02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Guidelines for a finite element based design of timber structures and their exemplary application on modelling of beech LVL(2023) Töpler, Janusch; Buchholz, Lea; Lukas, Julian; Kuhlmann, UlrikeDesign verifications of buildings are usually carried out supported by a finite element analysis (FEA), for which, however, there are only a few and almost exclusively non-binding application rules. Within the Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) at the University of Stuttgart, Guidelines for a Finite Element-Based Design of Timber Structures have been developed. The scope of the guidelines is daily engineering practice, expert engineering applications and product development and certification. Essential parts of the guidelines are design procedures, modelling (including geometrical, material and imperfection modelling), analysis, model verification and validation and design. The content and application of the guidelines are described and illustrated in this paper using two benchmarks. These two benchmarks, which are based on experimental investigations, deal with the elastic material modelling of glulam made of beech laminated veneer lumber (beech LVL) and dowel-type connections for beech LVL members. The experimental basis of the benchmarks is described. With the experiments for the benchmarks, all Poisson’s ratios and the complete elastic material stiffness matrix of beech LVL are determined by means of an optical measuring system. The experimentally determined stiffnesses of the investigated dowel-type connections in beech LVL are compared with normative values. Based on the experiments, a numerical model is developed in RFEM (Dlubal).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 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, MathiasThis 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.Item Open Access Finite element based design of timber structures(2023) Töpler, Janusch; Schweigler, Michael; Lemaître, Romain; Palma, Pedro; Schenk, Martin; Grönquist, Philippe; Tapia Camú, Cristóbal; Hochreiner, Georg; Kuhlmann, UlrikeItem Open Access Lateral torsional buckling of glulam beam-columns : axial compression and bending verification(2024) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike; Schänzlin, JörgItem Open Access 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, FabianThis 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.Item Open Access Zur Materialermüdung infolge Stegatmung(2000) Spiegelhalder, Ulrike; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Geschweißte Stahlträger mit schlanken Stegblechen haben im Verhältnis zu ihrem Eigengewicht eine sehr hohes Tragvermögen und ermöglichen sehr leichte und wirtschaftliche Konstruktionen. Unter Belastung verformen sich die schlanken Stegbleche aus ihrer Ebene heraus. Diese Beulverformungen haben keinen Einfluß auf die statische Grenztraglast des Trägers. Bei Stahlbrücken können die Stegblechverformungen jedoch nach genügender Anzahl von Überfahrten zu Ermüdungsrissen entlang der Schweißnähte und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Das Trag- und Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegen ist dargestellt und theoretisch und experimentell untersucht. Mit Hilfe der Erkenntnisse aus eigenen Ermüdungsversuchen an vier großen Stahlträgern werden umfangreiche numerische Parameterstudien durchgeführt. Schwerpunkte der Untersuchungen sind die Anfangsverformung der Stegbleche und die Belastung reine Biegung, reine Querkraft und die gemeinsame Wirkung von reiner Biegung mit Querkraft. Aus den Untersuchungsergebnissen wird ein Bemessungsmodell für rissefreie geschweißte Stahlträger mit schlanken Stegen unter häufig wiederholter Belastung abgeleitet.Item Open Access Design of adhesively bonded timber-concrete composites : bondline properties(2023) Grönquist, Philippe; Müller, Katharina; Mönch, Simon; Frangi, AndreaItem Open Access Guidelines for a finite element based design of timber structures(Stuttgart : University of Stuttgart, Institute of Structural Design, 2022) Töpler, Janusch; Kuhlmann, UlrikeItem 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.