Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Längstausgesteifte Beulfelder unter mehrachsiger Beanspruchung

Beim Taktschieben im Stahl- und Verbundbrückenbau treten biaxiale Spannungszustände im Steg-und Bodenblech auf, die für die Dimensionierung der Bauteile maßgebend sind. Signifikante Einflüsse auf das Beulverhalten in diesem Spannungszustand sind vor allem das Spannungsverhältnis σx/σz, Schlankheit, Imperfektionen, die Steifen- und Torsionsteifigkeit der Steifen und die Art der Lasteinleitung.

Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen folgende, aktuell offene wissenschaftliche Fragen geklärt werden:

• Knickstabähnliches Verhalten von ausgesteiften Platten unter Querdruck

• Nachweis der Längssteifen unter biaxialen Druckspannungen

• Wahl der geometrischen Ersatzimperfektion für Berechnung nach Theorie II. Ordnung

• Überschätzung der Tragfähigkeit der Beulfelder unter Querbelastungen nach DIN EN 1993-1-5 (10)

• Einfluss entstehender Imperfektionen bei verschiedenen Vorschubsystemen (Verschublager/Wippe)

• Einfluss der Torsionssteifigkeit von Längssteifen

Dazu sollen bei der Forschungsstelle 2 insgesamt 7 Versuche durchgeführt werden, bei denen jeweils einer der Parameter variiert. Zusätzlich stehen die Versuchsergebnisse der 6 im Rahmen des Forschungsprojektes „Thulba“ durchgeführten Beulversuche zur Verfügung. Anhand dieser letztendlich großen Datenmenge ist es möglich, die Ergebnisse auf beliebige Querschnitte durch ein an den Versuchen sorgfältig validiertes numerisches Model zu übertragen, welches bei der Forschungsstelle 1 entwickelt wird.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, verbesserte Entwurfs- und Bemessungsgrundlagen für die Beulen unter biaxialem Druck zu entwickeln. Dabei sollen die Nachweiskonzepte für eine sichere und wirtschaftliche Anwendung der Bemessungsregeln nach DIN EN 1993-1-5 weiterentwickelt und verbessert werden, um die Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Klarheit der Regeln in der Norm zu gewährleisten. Dies führt zu einer größeren Attraktivität der Bauweise von der vor allem KMU der Stahlbaubranche und Ingenieurbüros profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war es, verbesserte Entwurfs- und Bemessungsgrundlagen für längsausgesteifte Beulfelder unter kombinierter Beanspruchung durch mehraxiale Spannungszustände zu entwickeln.

Die Bemessung für Beulfelder mit DIN EN 1993-1-5 nach der Methode der reduzierten Spannungen wurde für den Fall der mehraxialen Spannungszustände an längsausgesteiften Beulfeldern überprüft. Die entdeckten Unstimmigkeiten bei mehraxialen Druckspannungen wurden numerisch systematisch untersucht. Durch die durchgeführten Versuche wurde die verfügbare Datenbasis um den Fall Druck-Druck-Interaktion erweitert und das numerische Modell validiert. Die sich aus diesen Untersuchungen ergebenden Erkenntnisse wurden zur Weiterentwicklung und Verbesserung der existierenden Nachweise verwendet.

Zusätzlich wurde untersucht, inwieweit die bisher angesetzten Imperfektionen realistisch bzw. überhaupt begründbar sind.

Die Ergebnisse zeigen, dass durch kleine Modifikationen an den bestehenden Regeln wie neue Interpolationsfunktionen zwischen plattenartigem und knickstabähnlichem Verhalten und der Wahl der Beulkurve nicht nur sichere, sondern vor allem durch die Berücksichtigung der Torsionsteifigkeit der Längssteifen auch wirtschaftlichere Nachweis geführt werden können. Insbesondere erspart die vorgeschlagene Nachweisführung den gesonderten Nachweis der Längs-steifen nach Theorie II. Ordnung unter Berücksichtigung der Abtriebskräfte aus Querlasten.

Durch die Bereitstellung zuverlässigerer Nachweise werden vor allem im Hinblick auf den gezielten Materialeinsatz Einsparpotenziale eröffnet sowie mögliche Unsicherheiten entdeckt und behoben, um ein einheitliches Sicherheitsniveau, wie es u. a. im Eurocode gefordert wird, zu gewährleisten. Gerade für die Interaktion Druck-Druck bei ausgesteiften Beulfeldern erlauben die neu entwickelten Nachweise eine wirtschaftlichere und sichere Bemessung, die für die Optimierung schlanker Stahlkonstruktionen des Brücken- und Hochbaus interessant ist.