02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Konstruktion und EntwurfAuthor: search.filters.author.Jörg, Fabian

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    Update on the revision of Eurocode 3 : evolution by improvement and harmonization
    (2021) Kuhlmann, Ulrike; Schmidt‐Rasche, Christina; Jörg, Fabian; Pourostad, Vahid; Spiegler, Jennifer; Euler, Mathias
    This paper provides an overview of recent work regarding the revision of Eurocode 3 on the European level. Selected scientific and technical issues are described and there is a summary of the activities executed within European Standardization Committee CEN/TC250/SC3 ”Design of Steel Structures“ chaired by Prof. Dr.‐Ing. Ulrike Kuhlmann. This includes the description of current normative developments for the 2nd Generation of Eurocodes, which aim at evolution through improvements and harmonization of the existing codes. In addition, a technical review of selected rules is given for several issues, which support the code revision and reflect well the recent tendencies in steel structures.
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    Structural member stability verification in the new part 1‐1 of the second generation of Eurocode 3 : part 1: evolution of Eurocodes, background to partial factors, cross‐section classification and structural analysis
    (2020) Knobloch, Markus; Bureau, Alain; Kuhlmann, Ulrike; da Silva, Luís Simões; Snijder, Hubertus. H.; Taras, Andreas; Bours, Anna‐Lena; Jörg, Fabian
    This two‐part article gives an overview of the developments of the structural member verification in prEN 1993‐1‐1:2020 “Eurocode 3: Design of steel structures - part 1‐1: General rules and rules for buildings”, one of the second generation of Eurocodes. These developments were undertaken by Working Group 1 (WG1) of Subcommittee CEN/TC250/SC3 and by Project Team 1 (SC3.PT1) responsible for drafting the new version of EN 1993‐1‐1. In the past, WG1 collected many topics needing improvement, and the systematic review conducted every five years also yielded topics needing further development. Based on this, the current version of EN 1993‐1‐1 has been developed into a new draft version prEN 1993‐1‐1:2020 enhancing “ease of use”. The technical content of this new draft was laid down at the end of 2019. Many improvements to design rules have been established with respect to structural analysis, resistance of cross‐sections and stability of members. This two‐part article focuses on member stability design rules and deals with the basis for the calibration of partial factors, the introduction of more economic design rules for semi‐compact sections, methods for structural analysis in relation to the appropriate member stability design rules, new design rules for lateral torsional buckling plus other developments and innovations. This first part of the article primarily serves to explain the general background to the European Commission Mandate M/515 that led to the further evolution of the Eurocodes and to illustrate the developments in prEN1993‐1‐1:2020 that pertain to new material grades, partial factors, cross‐sectional classification and structural analysis. These form the necessary background to the changes to member buckling design rules, which are treated more specifically in the second part.
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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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    Structural member stability verification in the new part 1‐1 of the second generation of Eurocode 3 : part 2: member buckling design rules and further innovations
    (2020) Knobloch, Markus; Bureau, Alain; Kuhlmann, Ulrike; Simões da Silva, Luís; Snijder, Hubertus. H.; Taras, Andreas; Bours, Anna‐Lena; Jörg, Fabian
    This two‐part article gives an overview of the developments of the structural member verification in prEN 1993‐1‐1:2020 ”Eurocode 3: Design of steel structures - part 1‐1: General rules and rules for buildings“, one of the second generation of Eurocodes. These developments were undertaken by Working Group 1 (WG1) of Subcommittee CEN/TC250/SC3 and by Project Team 1 (SC3.PT1) responsible for drafting the new version of EN 1993‐1‐1. In the past, WG1 collected many topics needing improvement, and the systematic review conducted every five years also yielded topics needing further development. Based on this, the current version of EN 1993‐1‐1 has been developed into a new draft version prEN 1993‐1‐1:2020 enhancing ”ease of use“. The technical content of this new draft was laid down at the end of 2019. Many improvements to design rules have been established with respect to structural analysis, resistance of cross‐sections and stability of members. This two‐part article focuses on member stability design rules and deals with the basis for the calibration of partial factors, the introduction of more economic design rules for semi‐compact sections, methods for structural analysis in relation to the appropriate member stability design rules, new design rules for lateral torsional buckling plus other developments and innovations. This second part of the article is dedicated to illustrating the most relevant changes to member buckling design rules.
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    The simplified method of the equivalent compression flange : development based on LTB tests and residual stress measurements
    (2019) Schaper, Lukas; Jörg, Fabian; Winkler, Rebekka; Kuhlmann, Ulrike; Knobloch, Markus
    The method of the equivalent compression flange simplifies the verification of lateral torsional buckling of steel beams to flexural buckling of an equivalent part of the cross‐section that is in compression. The current simplified method is based on outdated normative rules and the design results may be both, uneconomic and non‐conservative. To remedy these shortcomings, the simplified method is modified based on the basic structural behaviour of steel beams taking into account the effects of material, cross‐sectional geometry and residual stresses. This paper presents a comprehensive experimental study on the lateral torsional buckling behaviour and residual stresses of welded doubly‐ and mono‐symmetric I‐shaped steel beams. Moreover, an improved simplified method of the equivalent compression flange is proposed for design purposes.