AiF / IGF 15025 N

Effiziente Nachweisführung von biegeknickgefährdeten, dünnwandigen Stahlquerschnitten

AiF / IGF 15025 N, ARRS-Z2-0826

Die wirtschaftliche und nachhaltige Nutzung eines Werkstoffes bei Entwurf und Ausführung von Tragwerken ist die Voraussetzung für den langfristigen Erfolg einer Bauweise. Im Falle des Werkstoffes Stahl bieten vor allem moderne Entwicklungen wie der Einsatz von einfach herzustellenden, leichten Kantprofilen, zunehmend aus hochfesten Stählen, die Möglichkeit zur äußerst wirtschaftlichen Nutzung des Baustoffes im Stahlhochbau, Stahlbrückenbau und zukünftig auch im Bereich des „Bauens im Bestand“.

Dünnwandige Stahlprofile, die von ihren Schlankheiten sowohl lokal beulgefährdet, als auch global biegeknickgefährdet sind, bieten den Architekten und Ingenieuren die Möglichkeit leichte, filigrane und ästhetisch ansprechende Tragwerke zu entwerfen. Das Tragverhalten solch dünnwandiger und materialsparend ausgelegter Tragwerke aus Stahl wird vor allem durch Stabilitätsprobleme beeinflusst. Für dünnwandige Bauteile spielt vor allem die gegenseitige Interaktion des lokalen Beulversagens und des globalen Biegeknickversagens eine entscheidende Rolle, vgl. Bild 1. Es hat sich gezeigt, dass der derzeitige Stand der europäischen Normung im Eurocode 3, dieses Problem nicht zufriedenstellend behandelt.

Diese Arbeit leistet auf dem Gebiet der Interaktion von lokalem und globalem Stabilitätsversagen einen Beitrag zur Entwicklung eines effizienten Nachweisformates, dass sowohl sichere als auch wirtschaftliche Ergebnisse für biegeknickgefährdete, dünnwandige Bauteile liefert. Dazu wurden neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen an C-Profilträgern und Hohlprofilstützen auch entsprechende numerische Analysen mit der Methode der Finiten Elemente durchgeführt.

In Anlehnung an vorherige umfangreiche Forschungsarbeiten konnte der Effekt der gegenseitigen Teileinspannung der einzelnen Querschnittsteile beim lokalen Beulen auf dem Niveau der Verzweigungslasten hergeleitet und in Formeln und Diagrammen aufbereitet werden.

Darauf aufbauend wurde ein neues Bemessungsverfahren auf Basis von Forschungsergebnissen von Brune entwickelt, das die Kombination der Teileinspannung der einzelnen Querschnittsteile, des Konzeptes der wirksamen Breiten und Dicken nach Eurocode 3 Teil 1-3 Annex D und einer von Brune entwickelten Interaktionsbeziehung für lokal und global stabilitätsgefährdeten Bauteilen beinhaltet. Es konnte anhand von umfangreichen Vergleichsrechnungen gezeigt werden, dass dieses Nachweisformat unabhängig von der Querschnittsgeometrie sichere und wirtschaftliche Ergebnisse liefert. Zusätzlich konnte das Nachweiskonzept von Detzel et. al. für lokal und global stabilitätsgefährdete Hohlprofilstützen bestätigt werden.

Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Leiterin der Forschungsstelle:
Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann

Projektbearbeiterin: Dipl.-Ing. Anette Detzel

Technische Universität Dortmund, Lehrstuhl für Stahlbau
Leiter der Forschungsstelle:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann

Dieses IGF-Vorhaben des Deutschen Ausschusses für Stahlbau (DASt) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Für die Förderung des Foschungsvorhabens danken wir ebenfalls:

• Slovenian Research Agency ARRS
• Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart
• Haller Stahlbau

von November 2006 bis April 2009