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Beitrag zur Biegedrillknickbemessung unter Berücksichtigung von torsionsweichen Lagern und realitätsnahen Beanspruchungen im Stahlbau
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2024) Jörg, Fabian; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Stahlkonstruktionen im Hoch- und Industriebau stehen zunehmend im scharfen Wettbewerb zu anderen Bauweisen wie beispielsweise dem Stahlbeton-Fertigteilbau oder der Holzbauweise. Durch geleimte Holzbinder aus zum Teil hochfestem Laubholz werden im Holzbau Spannweiten und Anwendungen wie dem Industriehallenbau und sogar erste Kranbahnen ermöglicht, die zuvor ausschließlich dem Stahlbau vorbehalten waren. Stahlbeton-Fertigteile lassen sich wie Stahlkonstruktionen einfach und schnell montieren, haben aber nach wie vor den Nachteil des höheren Gewichts, doch Krankapazitäten sind inzwischen auch für solche Einsätze verfügbar. Im Stahlhochbau mit seiner stabförmigen Bauweise unter überwiegendem Einsatz von Stahlprofilen sollte deshalb unbedingt investiert werden, um zum einen eine größere Wirtschaftlichkeit zu erreichen und zum anderen den Einsatz und die Bemessung solcher Tragwerke einfach zugänglich und handhabbar zu machen. Die Verwendung von schlanken Stahlprofilen fördert zwar die Wettbewerbsfähigkeit von Stahlkonstruktionen im Hoch- und Industriebau, erfordert jedoch gleichzeitig eine effiziente Bemessung insbesondere für den in der Baupraxis oft sehr aufwändigen Stabilitätsnachweis des Biegedrillknickens. Bemessungsregeln dafür lassen sich in DIN EN 1993-1-1 finden, wobei in der Ingenieurpraxis meist die händischen Nachweisverfahren mit Abminderungsfaktoren die größte Bedeutung haben. Um eine zugleich sichere und wirtschaftliche Bemessungsgrundlage zu schaffen, ist es daher wichtig, dass die den Verfahren zugrunde liegenden Annahmen den Anwendungsbereich der Baupraxis ausreichend genau wiedergeben. Das Nachweisverfahren mit Abminderungsfaktoren, das sogenannte „Ersatzstabverfahren“, liefert einen vereinfachten Bauteilnachweis und führt einen Stab oder Teil eines Stabsystems durch Verwendung einer Knicklänge und ggf. veränderlichen Einwirkungen auf den Fall des Druck- bzw. beidseitig gabelgelagerten Biegestabs mit konstanten Einwirkungen zurück. Trotz zunehmender Computerunterstützung und Verwendung von numerischen Verfahren wird dieses Nachweisverfahren weiterhin häufig für die Bemessung von Stahlbauteilen angewendet. Bauteile des Stahlhoch- und -hallenbaus stehen häufig unter einer Vielzahl von verschiedenen Einwirkungen und daraus resultierenden Schnittgrößenkombinationen inklusive Torsion. Die Interaktionsgleichungen der DIN EN 1993-1-1 gelten zwar für Bauteile mit doppeltsymmetrischen I- und H-Querschnitten sowie Hohlprofilen schließen jedoch den Fall der planmäßigen Torsion bislang aus. Eine Erweiterung des Nachweisverfahrens sowohl für einfachsymmetrische Querschnitte als auch für planmäßige Torsionsbeanspruchungen wurde im Rahmen der Überarbeitung und Weiterentwicklung des Eurocodes 3 durch Untersuchungen an der Ruhr-Universität Bochum evaluiert. Die Anwendbarkeit dieses entwickelten Bemessungsansatzes konnte anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen für unterschiedliche Schnittgrößenkombinationen inklusive Torsion gezeigt werden. Ferner weichen Stahlbauteile der Baupraxis in der Regel von der den Verfahren zugrunde liegenden Idealisierung, d.h. dem gabelgelagerten Einfeldträger unter ausschließlicher Biegebeanspruchung, ab. Praxisnahe Anschlusskonstruktionen wie typische Haupt- und Nebenträgeranschlüsse im Hochbau oder auch Querkraftanschlüsse an Stützen stellen keine echten „Gabeln“ dar. Je nach Anschlusstyp variiert die Verdrehsteifigkeit markant und es ist von einem signifikanten Unterschied im Tragverhalten zwischen idealisierten und realen Tragwerken auszugehen. Des Weiteren werden Träger mit einfachsymmetrischem U-Querschnitt meist auch gleichzeitig auf Torsion beansprucht, da für diese Querschnitte ein Lastangriff in der Achse des Schubmittelpunkts schwierig zu realisieren ist. Eine einfache und zugleich konsistente Biegedrillknickbemessung ist für derartige Querschnitte bislang normativ nicht geregelt. Das Ersatzstabverfahren ermöglicht zwar hierfür einen einfach anwendbaren Nachweis für stabilitätsgefährdete Bauteile, wurde jedoch auf Grundlage der zuvor beschriebenen idealisierten Annahmen hergeleitet. Dadurch entsteht eine Diskrepanz zwischen dem tatsächlich ausgeführten Tragwerk und dem theoretischen Berechnungsmodell. Um zukünftig bei der Bemessung ein konsistentes Nachweisverfahren nutzen zu können, ist eine Erweiterung der Anwendungsgrenzen des vereinfachten Bauteilnachweises zur Berücksichtigung des Einflusses von torsionsweichen Lagern und realitätsnahen Beanspruchungen von zentraler Bedeutung. Gestützt auf experimentellen Untersuchungen an Systemen mit praxisnaher Ausführung wurden numerische Modelle entwickelt, die das Stabilitätsverhalten abbilden können. Systematische numerische Untersuchungen ermöglichten zusammen mit einer erweiterten Datenbasis aus fremden und eigenen Versuchen die Weiterentwicklung des vereinfachten Nachweises für verschiedene baupraktische Anschlüsse sowie die konsistente Berücksichtigung einfachsymmetrischer U-Querschnitte mit und ohne Torsion. Neben diesem Ersatzstabverfahren stellt das Modell „Knicken des Druckgurtes“ ein anschauliches und für die praktische Anwendung sehr einfaches Verfahren für den Biegedrillknicknachweis dar. Dieses vereinfachte Modell überführt das dreidimensionale Biegedrillknickproblem in ein ebenes Biegeknicken des äquivalenten Druckgurtes und ist als bewährte Nachweismethode zur Überprüfung des Biegedrillknickwiderstandes in Deutschland seit langem etabliert. Aufgrund der einfachen Handhabung überzeugt das Verfahren schon seit Einführung der früheren Stahlbaunorm DIN 4114 bei der überschlägigen Bemessung sowohl im Hoch- als auch im Brückenbau. Gegenwärtig weist das vereinfachte Verfahren jedoch weder eine Konsistenz mit dem gängigen Biegedrillknicknachweis unter Verwendung des idealen Biegedrillknickmoments auf, noch eignet es sich für die verschiedenen Anwendungsbereiche des Hoch- und Brückenbaus. Zudem gab es in den letzten Jahren Untersuchungen, die Schwächen und Unsicherheiten dieses Verfahrens aufgezeigt haben, so dass im Rahmen eines Forschungsvorhabens Bauteilversuche in Kombination mit Eigenspannungsmessungen an I-förmigen geschweißten Brückenquerschnitten dazu durchgeführt wurden. Anhand der experimentellen Untersuchungen und darauf aufbauenden numerischen Simulationen konnte die Wirtschaftlichkeit und gleichzeitig auch die Bemessungssicherheit des Verfahrens durch die indirekte Berücksichtigung der Torsionssteifigkeit und des Lastangriffspunkts verbessert werden.
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Beiträge zu Trag- und Bemessungsmodellen für Stahlspundwände
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2025) Enders, Alexander; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
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Beurteilung des Tragverhaltens von Flankenkehlnahtverbindungen aus normal- und höherfestem Baustahl unter Berücksichtigung statistischer Kriterien
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2018) Kleiner, Andreas; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
In der modernen Architektur führt der Wunsch nach immer schlankeren und filigraneren Konstruktionen mit größeren Spannweiten oder hohen Beanspruchungen konsequenterweise zum Einsatz von höherfesten Baustählen. Infolgedessen lassen sich zum Teil erhebliche Einsparungen erzielen, nicht nur beim Materialeinsatz, sondern auch bei nachgelagerten Prozessen, bspw. der Herstellung von Schweißnahtverbindungen. Gleichwohl hängt die Höhe der Einsparung u. a. von den Bemessungskriterien ab, die für den konkreten Fall maßgebend werden. Insbesondere für Kehlnahtverbindungen wird in den geltenden Bemessungskonzepten nach EN 1993-1-8 derzeit lediglich die Festigkeit des Grundwerkstoffs berücksichtigt. Zusätzlich wird explizit verlangt, dass die für den Schweißzusatzwerkstoff spezifizierten Materialeigenschaften mindestens denen des verschweißten Grundwerkstoffs entsprechen müssen. Anhand bereits abgeschlossener Forschungsvorhaben konnte ein signifikanter Einfluss des Schweißzusatzwerkstoffs auf die Festigkeit der Kehlnahtverbindung festgestellt und ein neues Bemessungsmodell entwickelt werden, das den Einfluss des Schweißzusatzwerkstoffs ebenfalls berücksichtigt. Jedoch ist bislang die Anwendung des neuen Bemessungsmodells für sogenannte Mischverbindungen ungeklärt. Unter einer Mischverbindung versteht man eine geschweißte Verbindung aus Baustählen unterschiedlicher Festigkeitsklassen und einer dazu passenden oder abweichenden Festigkeitsklasse des Schweißzusatzwerkstoffs. Demzufolge ist die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit auf Basis von experimentellen Untersuchungen an geschweißten Flankenkehlnahtverbindungen aus normal- und höherfestem Baustahl sowohl die Anwendbarkeit des bestehenden als auch des neu entwickelten Bemessungsmodells zur Bestimmung der Tragfähigkeit zu verifizieren und weiterzuentwickeln. Hierzu wird ein speziell angepasstes statistisches Auswerteverfahren konzipiert, das prinzipiell auf Fälle angewendet werden kann, die ein Bauteilversagen auf Bruch aufweisen. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen einerseits, dass die Bemessungsmodelle für die Mischverbindungen eine akzeptable Übereinstimmung liefern, andererseits aber durch angepasste Korrelationsbeiwerte beta_w wirtschaftlich optimiert werden können. Zusätzlich zur Tragfähigkeit wurden die Versuchsergebnisse der Flankenkehlnahtverbindungen hinsichtlich ihrer Verformungsfähigkeit ausgewertet. Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnte ein analytischer Ansatz zur Abschätzung der Verformung einer Flankenkehlnaht abgeleitet werden, der mit dem angepassten statistischen Auswerteverfahren verifiziert wurde. Mögliche Anwendungsfelder der Verformungsberechnung sind die Kapazitätsbemessung eines Gebäudes im Lastfall Erdbeben oder die Verifizierung von numerischen Untersuchungen an Flankenkehlnahtverbindungen.
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Bewertung ausgewählter Konstruktionsdetails von Straßenbrücken unter Berücksichtigung der Ermüdung
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2022) Bove, Simon; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Straßenbrücken müssen während ihrer Nutzung eine Vielzahl von Überfahrten durch Personen- und Schwerlastverkehr überstehen und unterliegen somit hohen Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit. Zwei ausgewählte Tragsysteme für Straßenbrücken aus Stahl stehen deshalb im Mittelpunkt dieser Arbeit. Bei dem ersten ausgewählten Tragsystem handelt es sich um geschweißte dickwandige K-Knoten aus Rundhohlproﬁlen, wie sie beispielsweise in Stahlverbundstraßenbrücken mit Hohlproﬁlfachwerk zum Einsatz kommen. Für die Bemessung von dickwandigen K-Knoten (γ > 12; t > 8mm) gibt es jedoch noch keine bauaufsichtlich eingeführten Regeln. Vor allem für die Nachweise im Grenzzustand der Ermüdung, die nicht selten auf der Basis des Strukturspannungskonzeptes geführt werden müssen, existieren bisher keine Regeln. Demzufolge ist die erste Zielsetzung dieser Arbeit, einen normungsgerechten Vorschlag für die ansetzbaren Ermüdungsfestigkeiten für K- und KK-Knoten mit Spalt auf Nenn- und Strukturspannungsniveau herzuleiten. Dazu wurde eine Vielzahl an Versuchsdaten, einschließlich der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Ermüdungsversuche, statistisch ausgewertet. Die erarbeiteten Ergebnisse werden auch bei der Entwicklung der bevorstehenden neuen Normengeneration des Eurocode 3 berücksichtigt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von praxisnahen Empfehlungen zur Ausführung der Schweißnahtgeometrie von K-Knoten. Anhand von 27 Ermüdungsversuchen an einzelnen K-Knoten mit gezielter Wurzelspaltgröße und Nahtform konnten die Einﬂüsse von Schweißnahtunregelmäßigkeiten und Schweißnahtausbildung quantiﬁziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind auch in eine DASt–Richtlinie eingeﬂossen, mit der ausführenden Firmen für eine wirtschaftliche Gestaltung der Schweißnähte eine Absicherung gegeben werden soll. Schweißnahtunregelmäßigkeiten, die einen bestimmten Wert nicht übersteigen und die bisher ansonsten aufwendig zu reparieren gewesen sind, können somit im Inneren der Hohlproﬁlknoten verbleiben. Werden jedoch ggf. nicht mehr vernachlässigbare Schweißnahtunregelmäßigkeiten detektiert, wird im Rahmen dieser Arbeit eine vereinfachte Möglichkeit vorgestellt, die Schweißnahtwurzelpunkte nachzuweisen bzw. den Nachweis gegen ein Schweißnahtversagen auf Grundlage des Strukturspannungskonzepts durchzuführen. Für Unternehmen des Stahlbaus im Brücken-, Kran- und Hochbau bzw. für Offshore-Projekte oder Windkraftanlagen wird so eine Möglichkeit gegeben, besonders wirtschaftlich zu fertigen. Darüber hinaus sind Ingenieurbüros durch eine normungsgerechte Erweiterung der ausführbaren Hohlproﬁlknotengeometrien nicht mehr auf aufwändige Sonderlösungen mit Rippenaussteifungen u.ä. angewiesen. Das zweite ausgewählte Tragsystem umfasst Straßenbrücken mit orthotropen Stahlfahrbahnplatten. Viele dieser Stahlbrücken, darunter auch große Autobahnbrücken, wurden in den 1960er bis 1980er Jahren errichtet und weisen inzwischen gravierende Ermüdungsschäden auf. Der Großteil dieser Stahlbrücken wird heute noch genutzt und nimmt darüber hinaus Schlüsselstellungen in der umgebenden Infrastruktur ein. Aufgrund der besonderen Wichtigkeit der Brücken für den jeweiligen Standort muss ein Ausfall verhindert, aber auch eine Teilsperrung vermieden werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, eine Sanierungslösung für Schäden der Kategorie 2 zu untersuchen, die bei möglichst geringem Eingriff in den laufenden Verkehr robust und dauerhaft ist. Der Fokus liegt hierbei auf geschraubten Lösungen, da diese mehrere Vorteile gegenüber einer geschweißten Sanierungsmaßnahme bieten, wie z. B. der Wegfall vorbereitender Maßnahmen (keine Einhausungen, keine Verkehrssperrungen etc.). Die betrachtete Sanierungslösung sieht darüber hinaus den Einsatz sogenannter Blindniete vor, die deshalb im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen sind. Hierzu wurde das Ermüdungsverhalten drei unterschiedlicher Blindniettypen experimentell untersucht und quantitativ nutzbare Ermüdungsfestigkeiten hergeleitet. Mit Hilfe experimenteller und numerischer Untersuchungen wurde anschließend die eigentliche Sanierungslösung näher beleuchtet. Dabei zeigen die Ergebnisse, dass eine dauerhafte Sanierungslösung unter Verwendung von Blindnieten sehr gut möglich ist und die Anwendung von geschweißten Sanierungsmaßnahmen erfolgreich vermieden werden kann. Die abschließend erarbeiteten Bemessungs- und Konstruktionsempfehlungen erleichtern außerdem die praktische Umsetzung der Sanierungslösung und ermöglichen darüber hinaus einen vereinfachten Ermüdungsnachweis auf Basis des Nennspannungskonzeptes. Die in dieser Arbeit und in den zugrundeliegenden Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse an der betrachteten Sanierungslösung waren so vielversprechend, dass zum einen als Pilotmaßnahme einzelne Schäden an der Rheinbrücke Leverkusen und zum anderen die Berliner Brücke bei Duisburg entsprechend der entwickelten Sanierungslösung saniert wurden.
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Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten und gelöteten Lamellen, Steifen und Anbauteilen
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2022) Drebenstedt, Karl; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Konstruktionen beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer von zyklisch beanspruchten Stahlkonstruktionen. Durch Kerbwirkung und daraus resultierenden Spannungskonzentrationen entstehen im Bereich der Schweißnähte Ermüdungsrisse, die zum Versagen einer Konstruktion führen können und folglich in der Bemessung berücksichtigt werden müssen. Die Lebensdauer, die als Anzahl der Schwingspiele bis zum Versagen dargestellt werden kann, ist abhängig von der zyklischen Beanspruchung und der ihr gegenüberstehenden detailspezifischen Ermüdungsfestigkeit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die empirisch gestützte Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Anbauteilen, die auf eine zyklisch beanspruchte Stahlkonstruktion aufgeschweißt oder aufgelötet werden, selbst aber keiner direkten Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt sind. Trotz ihrer im Sinne der Lastabtragung häufig untergeordneten Bedeutung werden diese Schweißdetails für die Ermüdungsbemessung regelmäßig bemessungsmaßgebend und bestimmen damit auch die Dimensionierung der Haupttragstruktur. Konkret werden die Ermüdungsfestigkeiten von Lamellen, Längs- und Quersteifen, Schweißbuchsen, Kopfbolzen, Schweißtellern und von ähnlichen Details untersucht. Zu den genannten Konstruktionsdetails wurden in einer sehr umfangreichen Datenbank über 8.000 Versuchsergebnisse aus veröffentlichten Studien zur Ermüdungsfestigkeit zusammengetragen. Das Datenbanksystem gewährleistet das gezielte Bearbeiten und Abfragen unterschiedlicher Informationen zu den Ermüdungsversuchen. Dies sind neben den Versuchsergebnissen und der Anzahl der erreichten Schwingspiele unter einer bestimmten zyklischen Beanspruchung Parameter wie technische Materialeigenschaften und geometrische Spezifikationen. Zusätzlich zu den in der Datenbank gesammelten Versuchsergebnissen wurden eigene Ermüdungsversuche an Konstruktionsdetails durchgeführt. Konkret untersucht wurde unter anderem die traditionelle deutsche Variante des Konstruktionsdetails Gurtlamellenende. Die vorzugsweise im Brückenbau verbreitete Form des Gurtlamellenendes mit verstärkter Stirnnaht und kerbfrei bearbeiteten Nahtübergängen zeigt deutlich höhere Ermüdungsfestigkeiten als die einfache Variante mit umlaufender Kehlnaht im Schweißzustand. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen liegt auf der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Anbauteilen, die mit dem Kupferlot CuAl7 in einem Lichtbogenlötverfahren auf zyklisch beanspruchte Stahlkonstruktionen aufgelötet werden. In vielen Ermüdungsversuchen wurden das Verhalten und die Ermüdungsfestigkeit dieses alternativen Verfahrens zum Schweißen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Ermüdungsfestigkeit von lichtbogengelöteten Anbauteilen eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit bei vergleichbarer Versagenscharakteristik und vergleichbarer statischer Beanspruchbarkeit aufweist. Sowohl die in der Datenbank dokumentierten Versuche als auch die durchgeführten eigenen experimentellen Untersuchungen weisen infolge von unterschiedlichen Einflüssen auf die Ermüdungsversuche eine erhebliche Streuung auf. Für die Bewertung von Einflüssen auf die Lebensdauer und für die Ermittlung einer charakteristischen Ermüdungsfestigkeit, die einen statistisch abgesicherten Bemessungswert darstellt, muss diese Streuung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Verfahren zur statistischen Bewertung und Auswertung von Ermüdungsversuchen vorgestellt, die auf gemeinsamen statistischen Ansätzen beruhen und konform zu normativen Regelungen und Anforderungen im Bauwesen sind. Es kann gezeigt werden, dass die vorgestellte statistische Auswertemethode geeignet ist, zuverlässig statistisch abgesicherte Ermüdungsfestigkeiten für einzelne Serien oder für Metaanalysen mit mehreren 1.000 Versuchsergebnissen abzuleiten. Die eigenen experimentellen Untersuchungen und die Vielzahl der in der Datenbank aufgearbeiteten Versuchsergebnisse ermöglichen in Kombination mit der einheitlichen statistischen Auswertemethode Metastudien. Unterschiede können sich sowohl auf technische Aspekte beziehen wie Fertigungseinflüsse, Schweißtechnik, mechanische Materialeigenschaften und Versuchsumsetzung, als auch auf Randbedingungen wie beispielsweise die verwendete Prüf- und Messtechnik. Die Bewertung von Ermüdungsfestigkeiten für bestimmte Konstruktionsdetails auf Grundlage der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Versuchsdaten ermöglicht damit die Berücksichtigung eines Spektrums von potenziellen Einflussfaktoren auf die charakteristische Ermüdungsfestigkeit. Die in den Versuchen ermittelten Ermüdungsfestigkeiten werden verglichen mit Ergebnissen aus numerischen Untersuchungen mit dem Kerbspannungsmodell. Dafür wurden einige Konstruktionsdetails mit dem Kerbspannungsmodell dreidimensional nachgebildet und validiert. Die Modelle eignen sich für Parameterstudien zu strukturmechanischen Einflussgrößen und geben geometrische Einflüsse tendenziell gut wieder. Die Untersuchungen zeigen auch, dass geometrische Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit bei Verwendung des Kerbspannungsmodells überschätzt werden können. Als ursächlich dafür werden Streuungen aus Fertigungseinflüssen vermutet, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Kerbwirkung haben können. Es wird anhand von vergleichenden Streuspannen für Konstruktionsdetails und Gruppen von Konstruktionsdetails zudem gezeigt, dass das Kerbspannungskonzept im Vergleich zum Nennspannungskonzept im Sinne der Bemessung nicht das genauere Verfahren zur Ermüdungsbemessung von Anbauteilen darstellt. Auf Grundlage der Untersuchungen und Erkenntnisse werden am Ende dieser Arbeit konkrete Bemessungsvorschläge für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit mit dem Nennspannungskonzept für geschweißte und gelötete Anbauteile wie Lamellen, Längs- und Quersteifen, Schweißbuchsen, Kopfbolzen und Schweißteller gegeben.
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Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten und ihrer Nachbehandlung im Brückenbau
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2022) Breunig, Stephanie; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Bei der Bemessung zyklisch beanspruchter Stahlkonstruktionen ist in vielen Fällen der Nachweis der Ermüdung bemessungsmaßgebend, weshalb eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit i.d.R. zu einer deutlich wirtschaftlicheren / nachhaltigeren Konstruktion führt. Eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen hinsichtlich der Bemessung kann zum einen durch eine vorteilhaftere Kerbfallklasseneinordnung erfolgen. Da die vorliegenden Kerbfallklassen eine Vielzahl anwendungsrelevanter Möglichkeiten abdecken sollen, können für einzelne Beanspruchungszustände teilweise konservative Werte entstehen. Im Rahmen differenzierterer und detaillierterer Untersuchungen können verbesserte Kerbdetaileinstufungen erreicht werden. Zum anderen kann bei geschweißten Verbindungen eine gezielte Verbesserung der geometrischen und metallurgischen Kerbe durch eine Form der Schweißnahtnachbehandlung erfolgen. Zu diesem Zweck werden innerhalb dieser Arbeit die Höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH) als moderne Methode der Schweißnahtnachbehandlung an gängigen Kerbdetails untersucht. Gezielte experimentelle Untersuchungen zum Bauteileinfluss und zum Einfluss des einwirkenden Spannungsverhältnisses führen zu weiterführenden Erkenntnissen, die mitunter zur Entwicklung der Bemessungsempfehlung für die DASt-Richtlinie 026 beitragen. Die Sicherstellung einer entsprechenden Nachbehandlungsqualität und deren Überprüfbarkeit werfen in Bezug auf die HFH-Anwendung in der Baupraxis Fragen auf. In diesem Zusammenhang werden Möglichkeiten zur Qualitätssicherung bei der Anwendung der HFH-Verfahren untersucht und deren Effektivität beurteilt. Gezielte experimentelle Untersuchungen am Detail der unbelasteten Quersteife gestützt durch Eigenspannungsmessungen, klären den Einfluss etwaiger vom Optimum abweichender Nachbehandlungszustände auf die Ermüdungsfestigkeitsverbesserung. Am Beispiel der modernen Eisenbahntrogbrücken mit dickem Fahrbahnblech wird die Effektivität der Schweißnahtnachbehandlung für die unbelastete Quersteife betrachtet und die bemessungstechnische Anwendbarkeit entsprechend der DASt-Richlinie 026 unter Betriebsbeanspruchung überprüft. Die Ermüdungsbemessung des Eisenbahnbrückentyps Dickblech-Trogbrücke wird sowohl auf der Widerstandsseite als auch auf der Einwirkungsseite detailliert betrachtet. Umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen zum Kerbdetail der querbiegebelasteten Doppelkehlnaht führen zur differenzierten Einstufung dieses Schweißdetails. In Hinblick auf die Verwendung des Schweißdetails bei diesem speziellen Brückentyp mit dicken Blechen wird der Maßstabseffekt identifiziert und darüber hinaus die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit durch eine HFH-Anwendung untersucht. Weiter werden mit Abwicklung der Trogbrückenversuche und einem entsprechenden numerischen Modell der Versagensmodus des gesamten Brückentyps detailliert beschrieben und kritische Stellen identifiziert. Hinsichtlich der kritischen Schweißdetails werden Empfehlungen zur Ermittlung der Bemessungsspannungen mithilfe von Grenzbetrachtungen gegeben. Abweichend von aktuellen Regelungen wird für das kritische Kerbdetail eine Überlagerung der einzelnen gleichzeitig einwirkenden Spannungskomponenten als Hauptspannungsbetrachtung empfohlen.
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Buckling behaviour of unstiffened and stiffened steel plates under multiaxial stress states
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2016) Zizza, Antonio; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Modern steel constructions such as long span bridges are characterised by slender plated structures and the optimisation of their fabrication. Since often several internal forces act at the same time on the cross-section, very complex multiaxial stress states may develop. The aim of this work is to investigate the buckling behaviour of unstiffened and stiffened steel plates under several load combinations and especially to analyse the inﬂuence of tensile stresses. As in EN 1993-1-5 according to the reduced stress method multiaxial stress states are already considered in the determination of the single plate slenderness, this theoretically allows for taking into account the positive effect of tensile stress on the buckling behaviour. However, only few studies looked at this effect until now and systematic investigations are missing, so that this work clarifies this open issue. Experimental investigations on stiffened and unstiffened steel plates are conducted showing the buckling behaviour under several multiaxial stress states, which are observed also for the numerical investigations. The validated numerical models are used for the realisation of studies including the variation of a wide range of parameters by the multi-purpose code ABAQUS considering the interaction cases tension-compression, tension-shear, compression-shear and bending-shear on unstiffened plates as well as biaxial compression on stiffened plates. Based on the presented parametric study a new proposal is developed and compared to the numerical results showing good agreements for the investigated load cases justifying the utilisation of positive effects from tensile stresses and an improvement of the interaction considering bending-shear. The outcomes of this work allow the consideration of tensile stresses for the design of plated structures and is in full accordance with the principles of the reduced stress method for the current design procedure in EN 1993-1-5. Furthermore, the numerical analyses highlight issues regarding the modelling and the realisation of buckling analyses using the Finite Element Method, especially in terms of initial imperfections.
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Ductility in timber structures - possibilities and requirements with regard to dowel type fasteners
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2020) Brühl, Frank; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der planmäßigen Berücksichtigung des duktilen Verhaltens von stiftförmigen Verbindungsmitteln in der Berechnung von Holztragwerken, mit dem Ziel plastische Gelenke im Holzbau planmäßig ausbilden zu können. Andere Werkstoffgruppen, wie beispielsweise der Stahlbau oder der Stahlbetonbau sowie der Verbundbau, haben bereits Regelwerke entwickelt, um die Vorteile des plastischen Verhaltens planmäßig zu nutzen. Die Notwendigkeit, das duktile Verhalten zuverlässig zu beschreiben und die Anwendbarkeit von Fließgelenken in Holzbau zu ermöglichen, ergibt sich direkt aus der derzeitig gültigen Bemessungsnorm im Holzbau EN 1995-1-1:2004. Diese lässt Berechnungsmethoden unter dem Ansatz der Duktilität zu. Im Hinblick auf die Umsetzung der Berücksichtigung der Duktilität sind jedoch keine ausreichenden Angaben vorhanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde anhand der Sichtung von Versuchsergebnissen aus der Literatur eine Auswertung von verschiedenen Verbindungsmitteln hinsichtlich ihres duktilen Verhaltens durchgeführt, um eine erste Datenbasis zur Einstufung der einzelnen Verbindungsmittel zu schaffen. Dabei wurden unterschiedliche Bewertungsverfahren herangezogen, um das duktile Verhalten einzuordnen. Diese wurden im Rahmen dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit beurteilt. Die Auswertung der Daten zeigt eine große Varianz der einzelnen Verbindungsmittel. Stabdübelverbindungen ohne jegliche Verstärkungsmaßnahmen können eher als spröde eingestuft werden. Verstärkte Stabdübelverbindungen zeigen hingegen ein ausgeprägtes duktiles Verhalten. Innerhalb der Auswertung der bereits durchgeführten Versuche aus der Literatur konnte festgestellt werden, dass einige Versuche nur bis zu einer Verschiebung von 15 mm entsprechend DIN EN 26891:1991-07 durchgeführt wurden. Dies führt zu einem Informationsverlust hinsichtlich der Bestimmung der Duktilität der Verbindung, da über das Verhalten nach 15 mm in diesen Fällen keine Aussagen getroffen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher gezielt Versuche an verstärkten Stabdübelverbindungen durchgeführt. Dabei wurde sowohl die Anzahl der Stabdübel als auch ihre Anordnung variiert. Um die Duktilität und damit die Möglichkeit der Bildung von plastischen Gelenken zu untersuchen, wurden sowohl Komponentenversuche in Form von Zugversuchen als auch gesamte Trägerstöße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass beide Versuchsserien über ein ausgeprägtes duktiles Verhalten verfügen. Versuche an Stabdübeln mit einem Durchmesser von 7 mm zeigen aufgrund der Verstärkungsmaßnahme durch selbstbohrende Holzschrauben eine Wiederverfestigung. Um das Momenten-Rotations Verhalten von Anschlüssen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln zu erfassen, wurde eine analytische Betrachtung durchgeführt. Diese beruht auf dem Komponentenmodell, das einzelne Traganteile eines Anschlusses als Federn abbildet. Die Ergebnisse des entwickelten Modells sind mit den Versuchsergebnissen verglichen worden. Nicht nur die maximale Tragfähigkeit sondern auch die Anschlussverformung wird durch das Modell verlässlich abgebildet. Um das Modell der Praxis zugänglich zu machen, wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung des Momenten-Rotations Verhalten vorgestellt. Eine der wichtigsten Forderungen beim Einsatz von plastischen Gelenken im Holzbau ist, dass kein sprödes Holzversagen eintritt, bevor sich ein Fließen des Gelenkes eingestellt hat. Um dies zu gewährleisten, wurde ein Überfestigkeitsfaktor mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation ermittelt, der eine Mindesttragfähigkeit des spröden Holzelements in Anlehnung an das einwirkende Biegemoment durch den Anschluss bestimmt. Dieser Überfestigkeitsfaktor wurde dabei in Abhängigkeit der Versagenskonsequenz ermittelt, so dass dieser Überfestigkeitsfaktor der jeweiligen Anwendung angepasst werden kann. Damit Schnittgrößen durch duktile Elemente innerhalb eines Tragwerks umgelagert werden können, wurden abschließend analytische Untersuchungen zu Mindestanforderungen an die Anfangssteifigkeit von duktilen Elementen an Mehrfeldträgern durchgeführt. Der Ansatz zeigt, dass es unumgänglich ist, eine Mindeststeifigkeit des Anschlusses zu fordern, da bei einer zu geringen Steifigkeit ein Holzversagen außerhalb des Anschlussbereichs, z.B. in Feldmitte eintreten kann, bevor es zu einem Fließen des plastischen Gelenkes kommt. Die Mindeststeifigkeiten wurden dabei für ausgewählte Fälle bestimmt. Damit ist es möglich, das plastische Verhalten von Anschlüssen in Anlehnung an die Forderungen der derzeit gültigen Bemessungsnorm EN 1995-1-1:2004 zu formulieren, so dass plastische Gelenke im Holzbau und damit deren Vorteile im Hinblick auf Tragfähigkeit und Robustheit genutzt werden können.
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Einfluss der Verdübelung auf das Trag- und Verformungsverhalten von Verbundträgern mit und ohne Profilblech
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2019) Eggert, Florian; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
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Einfluss des Kaltumformens und Schweißens auf die Materialzähigkeit von Baustahl
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2019) Kudla, Konrad; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Blechen oder Flachstählen Profile jeglicher Art durch Kaltumformen hergestellt werden. Das Kaltumformen kann z.B. an Blechen durch Schwenk- oder Gesenkbiegen ausgeführt werden. In der Serienfertigung werden z.B. Trapezbleche oder auch Stangenprofile durch Kaltwalzen profiliert. Das Kaltumformen hat neben der industriellen Serienfertigung auch in der handwerklichen Einzelteilfertigung einen hohen Stellenwert, um Blechteile zu formen. Durch das Kaltumformen wird der Stahl im Bereich des Biegeradius auf der Außenseite gestreckt und auf der Innenseite gestaucht. Durch die plastischen Dehnungen und das damit verbundene zeitgleiche Fließen des Werkstoffes im Bereich des Biegeradius entstehen Gefügeveränderungen im Stahl. Eine der häufigsten Fügemethoden im Stahlbau ist das Lichtbogenschweißen. Beim Schweißen werden die zu verbindenden Bauteile im Bereich der Fügestelle örtlich aufgeschmolzen. Durch einen ebenfalls aufgeschmolzenen Schweißzusatzwerkstoff wird der Bereich zwischen den Bauteilen aufgefüllt. Nach dem Abkühlen der örtlichen Schmelze (Schweißnaht) sind die Bauteile starr miteinander verbunden. Durch das örtliche Aufschmelzen des Stahls und das Anschmelzen der Randbereiche in der Wärmeeinflusszone (WEZ) wird der Stahl im Bereich der Schweißnaht und den angrenzenden Bereichen mit unterschiedlichen Aufheiz-, Halte- und Abkühlzyklen thermisch beansprucht. Die beiden Verfahren, Kaltumformen und Schweißen, treffen aufeinander, wenn kaltumgeformte Bauteile im Bereich der Kaltumformung zusammengefügt werden. Da sich in diesem Bereich aus beiden Verfahren Einflüsse auf das Gefüge des Stahls überlagern, ist davon auszugehen, dass in diesem Bereich die Materialzähigkeit abnimmt. Eine verminderte Materialzähigkeit und die Kerbe aus einer Schweißnaht sind zwei Komponenten, die einen Sprödbruch hervorrufen können. Um das Sprödbruchproblem und das damit einhergehende schlagartige Versagen im Stahlbau zu vermeiden, gibt es neben den Regelungen für die Materialwahl auch für das Schweißen im kaltumgeformten Bereich besondere Vorgaben. In der aktuellen europäischen Norm für die Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten DIN EN 1993-1-8 [13] ist das Schweißen im kaltumgeformten Bereich geregelt. Durch diese Regelung wird das Schweißen im kaltumgeformten Bereich pauschal für alle im Stahlbau verfügbaren Stähle gleich geregelt. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird der Stand der Wissenschaft und Technik in Bezug auf die Zähigkeit von Stahl und die Einflüsse auf die Zähigkeit durch Kaltumformen und Schweißen erarbeitet. Im Weiteren werden die aktuellen Regelungen und deren Hintergründe zur Vermeidung der Sprödbruchproblematik im Stahlbau erläutert. Abschließend wird der aktuelle Stand der Technik beim Schweißen im kaltumgeformten Bereich dargestellt. Um weitere Erkenntnisse an unlegierten Baustählen zu gewinnen, wurde ein Versuchskonzept erarbeitet, das die Einflüsse auf die Werkstoffzähigkeit aus der durch Kaltumformen und Schweißen hervorgerufenen Wechselwirkung untersucht. Das Versuchskonzept sieht im ersten Schritt vor, dass die Materialzähigkeit an Kerbschlagbiegeproben untersucht wird, an denen die Einflüsse aus Kaltumformen und Schweißen simuliert wurden. Im zweiten Schritt wurden Bauteilversuche geplant, durch die das reale Materialverhalten bei tiefen Temperaturen abgebildet wird. Für beide Versuchsserien wurden Bleche aus S355J2 ausgewählt. Es wurden Bleche t = 8 mm und t = 16 mm untersucht. Bei der Auswahl der Bleche wurde je Materialstärke eine Blechtafel mit einer hohen Kerbschlagarbeit und eine Tafel mit einer niedrigen Kerbschlagarbeit gewählt. Während und nach der Herstellung der Versuchskörper wurden die fertigungsbedingten Materialveränderungen ermittelt. Während des Schweißens wurden durch Thermoelemente, die neben der Schweißnaht appliziert waren, Temperatur-Zeit-Verläufe ermittelt. Die plastischen Dehnungen an der Außenseite der Versuchskörper wurden nach dem Kaltumformen an einem signierten Raster ermittelt. Zur Charakterisierung der in den Versuchen eingesetzten Stählen wurden umfangreiche Versuche gefahren, um die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Untersuchungen wurden am Grundmaterial, am kaltumgeformten und geschweißten Blech durchgeführt. Zur Ermittlung der Werkstoffzähigkeit wurden Kerbschlagbiegeversuche an Proben durchgeführt, an denen die Fertigungseinflüsse simuliert wurden. Das Kaltumformen wurde durch Kaltrecken und der Einfluss der Schweißwärme durch Nachfahren eines Wärmezyklus auf einer Gleebelanlage simuliert. Durch diese Verfahren lagen in den Versuchskörpern homogene Dehnungen und homogenes Gefüge vor. Die Kerbschlagbiegeproben wurden aus Proben mit 5,10,15 und ca. 20 % Dehnung entnommen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch das Kaltumformen die Übergangstemperatur verschiebt. Die Verschiebung der Übergangstemperatur durch die Schweißwärme war hingegen sehr gering. In diesem Abschnitt werden auch umfangreiche Ergebnisse aus der Literatur dargestellt. Es wurden Ergebnisse aus Untersuchungen an Feinkornbaustählen und thermomechanisch gewalzten Baustählen aufbereitet und bewertet. Die Betrachtung der Ergebnisse zeigt, dass eine Verallgemeinerung der Verschiebung der Übergangstemperatur die positiven Einflüsse bei hochwertigen Baustählen vernachlässigt und dass bei unlegierten Baustählen die Verschiebung nur unzureichend durch die Ermittlung eines Wertes aus der 𝐾𝐾𝑉𝑉−𝑇𝑇 Kurve bewertet werden kann. Um das reale Verhalten von kaltumgeformten und geschweißten Bauteilen abzubilden, wurden eigene Bauteilversuche bei tiefer Temperatur an Versuchskörpern durchgeführt, bei denen durch Biegeumformen typische Dehnungsgradienten eingeprägt wurden. An den Prüfkörpern wurde im kaltumgeformten Bereich eine 2/3 X-Naht als Vollstoß ausgeführt. Nach dem Schweißen wurde in die Prüfkörper am Nahtübergang eine künstliche Kerbe eingeschliffen. Die Prüfkörper wurden so lange einer Ermüdungsbelastung ausgesetzt, bis am Kerbgrund ein scharfer Ermüdungsanriss eintrat. Im nächsten Schritt wurden die Versuchskörper heruntergekühlt und bei -30 °C mit einer quasi statischen Last bis zum Prüfkörperbruch belastet. Die Ergebnisse bestätigen die Ergebnisse aus den Kerbschlagbiegeversuchen und zeigen, dass bei Zunahme der plastischen Dehnungen durch einen kleineren Biegeradius die Sprödbruchgefahr steigt und die Materialzähigkeit abnimmt. Die Auswertung erfolgte über die Bruchflächen und die Bruchdehnung. Die Bauteilversuche bestätigen die Beobachtungen aus den Kerbschlagbiegeversuchen. Es zeigt sich, dass eine Abhängigkeit vom r/t-Verhältnis vorliegt und dass die durch das Kaltumformen beeinflusste Materialzähigkeit einen entscheidenden Einfluss auf das Bauteilverhalten hat. Im letzten Abschnitt wird die Entwicklung einer Werkstoffprüfung zur Charakterisierung der Werkstoffzähigkeit im kaltumgeformten und geschweißten Bereich dargestellt. Durch diese standardisierte Werkstoffprüfung wird es möglich, die Zähigkeitseigenschaften von Stahl durch einen Satz Kerbschlagbiegeversuche zu ermitteln, bei dem die negativen Einflüsse aus Kaltumformen und Schweißen mit abgebildet werden. Des Weiteren wird ein Vorschlag erarbeitet, wie dieser Versuch in die aktuellen Regelwerke integriert werden könnte. Somit besteht die Möglichkeit, auch beim Schweißen im kaltumgeformten Bereich eine Materialsortenwahl nach DIN EN 1993-1-10 durchzuführen, bei der die positiven Eigenschaften von hochwertigen Stählen berücksichtigt werden können. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung, in der die Ergebnisse der einzelnen Abschnitte zusammengeführt und bewertet werden. Anschließend wird die Übertragbarkeit in die Praxis erläutert und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.
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Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegblechen im Brückenbau
(2002) Günther, Hans-Peter; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Stahlträger mit schlanken Stegen haben im Verhältnis zu ihrem Eigengewicht eine sehr hohe Tragfähigkeit. Dies ermöglicht leichte und dadurch sehr wirtschaftliche Konstruktionen. Die Ausnutzung der hohen Tragfähigkeit ist jedoch mit großen Stegblechverformungen aus der Plattenebene verbunden. Bei wechselnder Belastung, wie dies besonders im Brückenbau der Fall ist, kommt es zu einem wiederkehrenden Ausbeulen der Stegbleche das als Stegatmen bezeichnet wird. Durch das Ausbeulen der Stegbleche können an den Schweißnähten entlang der Beulfeldränder Ermüdungsrisse entstehen, die zu einem vorzeitigen Ermüdungsversagen führen können. Die vorliegende Arbeit behandelt das Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegblechen im Brückenbau. Schwerpunkt dieser Arbeit sind Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an typischen Stahl- und Verbundbrücken unter stochastischer Beanspruchung aus Verkehr. Dabei werden die einzelnen Teilaspekte Verkehrsbelastung, Ermittlung der ermüdungsrelevanten Beanspruchung und Ermüdungsfestigkeit ausführlich behandelt. Durch umfangreiche Parameterstudien an unterschiedlichen Brückensystemen wird getrennt für Straßen- und Eisenbahnbrücken ein einfacher Bemessungsvorschlag abgleitet. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit wird die Ausnutzung der hohen Tragfähigkeit von Stahlträgern mit schlanken Stegblechen auch im Brückenbau ermöglicht.
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Kerven als Verbindungsmittel für Holz-Beton-Verbundstraßenbrücken
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2017) Kudla, Katrin; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
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Komponentenmethode für Ankerplatten mit Kopfbolzen unter einachsiger Beanspruchung
(2014) Rybinski, Markus; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Im Stahl- und Verbundbau hat sich das Komponentenverfahren zur Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens von Stahl- und Verbundanschlüssen durchgesetzt. Durch den modularen Aufbau erlaubt das Komponentenmodell eine einfache Anpassung oder Ergänzung einzelner Komponenten. Durch die Berechnung der Tragfähigkeit und der Steifigkeit des Anschlusses ist es auch möglich, den Anschluss als eigenes Bauteil in der Tragwerksberechnung zu berücksichtigen. Das Verfahren nutzt das plastische Tragverhalten und entsprechende Umlagerungsmöglichkeiten aus. Der Anwendungsbereich des Komponentenverfahrens ist aber bei Ankerplattenanschlüssen zwischen Stahl- und Massivbauteilen in der bisherigen Normung stark beschränkt, da vorausgesetzt wird, dass für das Befestigungsmittel Stahlversagen maßgebend wird. Die Bemessung von Ankerplatten erfolgt in der Befestigungstechnik meist mit elastischen Berechnungsverfahren, bei denen die Tragfähigkeit der Befestigungsmittel mit dem Concrete-Capacity-Verfahren ermittelt wird. Das für Verankerungen im unbewehrten Beton hergeleitete Bemessungsverfahren berücksichtigt Rückhängebewehrung nur unzureichend und weist besonders bei randnahen Verankerungen hohe Tragreserven auf. Es beinhaltet auch keine Anwendungsregeln zur Bestimmung der Steifigkeit und Verformung eines Anschlusses. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und numerische Untersuchungen an steifen und nachgiebigen Ankerplatten mit und ohne Rückhängebewehrung in randferner und randnaher Lage vorgestellt. Als Beanspruchung wurden sowohl Zug- wie Schubkräfte mit entsprechenden Exzentrizitäten untersucht. Ziel der Arbeit war es auch, das Komponentenmodell über die bisherigen Regelungen nach DIN EN 1993-1-8 um die „Betonkomponenten“ gemäß dem in der Befestigungstechnik verankerten CC-Verfahren zu erweitern. Auf Grundlage der Untersuchungen, den Bemessungsregeln des CC-Verfahrens und den aus der Literatur entnommenen Ansätze für die Tragfähigkeit der Rückhängebewehrung bei einem Betonausbruch wurde ein erstes Komponentenmodell für steife Ankerplatten entwickelt. Das Komponentenmodell wurde an verschiedenen Versuchsreihen verifiziert und liefert insgesamt eher konservative Werte. In der Arbeit wird u.a. auch eine Versuchsreihe an steifen und nachgiebigen Ankerplatten mit angeschweißten Kopfbolzen vorgestellt, die im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen gemeinsam durchgeführt wurde. Durch die Variation der maßgebenden Parameter wie Ankerplattendicke, Lastexzentrizität und Kopfbolzentyp wurden die Versagensarten Stahlversagen auf Schub/Querzug oder Zug, Fließen der Ankerplatte, rückwärtiger und kegelförmiger Betonausbruch erfasst. Bei dünnen Ankerplatten traten Fließgelenkzonen an den Plattenüberständen auf, die zwar die Beanspruchbarkeit des Anschlusses gegenüber steifen Ankerplatten deutlich begrenzten, jedoch auch zu einer Steigerung der Duktilität des Anschlusses führten. Durch die Implementierung des T-Stummel-Modells gemäß DIN EN 1993-1-8 und der Berücksichtigung der Komponentensteifigkeiten wurde das Komponentenmodell für steife und nachgiebige Ankerplatten erweitert. Dadurch kann nun die Anschlusssteifigkeit berechnet und die Duktilität des Anschlusses abgeschätzt werden. Während für die Zug- und Druckkomponenten einer randfernen Ankerplatte ohne Rückhängebewehrung in der Literatur geeignete Modelle zur Beschreibung des Tragverhaltens von Einzelkomponenten zur Verfügung standen, fehlten bei der Komponente des Kopfbolzens unter Schub/Querzug ein geeigneter Ansatz unter Berücksichtigung einer gleichzeitig wirkenden Bolzennormalkraft. Hier wurde aus der Literatur ein Modell für Ankerschrauben mit einer Mörtelschicht für einen ersten Ansatz genutzt, das eine Abschätzung der Schubsteifigkeit im untersuchten Parameterbereich erlaubte. Der in der Arbeit entwickelte Berechnungsablauf, basierend auf zwei unabhängigen Federsystemen für die Vertikalkomponenten aus Normalkraft und Moment und für die Horizontalkomponenten aus der Schubkraft und die jeweils zugehörigen Gleichgewichtsbedingungen, erlaubt die Berechnung von Moment-Rotations-Kurven und Lastverschiebungskurven von Ankerplatten mit angeschweißten Kopfbolzen, so dass die vollständige Anschlusscharakteristik nun darstellbar ist. Durch die im Rahmen dieser Arbeit erfolgte Weiterentwickelung des Komponentenmodells wird die Möglichkeit der Anwendung des Komponentenverfahrens nach DIN EN 1993-1-8 auf Ankerplatten mit Kopfbolzen, bei denen ein Betonversagen maßgebend werden kann, ausgeweitet. Durch den elementaren Aufbau des Komponentenmodells steht außerdem ein einfach anpassbares und zukünftig erweiterbares Verfahren zur Verfügung.
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Modeling the long-term behavior of structural timber for typical serviceclass-II-conditions in South-West Germany
(2010) Schänzlin, Jörg; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Creep deformation influences the serviceability limit state as well as the ultimate limit state of timber structures. In order to consider this time-dependent behavior, creep coefficients and rheological models have been developed by various researchers. Comparing the rheological models, quite different temporal deformations are evaluated for a duration of load of 50 ears. In order to find the model, which is most suitable to the situation in the region of Tübingen, South-West Germany, the existing deformations of several beams in roof structures in opened, protected but not heated buildings are measured. By loading the structure the elastic global stiffness of the particular element is determined. So creep coefficients can be evaluated, which should have been used by the engineer in order to get the existing deflection fter 50 years. Within the region of Tübingen, on average a creep coefficient of 2.23 was found based on these measurements. However, the standard deviation of 0.97 is quite large. For the numerical evaluation of the time-dependent behavior Toratti’s model is modified, so that it matches the measured deformations. This modified model is verified by an additional set of measurements in the region of Breisgau-Hochschwarzwald, where the influence of the snow on the creep coefficient has to be taken into account. However, the application of the modified model takes too much time due to the numerical solutions of the single time steps. By means of a case study, functions are fitted to the results of the models in order to develop “simple” functions for the determination of the creep coefficient with respect to the main influences. The creep deformation influences the ultimate limit state especially in composite structures or elements subjected to compression. For this reason, the influence of the increased creep strain is approximated for columns, in order to reach the same safety level as proposed in the current regulations in DIN 1052. Additionally, the design procedure for timber-concrete-composite structures is modified in order to consider the increased creep coefficients.
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Querkrafttragfähigkeit zugbeanspruchter Stahlbetonplatten in Verbundbrücken
(2003) Ehmann, Jochen; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Im Verbundbau aus Stahl und Beton können in der Betonplatte bereichsweise oder über die gesamte Länge des Trägers Zugnormalkräfte auftreten, die weit größer sind als die Zugnormalkräfte in reinen Stahlbeton- bzw. Spannbetonbauwerken. So ist die in Längsrichtung nicht vorgespannte Fahrbahnplatte einer Stabbogenverbundbrücke oder die Betonplatte über der Stütze von Durchlaufträgersystemen i. A. schon im Gebrauchszustand fast vollständig gerissen. Über diese Risse hinweg müssen Querlasten wie beispielsweise die Radlasten des über die Fahrbahnplatte rollenden Verkehrs abgetragen werden. Die Tragfähigkeit von „gezogenen“ Platten ohne Querkraftbewehrung unter Querbelastung wurde bislang nicht umfassend untersucht. Für die Bemessung wird i. A. eine Gleichung verwendet, die für die Ausnutzung der tragfähigkeitssteigernden Wirkung einer Längsdruckkraft z. B. aus Vorspannung bestimmt wurde. Diese Arbeit hat zum Ziel die Querkrafttragfähigkeit infolge Zugbeanspruchung gerissener Verbundplatten umfassend zu untersuchen. Dazu werden zuerst Versuche anderer Forscher in diesem Themenbereich analysiert sowie einige Modelle zur Querkraftabtragung auf ihre Anwendbarkeit für Stahlbetonplatten mit Längszugkräften überprüft. Eigene Versuche, die im Zusammenhang mit dieser Arbeit durchgeführt wurden, werden beschrieben und ausgewertet. Ein numerisches Modell auf der Grundlage der Methode der Finiten Elemente wird durch Versuchsergebnisse verifiziert und zur Untersuchung verschiedener Einflussparameter auf die Querkrafttragfähigkeit verwendet. Ein mechanisches Modell wird entwickelt, das den Versagensmechanismus des Querkraftversagens bei gleichzeitiger Normalkraftbeanspruchung beschreibt. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit münden in einen Bemessungsansatz, der die Querkrafttragfähigkeit von Platten unter Längszug wirklichkeitsnah erfasst.
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Rahmenecken aus Holz mit eingeklebten Gewindestangen
(2002) Lippert, Peter; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Rahmenecken mit eingeklebten Gewindestangen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Rahmeneckverbindungen Vorteile im Hinblick auf Tragfähigkeit, Herstellung, Montage und Transport. Zur Umsetzung dieser Vorteile wird auf der Basis existierender Verbindungen mit eingeklebten Gewindestangen ein neuer Verbindungstyp entworfen, der einfach zu erstellen und schnell zu montieren ist. Er ermöglicht eine effiziente, rationale Fertigung und Errichtung von Tragwerken, da die Rahmenelemente einzeln auf die Baustelle transportiert und dort mittels stahlbaumäßiger Verbindungen schnell zusammengefügt werden können. Der Kraftfluß in dieser Verbindung wird untersucht und durch ein mechanisches Modell erfaßt. Für die Berechnung erforderliche Annahmen werden anhand von FE-Berechnungen festgelegt. Bauteilversuche an zwei Rahmenecken bestätigen die getroffenen Annahmen und das entwickelte mechanische Modell. Wird die Rahmenecke ausschließlich durch schließendes Moment belastet, kann die Druckkraft durch Kontakt übertragen werden. Eine Erhöhung des Querschnittes im Eckbereich durch Anordnung einer Voute verbunden mit einer Verstärkung des Druckbereiches kann die Querschnittsausnutzung der Rahmeneckverbindung auf 100% der Momententragfähigkeit des Rahmenquerschnittes steigern. Wird der durch eine Voute erhöhte Querschnitt durch ein öffnendes Moment belastet, erfolgt die Zugkrafteinleitung in den Querschnitt entlang des Voutenrandes, schräg zur Faser. Aus der Aufteilung der Kraft in Zug parallel und rechtwinklig der Faserrichtung resultiert unmittelbar Querzugversagen. Bei der Übertragung öffnender oder wechselnder Momente muß daher auf eine Voute verzichtet werden. Für den Nachweis des Holzquerschnittes am Ende der Gewindestangen ist die Kenntnis der Spannungsverteilung im Holz notwendig. Diese wird auf der Basis einer Parameterstudie mit einem dreidimensionalen numerischen Modell berechnet. Zur einfachen Anwendung wird die Lastausbreitung in Abhängigkeit verschiedener geometrischer Parameter und Materialkennwerte als Winkel zur Gewindestangenachse angegeben. Eingeklebte Gewindestangen können mit der in Arbeit befindlichen Neufassung der DIN 1052 eingesetzt werden. Ihre Verwendung wird die Optimierung bestehender wie auch die Entwicklung neuer Verbindungen ermöglichen und damit dem Holzbau weiteren Auftrieb geben.
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Randnahe Kopfbolzen im Brückenbau
(2015) Raichle, Jochen; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Kopfbolzen stellen ein bewährtes und wirtschaftliches Verbindungsmittel zwischen einem Bauteil aus Stahl und einem Bauteil aus Beton dar. Die randnahen Kopfbolzen weisen gegenüber dem häufigen Fall der randfernen Kopfbolzen einen geringen Abstand der Bolzenachse zur Betonoberfläche auf. Dadurch ergibt sich bei randnahen Kopfbolzen gegenüber randfernen Kopfbolzen ein geändertes Trag- und Ermüdungsverhalten der Verbundfuge, das insbesondere in Hinblick auf Ermüdung und damit der Anwendung im Brückenbau noch nicht vollständig geklärt war. Um die Erkenntnisse von randnahen Kopfbolzen an ebenen Stegblechen abzurunden, wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten unter Querschub durchgeführt. Es konnte ein erheblicher Einfluss des effektiven Randabstands auf die Ermüdungsfestigkeit beobachtet werden. Mit Hilfe der Versuchsauswertung und einer statistischen Auswertung konnten Wöhlerlinien hergeleitet und damit eine Bemessungsgleichung für randnah angeordnete Kopfbolzen an ebenen Stegblechen bereitgestellt werden. Zusätzlich konnten Aussagen zu einer Interaktion zwischen einer gleichzeitig wirkenden, ermüdungsrelevanten Längsschub- und Querschubbeanspruchung getroffen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu randfernen Kopfbolzen der Einfluss einer zyklischen Vorbelastung von untergeordneter Bedeutung auf die statische Resttragfähigkeit von randnahen Kopfbolzen unter einer Querschubbeanspruchung ist. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Anwendung von randnahen Kopfbolzen bei Verbundträgern mit trapezförmig gefalteten Stegen. Die experimentellen Untersuchungen unter einer Längsschubbeanspruchung haben gezeigt, dass eine zusätzliche Anordnung von Kopfbolzen einerseits zu einer Steigerung der Tragfähigkeit und andererseits zu einem günstigeren Last-Verformungsverhalten führen. Das beobachtete Last-Verformungsverhalten kann als duktil bezeichnet werden. Die Auswertung der Versuche und die umfangreich durchgeführten Finite-Elemente Berechnungen zeigen eine Vielzahl von unterschiedlichen Parametern, die die Beanspruchbarkeit der Verbundfuge beeinflussen. Sämtliche Maßnahmen, die ein Aufbiegen des Betongurts behindern, liefern einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Beanspruchbarkeit. Anhand der durchgeführten Versuche und der Finite-Elemente Berechnungen konnte sowohl das Tragverhalten umfassend beschrieben als auch eine Bemessungsgleichung für die Längsschubbeanspruchung der Verbundfuge, die die zahlreichen Parameter berücksichtigt, angegeben werden. Das Stegblech muss unabhängig davon mit der einwirkenden Schubkraft dimensioniert werden. Eine weitere Versuchsreihe an Körpern mit trapezförmig gekanteten Stegblechen wurde genutzt um Erkenntnisse zum Tragverhalten bei einer Querbiegebeanspruchung bei einem negativen Biegemoment zu erhalten. Auch bei dieser Beanspruchung führt die Anordnung von randnahen Kopfbolzen zu einer erheblichen Steigerung der Tragfähigkeit. Um ein duktiles Last-Verformungsverhalten und gleichzeitig eine hohe Beanspruchbarkeit zu erlangen, ist außerdem die Anordnung von Zulagebewehrung über dem Stegblech von Vorteil. Auch hier war es durch die Auswertung der Versuche und die zahlreichen Finite-Elemente Berechnungen möglich, eine Bemessungsgleichung für das Querbiegemoment bereitzustellen. Auch in diesem Fall kann das Stegblech außerhalb der Verbundfuge mit der einwirkenden Beanspruchung, hier dem negativen Querbiegemoment, dimensioniert werden. Erste numerische Berechnungen bei einer Querbiegebeanspruchung mit einem positiven Biegemoment zeigen das gegenüber einem negativen Biegemoment geänderte Tragverhalten auf.
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Robustheit von Stahl- und Verbundrahmen durch gezielte Knotenausbildung
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2019) Keller, Nadine; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
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Stabilität und Langzeitverhalten schlanker Brettschichtholzträger
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2022) Hofmann, Reiner; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Ausgehend vom Kippproblem nach Biegetorsionstheorie II. Ordnung wurden numerische Untersuchungen zum Torsionsmoment aus Kippstabilisierung und Modellrechnungen zum Kippen schlanker Brettschichtholzträger unter Berücksichtigung des Langzeitverhaltens durchgeführt. Für das Torsionsmoment aus Kippstabilisierung konnte ein Näherungsverfahren abgeleitet werden, das eine einfache und zuverlässige Bestimmung des Torsionsmoments ermöglicht. Zur Erfassung des Langzeitverhaltens beim Kippstabilitätsnachweis nach dem Ersatzstabverfahren konnte ein modifizierter Kippbeiwert hergeleitet werden.
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Stabilitätsverhalten von nicht-rechteckigen Beulfeldern und von ausgesteiften Beulfeldern unter mehrachsigen Beanspruchungen
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2024) Pourostad, Vahid; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Dissertation wurden experimentelle und numerische Untersuchungen von nicht-rechteckigen Beulfeldern und von ausgesteiften Beulfelder unter mehrachsigen Druckspannungen durchgeführt. Ziel dieser Dissertation und der Untersuchungen war es, neue Entwicklungen zu Beulnachweisen zu erarbeiten und die Ergebnisse in die zweite Generation von Eurocode 3 einfließen zu lassen. DIN EN 1993-1-5:2019 bietet zwei analytische Methoden zum Beulnachweis, zum einen die Methode der wirksamen Breiten und zum anderen die Methode der reduzierten Spannungen. Die Anwendung der Methode der wirksamen Breite nach dem aktuellen Stand von DIN EN 1993-1-5:2019 ist auf Beulfelder mit einem Winkel kleiner als 10° beschränkt. Für größere Winkel enthält DIN EN 1993-1-5:2019 keine klaren Regelungen. Es wurden experimentelle und numerische Untersuchungen an nicht-rechteckigen Beulfeldern durchgeführt. Das numerische Modell wurde durch die Nachrechnung der experimentellen Untersuchungen validiert. Nach einer umfangreichen numerischen Parameterstudie an unausgesteiften und ausgesteiften Beulfeldern wurden Bemessungsansätze als Vorschläge für die Bemessung von nicht-rechteckigen Beulfeldern entwickelt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf Beulfelder unter Schub (V), Biegung (M) und die Interaktion von Schub und Biegung und führten zu folgenden Empfehlungen. Im Falle eines nicht-rechteckigen Beulfeldes ist der Beulnachweis in zwei Querschnitten mit einem gewissen Abstand von beiden Enden des Beulfeldes durchzuführen. Die maßgebenden Querschnitte gelten auch für alle weiteren Nachweise wie den Nachweis der Längsspannungen, den Schubbeulnachweis und die M-V Interaktion. Die Beulfelder sind für die resultierenden Spannungen in einem Abstand von 0,5b1 vom Ende des Beulfeldes nachzuweisen. Dabei ist für b1 die kleineren Breite zu verwenden. Zusätzlich ist der Nachweis in einem Abstand von 0,5b2 oder 0,4a von der Seite mit der größeren Breite (b2) zu führen, wobei der maßgebende Querschnitt basierend auf dem größeren Verhältnis zwischen dem einwirkenden Biegemoment zur plastischen Biegebeanspruchbarkeit der Flansche bestimmt wird. Bei nicht-rechteckigen Beulfeldern können aufgrund der Beulfeldform und des geneigten Flansches die einwirkenden Schubkräfte infolge der Beanspruchungen im Flansch beeinflusst werden. Die Vorschläge für die Bemessung von nicht-rechteckigen Beulfeldern ermöglichen es, den Einfluss des Druckflansches auf die Schubkraft zu berücksichtigen und den Nachweis mit einer modifizierten Schubkraft zu führen. Im Zuge der Untersuchungen an nicht-rechteckigen Beulfeldern konnten die Anwendungsgrenze für die Methode der wirksamen Breiten nach DIN EN 1993-1-5:2019 auf Winkel zwischen 10° und 17,5° erweitert werden. Darüber hinaus befasst sich diese Dissertation mit der Interpolation zwischen knickstabähnlichem und plattenartigem Verhalten. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen konnte eine neue Interpolationsgleichung sowohl für unausgesteifte als auch für ausgesteifte Beulfelder abgeleitet werden. Nach einer Literaturrecherche und eigenen Berechnungen konnte festgestellt werden, dass die Interpolationsgleichung zwischen knickstabähnlichem und plattenartigem Verhalten in prEN1993-1-5:2021 bzw. DIN EN 1993-1-5:2019 für einige Randbedingungen und Spannungen keine zuverlässigen Ergebnisse liefert, vor allem wenn die kritischen Beulspannungen exakt bestimmt werden. Daher wurde auf der Grundlage einer umfangreichen Parameterstudie eine neue Interpolationsgleichung vorgeschlagen. Der Vorschlag wurde für entsprechende Randbedingungen sowohl für Längsspannungen als auch für Querspannungen formuliert. Ausgesteifte Beulfelder unter biaxialer Beanspruchung wurden untersucht. Das numerische Modell wurde auf der Grundlage der Versuchsnachrechnung validiert. Das validierte Modell wurde für die Parameterstudie von typischen Spannungszuständen von Bodenplatten und Stegblechen verwendet, bei der die Bodenplatten unter biaxialem konstanten Druck und die Stegbleche unter Biegung und einseitiger Querbelastung beansprucht werden. Nach DIN EN 1993-1-5:2019 muss die Torsionssteifigkeit der Längssteifen im Beulnachweis vernachlässigt werden. Um jedoch die günstigen Auswirkungen der Torsionssteifigkeit zu berücksichtigen, wurden neue Interpolationsgleichungen entwickelt, sodass die Torsionssteifigkeit der geschlossenen Längssteifen berücksichtigt werden kann. Hierfür wurden die numerischen Ergebnisse der ausgesteiften Beulfelder mit geschlossener Längssteifen unter reiner konstanter Längsspannung zugrunde gelegt. Zudem wurden Beulfelder unter reinem konstanten Querdruck untersucht. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag auf dem knickstabähnlichen Verhalten des Gesamtfeldes in Querrichtung unter Anwendung der Methode der reduzierten Spannungen. Es wurde festgestellt, dass in z-Richtung beim Gesamtfeldnachweis keine Interpolation zwischen plattenartigem und knickstabähnlichem Verhalten erfolgen sollte, da grundsätzlich immer knickstabähnliches Verhalten maßgebend ist. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass ein zusätzlicher Nachweis der Längssteifen nach Theorie II. Ordnung nicht erforderlich ist. Weiterhin wurden die Beulfelder unter gleichzeitig konstanter Längs- und Querspannungen unter Berücksichtigung der neuen Interpolationsfunktionen unter Anwendung der Methode der reduzierten Spannungen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Nachweisgleichung nach prEN1993-1-5:2021 die Tragfähigkeit von Beulfeldern bei gleichzeitig wirkenden Längs- und Querbeanspruchungen überschätzt. Es wurde ein Vorschlag ausgearbeitet, bei dem jede Spannungskomponente für Einzel- und Gesamtfelder unter biaxialer Druckbelastung einzeln nachgewiesen werden muss, damit die Spannungen aus den einzelnen Einwirkungen die Grenzspannungen nicht überschreiten. Beulfelder unter Biegung und einseitiger Querbelastung, wie sie zum Beispiel beim Einschieben von Brücken entstehen, wurden bei Anwendung der Methode der reduzierten Spannungen ebenfalls untersucht. Es wurde festgestellt, dass die einseitige Belastung in Querrichtung zusätzliche Längsspannungen verursacht. Diese zusätzlichen Spannungen müssen in der Nachweisführung berücksichtigt werden, um sichere Ergebnisse zu gewährleisten. Um diesen Effekt Rechnung zu tragen, wurden zwei Vorschläge ausgearbeitet. Vereinfacht wurde vorgeschlagen, den Schlankheitsgrad um den Faktor 1,3 für den Gesamtfeldnachweis zu erhöhen. Darüber hinaus wurde ein genauerer Ansatz entwickelt, bei dem die Interpolationsgleichung in x-Richtung für diesen Spannungszustand angepasst werden muss. Ferner muss die Knickkurve entsprechend angepasst werden, indem der Imperfektionskoeffizient erhöht wird. Der zusätzliche Nachweis der Längssteifen nach Theorie II. Ordnung ist ebenfalls nicht erforderlich, wenn die beiden oben genannten Vorschläge angewendet werden. Die Ergebnisse dieser Dissertation ermöglichen eine Erweiterung der Anwendungsgrenze für die Methode der wirksamen Breiten nach DIN EN 1993-1-5:2019 auf Winkel zwischen 10° und 17,5°. Darüber hinaus wird eine neue Interpolationsgleichung zur genaueren Bestimmung der Tragfähigkeit von Beulfeldern entwickelt. Diese Arbeit liefert eine klare Regelung für das knickstabähnliche Verhalten unter Querbelastung. Die neuen Entwicklungen für die Beulfelder bei einseitiger Querbelastung erlauben eine vereinfachte und sichere Bemessung für diesen komplizierten Spannungszustand. Alle Vorschläge wurden gemäß Anhang D in DIN EN 1990:2010 statistisch ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass bei der Anwendung der Vorschläge die erforderlichen Sicherheitsanforderungen von Eurocode erfüllt werden.