Zum Gesamtstabilitätsversagen geschweißter Rechteckquerschnitte unter Druckbelastung

Abstract

Die Ausnutzung hoher Materialfestigkeiten und das Bestreben nach Gewichtsoptimierung führt zum Einsatz dünnwandiger schlanker Stahlprofile. Insbesondere im Brückenbau werden häufig geschweißte, aus dünnen Blechen zusammengesetzte Profile eingesetzt. Diese Profile unterliegen zweierlei Stabilitätsgefährdungen, dem lokalen Plattenbeulen, bei dem die ebenen Querschnittsbleche unter Druckbeanspruchung ausbeulen, und dem globalen Stabknicken. Dabei kommt es durch Verletzung des Kräftegleichgewichts in Stabmitte zu einem plötzlichen seitlichen Ausweichen des Stabes und einem Versagen vor Erreichen der Querschnittstragfähigkeit. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung der Interaktion von lokalem und globalem Stabilitätsversagen. Bei der Ermittlung der Querschnittstragfähigkeit beulgefährdeter dünnwandiger Bauteile dürfen über das Verfahren der wirksamen Breite überkritische Tragreserven ausgenutzt werden. Durch Spannungsumlagerungen von der ausgebeulten Blechmitte zu steifen, gestützten Blechrändern lässt sich die Tragfähigkeit der Bleche über das Erreichen der kritischen Beulspannung hinaus steigern. Voraussetzung hierfür sind jedoch relativ große Querschnittsverformungen. Durch die großen Verformungen kommt es zu einer Steifigkeitsänderung des Querschnitts. Diese Steifigkeitsänderung kann das globale Stabilitätsverhalten des Stabes negativ beeinflussen. Besonders kritisch ist die Situation, wenn die Höhe der Beullast ungefähr mit der Knicklast zusammenfällt. Eine kleine Querschnittsverformung kann dann bereits zu einer empfindlichen Störung des globalen Gleichgewichtes führen. Auf Basis numerischer und experimenteller Untersuchungen wird das Tragverhalten und die Interaktion der beschriebenen Versagensmodi analysiert. Insbesondere der Einfluss geometrischer und struktureller Imperfektionen wird im Detail untersucht. Durch den Vergleich vorhandener Bemessungsverfahren wird eine Modifikation der Berechnung der Stabschlankheit für dünnwandige Kastenstützen entwickelt. Die Anwendung der Europäischen Knickspannungslinien wird überprüft und das Bemessungsverfahren nach DIN EN 1993-1-1, -1-5 optimiert. Untersuchungen zur Berechnung nach Theorie II. Ordnung ermöglichen eine Empfehlung in Bezug auf die Wahl der Anfangsimperfektion für die Berechnung der Schnittgrößen und Verformungen dünnwandiger Kastenquerschnitte unter Druckbeanspruchung. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen den wirtschaftlichen Einsatz dünnwandiger schlanker geschweißter Rechteckprofile unter Druckbelastung durch eine zuverlässige und sichere Ermittlung der Tragfähigkeit für den Fall der Interaktion lokalen und globalen Stabilitätsversagens.

The application of high strength steel and the tendency towards light-weight structures leads to the use of thin-walled slender steel-profiles. In particular in bridge design, thin-walled welded profiles are frequently used. These profiles are subject to two different types of stability failure. High compression stresses in plane plates lead to local plate buckling and the disturbance of the equilibrium of forces in the center of the compression bar leads to a sudden lateral buckling of the member. When determining the cross section capacity of thin-walled profiles, it is possible to exploit post-buckling strength. Stress concentrations at the stiffened edges increase the average stress in the plate above the linear elastic buckling stress, provided that lateral displacements of the plates are allowed. The displacements result in a stiffness reduction of the cross section and affect the buckling resistance of the member. This is most critical in the case of identical buckling stresses on local and global level. Based on experimental and numerical investigations, the load bearing behaviour and the interaction modes are analysed. In particular the influence of geometrical and structural imperfections are analysed in detail. Comparisons of design procedures enable to develop a modified column slenderness for thin-walled box sections. The use of the European buckling curves is revised and the design according to EN 1993-1-1, -1-5 is optimised. For the analysis of thin-walled box profiles by the use of second order theory, recommendations are formulated for the choice of initial imperfections on global level. The results of this work enable the economic use of thin-walled slender steel columns with box section by the reliable determination of the design load in case of interaction of global and local instability failure.