Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Biegedrillknicken als Knicken des Druckgurtes - konsistenter Nachweis für geschweißte Träger im Kalt- und Warmzustand

Thematik

Knicken des Druckgurtes stellt ein anschauliches und für die Anwendung einfaches Modell für Biegedrillknicken dar. Trotz Weiterentwicklungen des gewöhnlichen Nachweises wird das Modell, insb. für geschweißte Querschnitte des Brücken- und Hochbaus, weiterhin häufig angewendet.

Bei Brücken mit dicken Flanschen führen alte Annahmen für Eigenspannungen zu einer Überschätzung ihres traglastmindernden Einflusses. Für den Hochbau hingegen bestehen Bedenken, dass der Nachweis stets zu konservativen Bemessungsresultaten führt. Für den Brandfall existiert zzt. kein entsprechendes Verfahren.

Zielsetzung

Das Vorhaben beabsichtigt ein konsistentes Nachweiskonzept für den Brücken- und Hochbau sowie die Bemessung bei Normaltemperatur und im Brandfall zu entwickeln. Das Verfahren des Druckgurtknickens soll auf der Basis von Eigenspannungsmessungen im Bereich normaler Temperaturen weiterentwickelt werden. Für die Brandbemessung sollen die Grundlagen für die Verwendung des Modells erarbeitet werden.

Methodik

Mit modernen Messungen an geschweißten I-Querschnitten aus normal- und hochfestem Stahl wird die Datenbasis für bei der Herstellung eingebrachte Eigenspannungen erweitert. Die Ergebnisse werden in ein numerisches Modell implementiert, welches für Parameterstudien verwendet wird.

Auf der Grundlage des bestehenden Nachweises gegen Knicken des Druckgurtes wird (1) das Modell für die Anwendung verifiziert und (2) für geschweißte Querschnitte wirtschaftlichere Differenzierungen entwickelt. Zusätzlich wird (3) der Brandfall untersucht.

Bedeutung/Nutzen

Das Projekt leistet einen Beitrag zu konsistenten Modellen für die Bemessung stabilitätsgefährdeter Bauteile. Der Ingenieurpraxis wird ein einfach anwendbares und zugleich wirtschaftliches Nachweisverfahren für Biegedrillknicken zur Verfügung stehen. Dieses wird es insb. KMU ohne reichhaltige Erfahrung in der Durchführung aufwändiger Berechnungen ermöglichen ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit bei der Bemessung zu steigern.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben „Biegedrillknicken als Knicken des Druckgurtes — konsistenter Nachweis für geschweißte Träger im Kalt- und Warmzustand" wurde das Modell des knickenden Druckgurtes mit Hilfe systematischer experimenteller und theoretischer Untersuchungen bewertet und weiterentwickelt. Experimentelle Untersuchungen wurden an insgesamt 15 einfach- und doppelsymmetrischen geschweißten I-Querschnitten der Stahlgüten S355J2 und S460M durchgeführt. Mit der Zerlegemethode wurden Eigenspannungen der Versuchskörper erfolgreich bestimmt. Weiterhin wurde die neuartige Methode der Röntgenographie als Eignung zur Messung von für den Stahlhochbau relevanten Eigenspannungen untersucht und grundlegende Verfahrenstechniken erarbeitet. An acht der 15 Versuchskörpern wurden Traglastversuche zur Untersuchung des Biegedrillknickverhaltens durchgeführt. Abschließend wurden die ermittelten Daten der Versuche verwendet, um ein numerisches Modell zu entwickeln und zu validieren.

Auf Grundlage von numerischen und analytischen Untersuchungen wurde das Modell des knickenden Druckgurtes weiterentwickelt. Bei dem weiterentwickelten Modell des knickenden Druckgurtes handelt es sich um ein konsistentes Nachweisverfahren des Biegedrillknickwiderstandes sowohl für den Hoch- als auch für den Brückenbau. Das Verfahren ist einheitlich konzipiert für die Bemessung von biegedrillknickgefährdeten Stahlträgern bei Normaltemperatur und im Brandfall. Das einfache Format des knickenden Druckgurtes wurde gewahrt und führt durch die Berücksichtigung der Torsionssteifigkeit und des Lastangriffspunktes zu konservativen und zugleich wirtschaftlichen Ergebnissen. Der Ingenieurpraxis wird somit ein einfach anwendbares und intuitives Bemessungsverfahren zur Tragwerksplanung zur Verfügung gestellt.

Das modifizierte Modell des knickenden Druckgurtes für Normaltemperatur wurde durch das Komitee der Working Group 1 des SC3 befürwortet und wurde bereits im Final Draft prEN 1993-1-1 aufgenommen.