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Zum Tragverhalten stählerner Stützen im Brandfall

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[Quelle: http://d-nb.info]

Stählerne Stützen erwärmen sich im Brandfall schnell. Im Zentrum der Betrachtungen zum Tragverhalten stehen in der Regel der Verlust an Festigkeit und Steifigkeit. Gleichzeitig wird auf Basis probabilistischer Überlegungen gegenüber dem Kaltfall eine Reduktion der äußeren Lasten zugelassen. Es sind aber auch Einwirkungen infolge thermischer Dehnungen zu berücksichtigen. Daraus resultierende Zwangskräfte in Stützen sowie deren Auswirkung auf angrenzende Tragwerkselemente können bedeutsame Beurteilungsgrößen bei der Einschätzung des Tragverhaltens im Brandfall sein. Veränderungen der Einwirkungen infolge thermischer Dehnungen werden jedoch nur selten betrachtet. Dies liegt unter anderem daran, dass hierzu nur wenige Untersuchungen vorliegen. In der Arbeit wird diese Problemstellung aufgegriffen. Als Grundlage für die Betrachtungen zum Tragverhalten von Stahlstützen im Brandfall wird einleitend der Stand des Wissens zum mechanischen und thermischen Werkstoffverhalten beschrieben: Die Spannungs-Dehnungsbeziehungen nehmen für erhöhte Temperaturen einen linear elastischen, nichtlinear plastischen Verlauf an. Bei Stahltemperaturen oberhalb von 400 Grad Celsius gewinnt zudem das Hochtemperaturkriechen an Bedeutung. Untersuchungen zum Tragverhalten doppelsymmetrischer H-Querschnitte zeigen mithilfe von Momenten-Krümmungsbeziehungen, dass der Einfluss von Eigenspannungen auch bei erhöhten Temperaturen gerade für Krümmungen um die z-Achse bedeutend ist und bei Bauteilberechnungen nicht vernachlässigt werden kann. Das Last-Verformungsverhalten von Stützen wird insbesondere bei erhöhten Temperaturen durch Steifigkeitsänderungen infolge der Ausbreitung von plastischen Zonen beeinflusst. In der Arbeit wird die Ausbreitung der plastischen Zonen mithilfe numerischer Berechnungsverfahren iterativ erfasst. Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen liefern hinreichende Übereinstimmungen mit experimentellen Versuchsergebnissen Dritter. Auf Grundlage der Berechnungsergebnisse wird ein Bemessungsverfahren vorgeschlagen, das die Tragfähigkeit von Stahlstützen mit einem doppelsymmetrischen H-Querschnitt unter Berücksichtigung der normativ geregelten Werkstoffgesetze sicher und genau abschätzen kann.

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Bücher, Broschüren

Torsten Held
Statische Berechnungsgrundlagen für die Bemessung von Stahlkonstruktionen
Akademische Schriftenreihe, Band V118480
Methodische Entwicklung von Tragfähigkeitstafeln für gedrückte Stahlstützen durch eine systematische Analyse und Anwendung der Normen Eurocode 3 und DIN 18.800. Diplomarbeit
2., Aufl.
2008, 432 S., 210 mm, Softcover
GRIN Verlag

 

 

Für eine Bemessung von Stahlkonstruktionen sind bereits ab 1996 die neueren Normen DIN 18.800 (11.90) und Eurocode 3, 04.93 (EC 3) heranzuziehen. Der wesentliche Unterschied zwischen den alten und den neueren Normen liegt darin, dass die Verwendung eines pauschalen Sicherheitsfaktors durch mehrere Teilsicherheitsfaktoren abgelöst wurde. Vor diesem Hintergrund besteht einerseits Unklarheit über die qualitativen und quantitativen Differenzen zwischen alten und neueren Normen und andererseits wird der Rechenaufwand erheblich erhöht. Folglich gewinnen entsprechende Vergleichsrechnungen und Rechenhilfsmittel zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen der Arbeit werden Tragfähigkeitstafeln für mittig und außermittig gedrückte Stahlstützen nach Eurocode 3 sowie DIN 18.800 auf Basis einer analytischen Anwendung beider Normen methodisch entwickelt. Hierdurch wird ein direkter Vergleich der beiden Normenwerke bezüglich des Knickens ermöglicht. Die Erarbeitung erfolgt in vier Vorgehensstufen: 1. Erfassung der Problematik durch systematische Untersuchung beider Normen Eurocode 3 und DIN 18.800 bezüglich mittig und außermittig gedrückter Stahlstützen; 2. Umsetzung der Problematik in eine Tabellenkalkulation; 3. Entwicklung anwendungsorientierter Tragfähigkeitstafeln; 4. Evaluation der Anwendung durch ausgewählte Berechnungsbeispiele. Aufgrund der vollumfänglichen und transparenten Darstellung der Herleitungsweise ist die Methodik ebenso auf neuere Normen entsprechend anwendbar.

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Forschungsberichte

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Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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C.-A. Graubner, Tilo Proske, Carsten Bröse, Jochen Zeier
Entwicklung thermisch entkoppelter Druckanschlüsse für Stahlbetonstützen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3011
2017, 248 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Zuge der steten Verschärfung der Energie-Einspar-Verordnung ist bei Neubauten eine weitere Verbesserung der Gebäudehülle im Hinblick auf den Wärmedurchgang erforderlich. Um dies zu erreichen, müssen die wärmedämmenden Eigenschaften der Einzelbauteile verbessert werden. Dies führt zu einem zunehmend größeren Einfluss der Wärmebrücken auf den Gesamtwärmeverlust des Gebäudes. Eine Vermeidung oder Reduzierung dieser Wärmebrücken kann erheblich dazu beitragen, eine Erhöhung der Gebäudequalität zu erreichen und somit den künftigen Anforderungen an energieeffizientes Bauen gerecht zu werden. Darüber hinaus stellen höhere Oberflächentemperaturen ein behaglicheres Raumklima sowie den Schutz der Bausubstanz und der Bewohner sicher.

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G. Hanswille, R. Bergmann
Ermittlung geometrischer Ersatzimperfektionen für Verbundstützen mit hochfesten Stählen
Bauforschung, Band T 2970
2002, 110 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit Erarbeitung der neuen deutschen Verbundbaunorm EDIN18800 Teil 5 (1999) wurde gegenüber DIN 18806:1984 und DINV ENV1994-1-1 ein modifiziertes Bemessungskonzept für Verbundstützen auf der Grundlage der Elastizitätsthorie II. Ordnung eingeführt. Dieses Bemessungsverfahren ist zwischenzeitlich auch in den Entwurf der EN-Fassung des Eurocode 4-1-1 aufgenommen worden, da es im Vergleich zu dem in DIN 18806 enthaltenen Bemessungsverfahren auf der Grundlage des Ersatzstabverfahrens insbesondere bei seitlich verschieblichen Rahmentragwerken Vorteile bietet. Im neuen Bemessungsverfahren wird der Imperfektionseinfluss nicht mehr indirekt über das Querschnittsinteraktionsdiagramm erfasst, sondern direkt in Abhängigkeit vom Querschnittstyp und der entsprechenden Versagensachse durch geometrische Ersatzimperfektionen erfasst. Für Verbundstützen mit Profilen der Stahlgüten S235 und S355 wurden die geometrischen Ersatzimperfektionen, die den Einfluss der geometrischen und strukturellen Imperfektionen abdecken, in mehreren Forschungsvorhaben ermittelt. Bei hochfesten Stählen ist der Frage nachzugehen, ob die den vereinfachten Bemessungsverfahren zugrundliegende vollplastische Querschnittsinteraktionskurve weiterhin verwendet werden kann, da sich bei Stützen aus hochfesten Stählen relativ große Bereiche im Stahlquerschnitt ergeben, die nicht plastizieren. Mit der nun vorliegenden Untersuchung ist es möglich, Verbundstützenquerschnitte mit hochfestem Stahl in Bezug auf ihre Einordnung in die Knickspannungskurven und in Hinblick auf den Nachweis unter kombinierter Normalkraft- und Momentenbeanspruchung zu beurteilen. Im Vergleich zu Verbundstützen mit Stahlprofilen aus S235 und S355 ist bei der Einstufung in die Knickspannungskurven und bei der Festlegung der geometrischen Ersatzimperfektionen keine Änderung erforderlich. Beim Nachweis für Druck und Biegung muss jedoch der Reduktionsfaktor bei hochfesten Stählen von 0,9 auf 0,8 reduziert werden.

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Joachim Lindner, R. Vieto
Stützen mit Kontaktstößen. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2656
1993, 170 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Übertragung von Druckkräften durch Kontakt ist im Stahlhochbau üblich und bewährt. Kontaktstöße werden dabei überwiegend bei langen Sützen ausgeführt. Da ein Teil der Druckkraft direkt durch Kontakt übertragen werden kann, ist der Umfang der Schweißarbeiten erheblich geringer, als wenn der Kontakt nicht ausgenutzt wird. Andererseits ist mit Kontaktstößen aber ein größerer Aufwand bezüglich der Genauigkeit bei der Fertigung verbunden, wenn die Kontaktflächen besonders bearbeitet werden. In der Praxis werden jedoch vielfach auch Kontaktflächen ohne besondere Bearbeitung verwendet, weshalb diese den hier durchgeführten Untersuchungen zugrunde liegen. Bei 4 Versuchen wurde zusätzlich ein kleines Endbiegemoment aufgebracht. Bis auf 2 Stützen hatten alle Stützen einen Kontaktstoß in Feldmitte oder im Viertelspunkt. Die Kontaktflächen waren dabei nicht speziell bearbeitet. Da die Tragfähigkeit der auf Kontakt gestoßenen Stützen sehr stark von dem am Stoß auftretenden Knickwinkel beeinflußt wird, wurden umfangreiche Messungen zur Ermittlung dieser Knickwinkel durchgeführt. Weiterhin wurden näherungsweise Traglastberechnungen durchgeführt, die unter Berücksichtigung der vorhandenen Meß- und Einbaugenauigkeiten die Versuchsergebnisse befriedigend bestätigten.

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Rohraufweitungs-Lastdosierer
Bauforschung, Band T 2306
1991, 72 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Lastdosierer sind Konstruktionselemente, welche die auf sie einwirkende Druckkraft auf die sogenannte Ansprechlast begrenzen, indem sie sich unter dieser Last verkürzen. Eingebaut in Traggliedern, z.B. knickgefährdeten Druckstäben, sollen Lastdosierer diesen Duktilität verleihen und Traggliedern vor Erreichen der Traglast dadurch schützen, daß eine Umlagerung der Lasten und Schnittgrößen innerhalb des Tragwerkes stattfindet. Lastdosierer sollen diese gefahrlose "Lastumlagerung" ermöglichen. Ziele des Forschungsvorhabens sind: - Ansprechlast des Lastdosierers anzuheben, - Grenzzustände der Funktionstauglichkeit zu definieren, - geometrische und Werkstoffparameter und deren Einflüsse auf Ansprechlasten zu charakterisieren, - Abschätzformel für die Ansprechlasten aus Versuchsergebnissen abzuleiten und - Beurteilung und Empfehlung der Geometrie und Werkstoffe für die Konstruktion und Bemessung der Lastdosierer auszuarbeiten. Es wurden 59 Versuche im Forschungsvorhaben ausgeführt. Die Versuchskörper wurden aus Rundstählen unterschiedlicher Werkstoffe durch Drehen hergestellt. Die Lastdosierer wurden in einem Lastbereich von 200 kN bis 1400 kN mit verschieden geometrischen Parametern untersucht. Ein Rechenmodell zur Abschätzung der Ansprechlasten von Lastdosierern konnte aus den Versuchsergebnissen abgeleitet werden. Zur Gewährleistung der Funktionstauglichkeit wurden Empfehlungen und Beurteilungen für Geometrie und Werkstoffe ausgearbeitet. (-y-)

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Johannes Vielhaber, Günther Plauk
Grenztragfähigkeit großer Verbundprofilstützen. Abschlußbericht
Bau- und Wohnforschung
1989, 81 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die im wesentlichen auf Rechenmodellen beruhenden Bemessungsvorschläge des EC4 bzw. der DIN 18 806 Teil 1 für Stahl/Beton-Verbundprofilstützen mit ausbetonierten Kammern wurden experimentell überprüft. Der Bericht gibt die Versuchsergebnisse von 4 in der neuen 25 MN-Großprüfmaschine der BAM geprüften Stützen wieder, die exzentrisch auf Druck beansprucht wurden. Es kann festgestellt werden, daß in allen Fällen die Angaben der Normen das Bruchverhalten zutreffend erfassen. Auch eine Berechnung solcher Stützen als ganz normale Stahlbetonelemente nach DIN 1045 liefert zutreffende Ergebnisse. Wichtig ist jedoch eine gute konstruktive Durchbildung der Lasteinleitungsbereiche. Insbesondere ein Anschweißen der Längsbewehrung an die Kopf-/Fußplatten kann eine deutliche Schwächung - d.h. Traglastreduzierung - an diesen Stellen hervorrufen. (-y-)

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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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Lignos, Dimitrios G.; Hartloper, Alexander R.
Steel column stability and implications in the seismic assessment of steel structures according to Eurocode 8 Part 3
Stahlbau, 2020

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Meyn, Wilhelm; Prietz, Frank; Klein, Johannes
Bemessung von Stützen im Brandfall. Teil 2: Stahlstützen
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2020

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Hahn, Andreas; Mensinger, Martin; Rutner, Marcus
Die Auswirkungen von Diffraktion und Multi-Reflexion auf zylindrische Stützen
Stahlbau, 2020

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Transparenz und Sicherheit für Besucher des Eiffelturms (kostenlos)
Stahlbau heute, 2019

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Avgerinou, Stella; Lignos, Xenophon; Tsarpalis, Dimitris; Vayas, Ioannis
Full?scale tests on used steel storage racks
Steel Construction, 2019

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