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Zum Tragverhalten von geschweißten I-Trägern unter Berücksichtigung des Einflusses von Montagestößen
(2020)
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit sind Untersuchungen zur Vorhersage des Herstellungsprozesses bei der Fertigung von geschweißten Doppel-T-Trägern. Dabei wird der Zusammenbau der Einzelteile in der Werkstatt sowie das endgültige Fügen auf der Baustelle untersucht und dargestellt. Es wird insbesondere auf den Einfluss des Montagestoßes eingegangen, welcher unter verschiedenen Umgebungstemperaturen geschweißt wurde.
Den experimentellen Untersuchungen, welche jeweils praxisnah in der Werkstatt und in der Großklimakammer unter verschiedenen Umgebungstemperaturen von -10 °C bis 20 °C (Raumtemperatur) durchgeführt wurden, sind Simulationsergebnisse, analytische Berechnungen sowie ingenieurtechnische Ansätze des Schweißeinflusses gegenübergestellt.
Durch die Erfassung der Fertigung der Bauteile können geeignete Ingenieurmodelle zur Verfügung gestellt werden, um anschließend eine Traglastuntersuchung für den Stabilitätsfall durchzuführen.
Schließlich führen die Untersuchungen dazu, dass die fachgerecht geschweißten Baustellenstöße im betrachteten Temperaturbereich (bis -10 °C) für das Material und die Schweißeigenspannungen unbedenklich sind. Für die Erfassung eines solchen Stoßes wurde ein ingenieurmäßiger Ansatz ausgearbeitet, welcher die Schweißeinflüsse berücksichtigt. Die Auswirkungen des Montagestoßes wurden somit in einer nichtlinearen Traglastanalyse ausgewertet. Der Einfluss des Montagestoßes auf die Traglast lag unter 5% im ungünstigsten Fall.
Die vorliegende Thesis beschäftigt sich mit der Ermittlung des Beulwiderstands unversteifter sowie ringversteifter Kreiszylinderschalen unter Axialdruckbelastung. Der Fokus liegt dabei auf besonders dünnwandigen Schalen mit engem und weitem Ringsteifenabstand. Besonders dünnwandige Tanks mit Ringsteifen werden vor allem im landwirtschaftlichen Bereich eingesetzt. Typische Behälter sind aus rostfreiem Stahl gefertigt und erzielen eine hohe Wirtschaftlichkeit durch einen optimalen Materialeinsatz. Ringsteifen helfen den Widerstand gegenüber Wind und Unterdruck drastisch zu erhöhen. Untersuchungen in den 1960ern und 70ern zeigten, dass die Steifen auch den Axialbeulwiderstand erhöhen. Eine Neubewertung publizierter Experimente für besonders dünnwandige Kreiszylinderschalen wurde durchgeführt. Es zeigte sich, dass die aktuelle Norm in Teilbereichen zu sicher ist. Anhand von Traglastberechnungen wurden Beulparameter bestimmt, die eine wirtschaftlichere und dennoch sichere Bemessung dieser Strukturen zulassen. Die Ergebnisse der Parameterstudien an engringversteiften Kreiszylinderschalen bestätigten das, aus den publizierten Experimenten erwartete, hohe Tragfähigkeitsniveau. Bei kräftigen Ringsteifen spielt zunehmend die Plastizität des Materials eine maßgebende Rolle. Durch die Auswertung der modifizierten Kapazitätskurve konnten für verschiedene Steifenkonfigurationen die Beulkurvenparameter bestimmt werden. Anschließend wurde eine Interpolationsvorschrift ermittelt, mit der Beulwiderstände für alle möglichen Parameterkombinationen ermittelt werden können. Numerische Untersuchungen an beliebig ringversteiften Kreiszylinderschalen zeigten, dass die Tragfähigkeit ab einem Abstand von zwei Beulhalbwellen deutlich abnimmt. Durch die Auswertung der Traglastberechnungen mithilfe der modifizierten Kapazitätskurve und die Interpolation über den Steifenabstand konnten Beulkurvenparameter ermittelt werden. Diese ermöglichen die Bestimmung der Traglast in Abhängigkeit vom Steifenquerschnitt für beliebig ringversteifte Schalen. Vereinfachungen des Nachweisverfahrens wurden hergeleitet, die eine Traglastermittlung über die Bestimmung von nur zwei Referenzwiderständen ermöglichen. Mit den angegebenen Bemessungsgleichungen kann der praktizierende Ingenieur in guter Näherung der FEM-Ergebnisse Traglasten für axialdruckbelastete Kreiszylinderschalen mit beliebiger Ringsteifenkonfiguration ermitteln, ohne selbst numerische Simulationen erstellen zu müssen.
In der vorliegenden Arbeit werden das Stabilitätsverhalten und dessen Einfluss auf die Querschnitts- und Stabtragfähigkeit von Trägern mit profilierten Stegen umfassend untersucht. Die gewählten Parametergrenzwerte orientieren sich am derzeitigen Anwendungsbereich stegprofilierter Träger. Es werden ausschließlich sinus- und trapezförmige Profilierungen untersucht. Die Arbeit leistet einen Beitrag, dem Anwender das Tragverhalten unterschiedlicher Profilierungen aufzuzeigen und gleichzeitig abzugrenzen. Ein gezielter Einsatz der derzeit auf dem Stahlleichtbaumarkt existierenden Trapez- und Wellstegträger wird ermöglicht. Erhöhte Wettbewerbschancen sind eine Folge. Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen zum lokalen Stabilitätsverhalten des Stegbleches bei Querkraftbeanspruchung tragen zu einem besseren Verständnis über das Tragverhalten bei und erlauben eine Weiterentwicklung des mehrfach diskutierten Interaktionsmodells zur Querkrafttragfähigkeit. Umfangreiche Parameterstudien zeigen, dass die Profilierungsform (trapez- bzw. sinusförmig) sowie die Parameter Wellenamplitude und –länge die Tragmechanismen bestimmen. Die Interaktion des lokalen und globalen Beulens wird dabei mit einer Beulspannung für zonales Beulen beschrieben. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann die Tragfähigkeit stegprofilierter Träger besser formuliert werden. Die Abminderungskurven, welche das Nachbeulverhalten sowie Imperfektionen berücksichtigen, werden optimiert. Eine wesentliche Verbesserung der Plateaulängen ist für Träger mit profilierten Stegen gelungen. Des Weiteren wird der Einfluss der lokalen Instabilität des Gurtes biegebeanspruchter Träger untersucht. Im Speziellen werden dabei Einflussparameter des Plattenbeulens untersucht und gezeigt, dass Abweichungen angenommener Beulfeldabmessungen ungünstige Auswirkungen auf das beschriebene Tragverhalten haben. Im Ergebnis der Untersuchungen wird eine Optimierung der anzunehmenden Beulfeldabmessungen für Plattenbeulen vorgeschlagen. Abschließend ergänzen Untersuchungen zum globalen Stabilitätsverhalten der Wellstegträger die grundlegenden Untersuchungen zum Tragverhalten der Wellstegträger und ordnen diese in die bestehenden europäischen Knickspannungslinien ein.
Stabilität von diskret gestützten, axialbelasteten, dünnwandigen Kreiszylinderschalen aus Stahl
(2005)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Bemessungsmodells, um die Tragfähigkeit von lokal gestützten, axialbelasteten, kreiszylindrischen, dünnwandigen Stahlsilos mit Lasteinleitungssteifen über den Auflagerpunkten zuverlässig ermitteln zu können. Auf Grund der günstigen Lastabtragung durch die Membrantragwirkung werden Silokonstruktionen häufig aus dünnwandigen Blechen mit kreiszylindrischen Querschnitt hergestellt. Bei diskret gestützten Siloschalen kommt es im Lasteinleitungsbereich zu Spannungskonzentrationen, die das Stabilitätsverhalten der dünnwandigen Schale maßgeblich negativ beeinflussen. In den derzeit gültigen Normen (z. B. DIN 18800, Teil 4) gibt es keine Aussagen über die Bemessung von diskret gelagerten Siloschalen. Die aus den Versuchen an Modellschalen erhaltenen experimentellen Traglasten bilden die Grundlage für die Entwicklung eines numerischen Berechnungsmodells an dem Untersuchungen im erweiterten geometrischen Parameterbereich durchgeführt werden. Die ermittelten Versagenswiderstände bilden die Basis für das entwickelte ingenieurmäßige Bemessungsmodell.