaftlich sind. Es besteht aber auch die Gefahr, daß die vermeintlich sicheren Abschätzungen das komplexe Tragverhalten beulgefährdeter Schalen falsch einschätzen, so daß unsichere Konstruktionen die Folge sind. Hier besteht offenbar Forschungsbedarf, für den die hier beschriebene Studie die Grundlage liefert.

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Zeitschriftenartikel

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Blandini, Lucio; Nieri, Guido; Sobek, Werner
Das Schalentragwerk des Kuwait International Airport Terminal 2 - Bemessung und Ausführung einer komplexen Megastruktur in Zeiten der Digitalisierung
Stahlbau, 2019

Brensing, Christian
Konstruktives Neuland. Fußgängerbrücke, Ditzingen (kostenlos)
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Leopold, Carl
Beton erziehen. Neue Bahnhofshalle von Arnhem
Opus C, 2018

Rotter, J. Michael
Shell buckling transformed: Mechanics, design processes and their inter-relation
Stahlbau, 2017

Auger, Gabriel; Bollinger, Klaus; Grohmann, Manfred; De Rycke, Klaas; Weilandt, Agnes
Die Dachkonstruktion des Aquamotion in Courchevel, Frankreich
Stahlbau, 2016

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