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Analysis of fatigue test data to reassess EN 1993‐1‐9 detail categories
(2020) Bartsch, Helen; Drebenstedt, Karl; Seyfried, Benjamin; Feldmann, Markus; Kuhlmann, Ulrike; Ummenhofer, Thomas
This paper addresses the assessment of fatigue details according to EN 1993‐1‐9, which form the basis of the most important fatigue verification, the nominal stress approach. First of all, a suitable statistical methodology had to be defined for consistent detail classification. A structured database on the MySQL platform serves as a basis for the evaluation of the detail categories. In addition to fatigue test data documented in the background document to EN 1993‐1‐9, this database also includes new test data provided by the authors. After selecting the most meaningful test data, important details, such as longitudinal welds, were reassessed. In addition, the authors carried out fatigue tests in connection with numerical simulations in order to be able to evaluate the fatigue strength with better accuracy. The results so far show that the details analysed often prove to have a higher fatigue strength than currently documented in EN 1993‐1‐9.
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Analytical and numerical investigations on imperfection-sensitive timber members subjected to combined bending and axial compression
(2021) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike
The verification of slender timber members at risk of lateral torsional buckling is one of the basic verifications in timber design. However, latest investigations have shown that the design formulas provided in Eurocode 5 for imperfection-sensitive members subjected to combined bending and compression tend to be conservative and more advanced verification methods are needed. Analytical and numerical models are presented that allow for the consideration of the geometrically and materially nonlinear behaviour as well as of the size effect of tensile strength ft,0 for Nx-My-Mz interaction. These models and calculation results increase the understanding of the main influencing parameters of the load-bearing capacity of imperfection-sensitive timber beams and columns and may be the basis of a revision of the current design formulas provided in EN 1995-1-1.
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Buckling resistance of longitudinally stiffened panels with closed stiffeners under direct longitudinal stresses
(2022) Pourostad, Vahid; Kuhlmann, Ulrike
The buckling behaviour of panels may be determined according to EN 1993‐1‐5 [1]. Most of the design rules relating to stiffened panels in EN 1993‐1‐5 were derived on the basis of open‐section stiffeners. Several recent investigations have shown that the application of the design rules according to EN 1993‐1‐5 considering the torsional stiffness of the stiffeners may overestimate the resistance of the panels. Therefore, the recent Amendment A2 to EN 1993‐1‐5 states that the torsional stiffness of stiffeners should generally be neglected in determining critical plate buckling stresses. In addition, prEN 1993‐1‐5 [2] provides rules for considering the torsional stiffness of stiffeners. However, in this article it is shown that even the rules of prEN 1993‐1‐5 are not sufficient to overcome the safety deficiencies. The article focuses on the investigation of the buckling behaviour of stiffened panels with closed‐section stiffeners subjected to constant longitudinal compression stresses. Improved rules have been developed that allow to consider the torsional stiffness of the stiffeners. Based on an extensive numerical parametric study, a new interpolation equation between column‐ and plate‐like behaviour is proposed. In comparison to [3], the investigations have been extended to the effective width method. They show that the proposal provides a safe and economic solution for the reduced stress method and the effective width method when considering the torsional stiffness of stiffeners by calculating the critical plate buckling stresses.
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Buckling resistance of stiffened panels subjected to constant transverse compression stresses
(2023) Pourostad, Vahid; Kuhlmann, Ulrike
In a box girder cross-section with inclined web panel, transverse compression may be introduced into the bottom panel from both sides in addition to constant longitudinal compressive stresses. In EN 1993-1-5, the only analytical method for determining the resistance of panels to biaxial compression is the Reduced Stress Method (RSM). However, the current rules were mainly derived for longitudinal stresses. Due to missing rules, in practice the longitudinal stiffeners need being verified according to flexural member buckling considering the transverse updrift forces. Therefore, in order to assess the real behaviour, a large parametric study of stiffened panels with closed longitudinal stiffeners under transverse compressive stresses was carried out using a verified numerical model. LBA and GMNIA are performed for each case. To apply the RSM, all critical buckling stresses were determined considering the torsional stiffness of stiffeners. According to EN 1993-1-5, the support of the edges of the panels parallel to the load direction should be set free when determining the critical stress for column-like behaviour. In the case of a longitudinally stiffened panel under transverse stresses, it is not clear whether the support of the plate and the stiffeners or only the plate should be released. In this paper, these interpretations are discussed and results are compared. Finally, a simplified procedure to determine the global reduction factor of plate buckling for transverse stresses in a single step is proposed.
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Composite bridges with cracked concrete deck spanning between transverse beams under fatigue shear loading
(2023) Stempniewski, Lena; Kuhlmann, Ulrike
For concrete deck of large steel-concrete composite road bridges cracking occurs due to tension because of negative bending moments at the support area, at the same time traffic load with high wheel loads passes the deck spanning between transverse beams. They induce cyclic shear loading in the cracked concrete deck. In composite bridges the application of prefabricated concrete elements has led to economical designs with a benefit in construction time. In this case, the prefabricated concrete elements are supported by the transverse beams when the on-site concrete is poured. For this construction, the concrete is subjected to tension forces resulting from the global load-carrying effect, which needs to be superimposed with local effects as wheel loads acting as shear fatigue loading. In this paper, the fatigue strength of cracked concrete deck under tension and shear fatigue loading is discussed.
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Doktorandenkolloquium Holzbau Forschung + Praxis : Stuttgart, 18. + 19. März 2024
(2024) Kuhlmann, Ulrike; Grönquist, Philippe; Tapia, Cristóbal; Buchholz, Lea
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Ermüdungsverhalten von Stahlkonstruktionen unter multiaxialer Beanspruchung durch Radlasten : ausführlicher Bericht zum Forschungsvorhaben
(2016) Kuhlmann, Ulrike; Roos, Eberhard; Herion, Stefan; Euler, Mathias; Rettenmeier, Philipp; Lipp, Andreas
Im Hochbau, im Kranbau und in der Fördertechnik treten durch die Bewegung von Gütern und Maschinen wandernde Einzellasten auf, die in der Regel als Radlasten auf die meist aus Stahl hergestellten Tragkonstruktionen einwirken. Die Anschlüsse und Verbindungen dieser Konstruktionen erfahren im Bereich der Radlasteinleitung einen Spannungszustand aus lokalen Druck- und Schubspannungen, die sich mit globalen Spannungen aus Trägerbiegung und Querkraftschub überlagern. Da sich dieser mehrachsige Spannungszustand bei jeder Überrollung einstellt, können Ermüdungsschäden an den Anschlüssen und Verbindungen die Folge sein. Im Gegensatz zu den alten nationalen Bemessungsregeln für Krane und Kranbahnen, die vergleichbare Berechnungs- und Festigkeitsansätze für den Ermüdungsnachweis auf Basis von Nennspannungen enthielten, unterscheiden sich die neuen europäischen Bemessungsregeln für Krane und Kranbahnen. In der Folge werden eine Reihe von Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung bei Kranen im Vergleich zu Kranbahnen bei baugleicher Ausführung günstiger hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit eingestuft. Die Kerbfalleinstufung dieser Konstruktionsdetails wird dabei in allen Bemessungsnormen bislang theoretisch hergeleitet, da entsprechende Ermüdungsversuche fehlen. Der Unterschied zwischen den alten nationalen und neuen europäischen Bemessungsregeln beruht teilweise auf einer abweichenden Berücksichtigung des Einflusses der Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Verbindungen. Die europäischen Bemessungsregeln unterstellen hohe Eigenspannungen und vernachlässigen daher einen Mittelspannungseinfluss. Der Kerbfallkatalog der Bemessungsnormen ist begrenzt und enthält beispielsweise keine Einstufung für das häufig ausgeführte Konstruktionsdetail der aufgeschweißten Kranschiene mit Radlasteinleitung. Der begrenzte Kerbfallkatalog stellt für die Ermüdungsbewertung von neuartigen Konstruktionen ein Hindernis dar. Es wird ein Überblick über die bekannten Ermüdungsversuche zu den Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung gegeben. Die bekannten Bewertungskonzepte für Schweißverbindungen bei mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung werden vorgestellt. Der Erkenntnisstand zur Entstehung von Eigenspannungen und deren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen wird beschrieben. Es wird ein Versuchsprogramm aus Ermüdungsversuchen an Kranbahnträgern mit aufgeschweißter Kranschiene und an einer neuartigen Kranbahnkonstruktion mit Obergurten aus Hohlprofilen unter ortsfest schwellender und überrollender Radlast entwickelt. Die Untersuchung beider Arten von Radlasten berücksichtigt, dass überrollende Radlasten zu einer nichtproportional und ortfest schwellende Radlasten zu einer proportional mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung führen. Die Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit der untersuchten Kranbahnträger erfolgt auf Basis von Nenn-, Struktur- und Kerbspannungen. Bei der Bewertung der mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung werden sowohl die klassischen Schwingfestigkeitshypothesen als auch neuere Bewertungsansätze wie die Hypothesen der kritischen Schnittebene und der integralen Anstrengung angewendet. Durch eine Schweißsimulation, die durch fertigungsbegleitende Temperaturmessungen kalibriert wird, werden für die Kranbahnträger mit aufgeschweißter Kranschiene Anhaltswerte für die Höhe der Schweißeigenspannungen als Eingangsgröße für die Ermüdungsbewertung hergeleitet.
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Experimentelle und numerische Untersuchungen von Brettschichtholz aus Buchen-Furnierschichtholz (BauBuche)
(2022) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike
Im Rahmen des Forschungsprojekts RP7 im Exzellenzcluster Integrative Computational Design in Architecture and Construction (IntCDC) an der Universität Stuttgart wurden Biege- und Druckversuche zur Ermittlung der elastischen Materialeigenschaften von Buchen-Furnierschichtholz GL75 (BauBuche) durchgeführt. Als Messeinrichtung wurde das optische Messsystem ARAMIS Adjustable verwendet. Anhand der Versuchsergebnisse werden die Elastizitätsmoduln, Schubmoduln und Querdehnzahlen sowie die asymmetrische elastische Materialsteifigkeitsmatrix ermittelt. Mit den ermittelten Materialkennwerten werden FE-Modelle der Versuche entwickelt, verifiziert und anhand der Ergebnisse validiert. Außerdem wird der Einfluss der Querschnittsverwölbung infolge Schub auf die Längsrandspannungen bei biegebeanspruchten Holzträgern experimentell und numerisch untersucht.
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Fatigue of welded tubular K‐joints made up of circular hollow sections
(2022) Kuhlmann, Ulrike; Dürr, André; Bove, Simon; Roth, Jakob; Knecht, Wigand
This article deals with the fatigue behaviour of thick‐walled welded K‐joints made up of circular hollow sections (CHS). Two important aspects of the investigations were the extension of the application range to large CHS and the development of practice‐oriented recommendations for fabrication and quality assurance for weld shape and weld quality. For this purpose, fatigue tests were conducted on large CHS joints and on single K‐joints with specified weld irregularities. These studies were accompanied by systematic ultrasonic tests using the phased‐array technique, which were also used for the development of an inspection method for these complex weld geometries. Based on the results achieved by these experimental studies and additional numerical and statistical investigations, a proposal for a German design guideline (DASt‐Richtlinie 029) was finally elaborated to promote the practical implementation of trusses made up of CHS with thick‐walled chords and also to take a first step towards standardization.
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FE-gestützte Bemessung im Holzbau
(2020) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike
Im Rahmen des Forschungsprojekts RP7 im Exzellenzcluster Integrative Computational Design in Architecture and Construction (IntCDC) an der Universität Stuttgart werden zurzeit Regelungen für die FE-gestützte Bemessung von Holzbauteilen entwickelt. In diesem Beitrag werden der aktuelle Stand des Forschungsvorhabens und die noch geplanten Untersuchungen vorgestellt. Schwerpunkte des Vorhabens sind die Verifizierung und Validierung von FE-Modellen, die bautechnische Nachweisführung anhand solcher Modelle und die Materialmodellierung im Holzbau.
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Finite element based design of timber structures
(2023) Töpler, Janusch; Schweigler, Michael; Lemaître, Romain; Palma, Pedro; Schenk, Martin; Grönquist, Philippe; Tapia Camú, Cristóbal; Hochreiner, Georg; Kuhlmann, Ulrike
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Guidelines for a finite element based design of timber structures
(Stuttgart : University of Stuttgart, Institute of Structural Design, 2022) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike
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Guidelines for a finite element based design of timber structures and their exemplary application on modelling of beech LVL
(2023) Töpler, Janusch; Buchholz, Lea; Lukas, Julian; Kuhlmann, Ulrike
Design verifications of buildings are usually carried out supported by a finite element analysis (FEA), for which, however, there are only a few and almost exclusively non-binding application rules. Within the Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) at the University of Stuttgart, Guidelines for a Finite Element-Based Design of Timber Structures have been developed. The scope of the guidelines is daily engineering practice, expert engineering applications and product development and certification. Essential parts of the guidelines are design procedures, modelling (including geometrical, material and imperfection modelling), analysis, model verification and validation and design. The content and application of the guidelines are described and illustrated in this paper using two benchmarks. These two benchmarks, which are based on experimental investigations, deal with the elastic material modelling of glulam made of beech laminated veneer lumber (beech LVL) and dowel-type connections for beech LVL members. The experimental basis of the benchmarks is described. With the experiments for the benchmarks, all Poisson’s ratios and the complete elastic material stiffness matrix of beech LVL are determined by means of an optical measuring system. The experimentally determined stiffnesses of the investigated dowel-type connections in beech LVL are compared with normative values. Based on the experiments, a numerical model is developed in RFEM (Dlubal).
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Handbuch. I, Entwurf von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton
(2014) Kuhlmann, Ulrike; Hofmann, Jan; Wald, Frantisek; Ruopp, Jakob; Sharma, Akanshu; Becková, Sárka; Schwarz, Ivo; Silva, Luis Simoes da; Gervásio, Helena; Gentili, Filippo; Krimpmann, Markus; Kann, Jörg van; Dehan, Véronique
Dieses Handbuch fasst die gewonnenen Forschungsergebnisse des Forschungsprojektes INFASO RFS-CR-2012-00022 "New Market Chances for Steel Structures by Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" und des Nachfolgeprojekts RFS2-CT-2012-00022 "Valorisation of Knowledge for Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" zusammen. Dieses Handbuch wurde von Wissenschaftlern zweier unterschiedlicher Forschungsbereiche verfasst. Aus dem Bereich der Befestigungstechnik vertreten durch das Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart und aus dem Gebiet des Stahlbaus durch das Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart und des Department of Steel and Timber Structures der Czech Technical University in Prague. Der Praxisbezug des Projektes wurde sichergestellt, indem Industriepartner und Organisationen maßgeblich am Entstehen beteiligt waren.
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Handbuch. II, Anwendung in der Praxis von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton
(2014) Kuhlmann, Ulrike; Hofmann, Jan; Wald, Frantisek; Ruopp, Jakob; Sharma, Akanshu; Becková, Sárka; Schwarz, Ivo; Silva, Luis Simoes da; Gervásio, Helena; Gentili, Filippo; Krimpmann, Markus; Kann, Jörg van; Dehan, Véronique
Das zweite Handbuch basiert auf Handbuch I "Entwurf von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton", in welchem die Forschungsergebnisse des RFCS Forschungsprojektes INFASO RFS-CR-2012-00022 "New Market Chances for Steel Structures by Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" und des Nachfolgeprojekts RFS2-CT-2012-00022 "Valorisation of Knowledge for Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" zusammengefasst sind. Innerhalb des Forschungsprojektes INFASO wurden Bemessungsprogramme für drei verschiedene Anschlüsse zwischen Stahl und Beton entwickelt. Diese Programme wurden im Forschungsprojekt INFASO+ überarbeitet. In diesem Handbuch werden Hintergrundinformationen zu den Bemessungsprogrammen gegeben und zusätzlich Anwendungsmöglichkeiten der Programme im Detail beschrieben.
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Heat management and tensile strength of 3 mm mixed and matched connections of butt joints of S355J2+N, S460MC and S700MC
(2023) Eichler, Stefan; Arnim, Mareike von; Brätz, Oliver; Hildebrand, Jörg; Gericke, Andreas; Bergmann, Jean Pierre; Kuhlmann, Ulrike; Henkel, Knuth‐Michael
High-strength structural steels are beneficial in terms of the sustainability of constructions due to the possible reduction of weight and overall material needs. Nevertheless, high-strength steels have a smaller processing parameter range in regarding the specific heat input and resulting cooling rate. Especially the cooling time t8/5 characterizing the time span to cool down from 800 to 500 °C is an important indicator. Single layer butt-welded gas metal arc welding (GMAW) connections of 3 mm plates between normal strength (S355J2+N, S460MC) and high-strength steels (S700MC) as well as matched connections (S460MC, S700MC) are carried out. Hereby, the influence of the energy input, melting rate, joint preparation, filler metal (matching and undermatching) and backing methods are observed. Spatially resolved IR-thermal observation shows variations within the welds of up to 50 % in the cooling time t8/5 depending on those parameters. These fluctuations lead to significant changes of the microstructure within the melting and heat-affected zone. UCI hardness mappings show the softening and microstructural change within these zones. Those soft zones can be the region of failure for butt welded connections as shown by transverse tensile tests with spatially resolved optical strain measurements. The results obtained can be used to define more precise welding procedures of these types of connections and also are used to develop design rules for mixed connections made of normal strength and high-strength steel.
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Imperfections of slender glulam beams
(2021) Kuhlmann, Ulrike; Töpler, Janusch
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Imperfektionsmessungen an stabilitätsgefährdeten Holzbauteilen : Schlussbericht : Forschungsvorhaben DIBt P 52-5- 13.194-2048/19
(2022) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike
Die Holztragwerke von 23 Bauvorhaben wurden mit einem Laserscanner vermessen und die Daten von 202 BSH Bindern, 38 Buchen-Furnierschichtholz Bindern und 57 Buchen FSH Stützen in Bezug auf die Montagegenauigkeit und Imperfektionen ausgewertet. Die Messungen wurden direkt nach Montage und Ausrichten der Tragwerke durchgeführt. Für alle gemessenen Imperfektionen galt, dass die Bemessungsansätze nach EN 1995-1-1 auf der sicheren Seite liegen. Zur Ermittlung von Ersatzimperfektionen wurden numerische Vergleichsberechnungen mit Abaqus CAE/2020 durchgeführt. Die Ersatzimperfektionen wurden in Form einer Sinushalbwelle angenommen. Die 95 % Quantilwerte der Vorverformungen wurden ausgewertet und daraus abgeleitete konsistente Bemessungsempfehlungen für Ersatzimperfektionen für die Stabilitätsnachweise nach EN 1995-1-1 angegeben.
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In-plane buckling of beech LVL columns
(2022) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike
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Influence of the geometric properties, the timber-concrete interface, and the load protocol on the mechanical properties of timber-concrete composite connections
(2024) Mönch, Simon; Campos, Joana A. A.; Dias, Alfredo M. P. G.; Kuhlmann, Ulrike
Timber-concrete composite (TCC) structural systems are characterized by the combination of timber and concrete, which are connected to transmit shear forces between the two elements. In addition, to achieve an efficient connection, the slip between the two materials should be limited. Therefore, the load-carrying capacity, the stiffness, and the failure mode of TCC connections are important for the behavior of the composite element. This work aims to investigate the influence of test conditions on TCC connections using shear tests to determine the mechanical properties of connections. Therefore, it is essential to understand the influence of the configuration of the specimens (symmetric as push-out tests or asymmetric as inclined tests), the type of interface between the timber and concrete, and the test procedure (static or cyclic load protocol) on the resulting load-carrying capacity, stiffness, and failure modes. This paper reviews experimental tests conducted on TCC shear connection specimens, using various configurations to assess the influence of the test specimen configuration, material interface, and testing protocol on the determination of the mechanical properties.