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Statistical size effect in steel structure and corresponding influence on structural reliability

Statistischer Maßstabseffekt im Stahlbau und korrespondierender Einfluss auf die Zuverlässigkeit

  • This thesis aims to investigate the statistical size effect in the elasto-plastic material and the corresponding reliability of steel structures. The core idea is that the stochastic material properties are directly embedded in mechanical calculations to develop a more accurate and economical design method for steel structure. Moreover, the results of the experimental investigation with different specimen sizes, whose diameter is limit up to 32 mm, show that the statistical size effect exists in steel structures. This thesis demonstrates finally that the structural reliability is affected by the statistical size effect and the structural safety can be optimized by considering this effect. Because of the uncertainty and non-uniformity of the microscopic imperfection distribution, the material strength in macroscale presents complex randomness. This study described the randomness of material properties through two different ways: developing a stochastic material model for elasto-plastic material and establishing a discrete random fieldThis thesis aims to investigate the statistical size effect in the elasto-plastic material and the corresponding reliability of steel structures. The core idea is that the stochastic material properties are directly embedded in mechanical calculations to develop a more accurate and economical design method for steel structure. Moreover, the results of the experimental investigation with different specimen sizes, whose diameter is limit up to 32 mm, show that the statistical size effect exists in steel structures. This thesis demonstrates finally that the structural reliability is affected by the statistical size effect and the structural safety can be optimized by considering this effect. Because of the uncertainty and non-uniformity of the microscopic imperfection distribution, the material strength in macroscale presents complex randomness. This study described the randomness of material properties through two different ways: developing a stochastic material model for elasto-plastic material and establishing a discrete random field with a general mathematical program. The proposed stochastic material model is extended to analyze the steel structure with multiaxial stress and is integrated into the commercial FEM software for analysis of the complex structures with stress gradient. The stochastic finite element method is implemented to analyze the response of the 3D structures by a general-purpose FEM program when the random field file is imported into the finite element model. The uniaxial tensile tests with different specimen sizes and different material are carried out to demonstrate the statistical size effect in steel structures. The results show that the variations of the yield and tensile strength increase with the decreasing specimen volume. Moreover, according to the bending tests, it is obvious that the structural component strength is not only related to the specimen volume, but also the stress distribution. These two proposed simulation methods, which are an extension and supplement to traditional simulation methods, can effectively simulate the statistical size effect for the tensile and flexural components in steel structures. Finally, it is found by studying the influence of statistical size effect on structural reliability that the strength, which is obtained by small specimens through statistical analysis in the laboratory, is no more accurately applicable to large construction. The reliability theory for the structural safety which exists over the decades can be compared and validated or improved through the embedding the stochastic material properties in the numerical simulation.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, den Einfluss des statistischen Maßstabseffekts auf die elasto-plastischen Werkstoffeigenschaften und die entsprechende Zuverlässigkeit im Stahlbau zu quantifizieren. Die stochastischen Materialeigenschaften werden direkt in die numerischen Berechnungen implementiert, um eine präzisere und wirtschaftlichere Methodik für die Bemessung von Stahlkonstruktionen zu entwickeln. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen mit verschiedenen Probengrößen (max. Durchmesser bis zu 32 mm), dass der statistische Maßstabseffekt in Stählen existiert. Mittels numerischer Simulationen wird gezeigt, dass die Zuverlässigkeit der Bauteile durch den statistischen Maßstabseffekt beeinflusst wird und dass die strukturelle Sicherheit unter Berücksichtigung dieses Effekts optimiert werden kann. Aufgrund der vorhandenen mikroskopischen Imperfektionen und der Unsicherheiten über deren Verteilung zeigen die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs Zufälligkeiten. Diese Arbeit beschreibt dieDas Ziel dieser Arbeit besteht darin, den Einfluss des statistischen Maßstabseffekts auf die elasto-plastischen Werkstoffeigenschaften und die entsprechende Zuverlässigkeit im Stahlbau zu quantifizieren. Die stochastischen Materialeigenschaften werden direkt in die numerischen Berechnungen implementiert, um eine präzisere und wirtschaftlichere Methodik für die Bemessung von Stahlkonstruktionen zu entwickeln. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen mit verschiedenen Probengrößen (max. Durchmesser bis zu 32 mm), dass der statistische Maßstabseffekt in Stählen existiert. Mittels numerischer Simulationen wird gezeigt, dass die Zuverlässigkeit der Bauteile durch den statistischen Maßstabseffekt beeinflusst wird und dass die strukturelle Sicherheit unter Berücksichtigung dieses Effekts optimiert werden kann. Aufgrund der vorhandenen mikroskopischen Imperfektionen und der Unsicherheiten über deren Verteilung zeigen die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs Zufälligkeiten. Diese Arbeit beschreibt die Zufälligkeit des Werkstoffs auf zwei verschiedene Wege: die Erste ist die Entwicklung eines stochastischen Materialmodells mit elasto-plastischen Materialeigenschaften. Die zweite Möglichkeit ist der Aufbau eines diskreten Zufallsfeldes mit einem allgemeinen mathematischen Programm. Das vorgeschlagene stochastische Materialmodell wird erweitert, um die Stahlkonstruktion unter multiaxialer Beanspruchung zu analysieren. Es wird in die kommerzielle FEM-Software integriert, um komplexe Bauwerke mit Spannungsgradienten zu analysieren. Die stochastische Finite-Elemente-Methode wird implementiert, um die Antworten der 3D-Konstruktion durch ein allgemeines FEM-Programm zu analysieren, nachdem die Zufallsfelddatei in das Finite-Elemente-Modell importiert wurde. Um den statistischen Maßstabseffekt im Stahlbau zu demonstrieren, werden die uniaxialen Zugversuche mit unterschiedlichen Probengrößen und verschiedenen Werkstoffen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Streuungen der Streckgrenze und die Zugfestigkeit mit zunehmendem Probenvolumen abnehmen. Darüber hinaus hängt die Festigkeit des Bauteils nicht nur vom Probenvolumen gemäß den Biegetests, sondern auch von der Spannungsverteilung ab. Sowohl die analytische Methode als auch die vorgeschlagene Simulationsmethode, die eine Erweiterung und Ergänzung zu traditionellen Simulationsverfahren sind, können den statistischen Maßstabseffekt für die Zug- und Biegekomponenten in Stahlkonstruktionen erfassen. Die Untersuchungen des Einflusses des statistischen Maßstabseffektes auf die strukturelle Zuverlässigkeit ergaben, dass die Festigkeiten, die an kleinen Proben durch statistische Analysen im Labor ermittelt werden, für größere Bauteile nicht mehr exakt zutreffen. Daher kann die Zuverlässigkeitstheorie für die strukturelle Sicherheit mit der Simulation verglichen und validiert oder verbessert werden, indem die stochastischen Materialeigenschaften in das Simulationsmodell eingebettet werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Zheng Li
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45557
ISSN:1611-5023
Series (Serial Number):Schriftenreihe Stahlbau (13)
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Pasternak
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of final exam:2018/07/17
Release Date:2018/08/07
Tag:Stahlbau; Statistischer Maßstabseffekt; Stochastische Finite-Elemente-Methode; Stochastisches Materialmodell; Strukturelle Zuverlässigkeit
Statistical size effect; Steel structure; Stochastic finite element method; Stochastic material model; Structural reliability
GND Keyword:Stahlbau; Finite-Elemente-Methode; Stochastik; Stoffeigenschaft; Zuverlässigkeit
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Stahl- und Holzbau
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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