Stabilitätsverhalten von nicht-rechteckigen Beulfeldern und von ausgesteiften Beulfeldern unter mehrachsigen Beanspruchungen

Abstract

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.