02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access 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, ThomasThis 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.Item Open Access Analytical and numerical investigations on imperfection-sensitive timber members subjected to combined bending and axial compression(2021) Töpler, Janusch; Kuhlmann, UlrikeThe 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.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access Buckling resistance of longitudinally stiffened panels with closed stiffeners under direct longitudinal stresses(2022) Pourostad, Vahid; Kuhlmann, UlrikeThe 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.Item Open Access Buckling resistance of stiffened panels subjected to constant transverse compression stresses(2023) Pourostad, Vahid; Kuhlmann, UlrikeIn 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.Item Open Access Composite bridges with cracked concrete deck spanning between transverse beams under fatigue shear loading(2023) Stempniewski, Lena; Kuhlmann, UlrikeFor 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.Item Open Access Design of adhesively bonded timber-concrete composites : bondline properties(2023) Grönquist, Philippe; Müller, Katharina; Mönch, Simon; Frangi, AndreaItem Open Access Doktorandenkolloquium Holzbau Forschung + Praxis : Stuttgart, 18. + 19. März 2024(2024) Kuhlmann, Ulrike; Grönquist, Philippe; Tapia, Cristóbal; Buchholz, LeaItem Open Access 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.Item Open Access 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.)Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen von Brettschichtholz aus Buchen-Furnierschichtholz (BauBuche)(2022) Töpler, Janusch; Kuhlmann, UlrikeIm 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.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Einfluss von Stegöffnungen in torsionsbelasteten Kastenträgern(2024) Meusburger, MichaelDie Hauptträger der Traggerüste von Seilbahnstationen sind aufgrund der Torsionsbeanspruchungen als geschweißte Kastenträger ausgeführt. Konstruktiv werden vielfach Öffnungen in den Kastenträgern benötigt, welche rechnerisch nur unzureichend berücksichtigt werden. Mit der Einführung der zweiten Generation von Eurocodes soll mit dem Eurocode 3 Teil 1-13 auch ein Regelwerk für die Bemessung und Konstruktion von Trägern mit großen Stegöffnungen eingeführt werden. Der Entwurf dieser Norm beinhaltet Regeln zur Bemessung von I- und H-Profilen mit Stegöffnungen, jedoch ist eine Anwendung für Kastenträger im vorliegenden Entwurf nicht vorgesehen. Des Weiteren wird die Berücksichtigung von Öffnungen in Stabwerksprogrammen äußerst konservativ gehandhabt. Bei der Modellierung von einem Kastenträger mit Öffnungen in einem Stabwerksprogramm erfolgt die Berechnung der Torsionstragfähigkeit als Tragfähigkeit zweier offener C-Querschnitte. Aufgrund der angeführten Gründe zielt die vorliegende Masterarbeit darauf ab das Tragverhalten von geschweißten Kastenträger mit Öffnungen unter Torsionsbeanspruchung zu untersuchen. Für die Analyse des Tragverhaltens wurde eine Kleinserie an Modellträgerversuchen durchgeführt. Ziel dieser Versuche war zum einen der Aufbau eines grundlegenden Verständnisses für das Verhalten der unterschiedlichen Öffnungsgeometrien bzw. -anordnungen und für die verschiedenen Versagensmechanismen. Zum anderen dienten die Versuchsergebnisse ebenso zur Validierung der im Anschluss an die Durchführung der Versuche erstellten numerischen Modelle. Die Gegenüberstellung der Last-Verformungskurven und der zugehörigen Traglasten, Versagensarten sowie der Dehnungen ergab eine hohe Übereinstimmung, wodurch die Plausibilität des Simulationsmodells bestätigt wurde. Um die Datenbasis zu erweitern und die Einflüsse einzelner Parameter näher zu untersuchen, wurde mit dem validierten Modell eine Parameterstudie durchgeführt. Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche und numerischen Berechnungen zeigen, dass die Tragfähigkeiten von Kastenträgern wesentlich höher liegen, als bei der Annahme eines zweiteiligen offenen Querschnitts an der Stelle der Öffnung. Um diese Erkenntnisse in die Praxis zu transferieren, wurde abschließend ein einfacher analytischer Ansatz entwickelt, dessen Anwendung brauchbare Ergebnisse über alle Modelle der Parameterstudie zeigte.Item Open Access Fatigue of welded tubular K‐joints made up of circular hollow sections(2022) Kuhlmann, Ulrike; Dürr, André; Bove, Simon; Roth, Jakob; Knecht, WigandThis 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.