bis 2012 ab Winter 2014/15 - StahlbauverbandEntwicklungen zum Plattenbeulen / EN 1993-1-5 Anhang C Mitarbeit an der Europäischen Normung SC3 Tw8.3 Evolution Group EN 1993-1-5 Plated

29. Österreichischer Stahlbautag 6./7. Juni 2013, Perchtoldsdorf bei Wien

bis 2012

ab Winter 2014/15

derzeit

1


Mitarbeiter des Arbeitsbereiches

Melanie Tscharnig

Daniel Rubin (Univ. -Ass., PostDoc)

wissenschaftliche Mitarbeiter

(Sekretariat)

Robert Lang (Univ. -Ass., PhD Student)

Gerhard Lener

(Univ.-Prof., Arbeitsbereichsleiter)

Ralph Timmers (Univ. -Ass., PhD Student)

http://www.uibk.ac.at/stahlbau/

2


Schwerpunkte des Arbeitsbereiches

Betriebsfestigkeit und Bruchmechanik

Ermittlung der Gesamtlebensdauer von Metalltragwerken

offen für Fragen aus der Praxis

Softwareentwicklung für den Stahlbau

Bauteiloptimierung

Förderung der Verbundbauweise im Hochbau

Entwicklungen zum Plattenbeulen

3







Bauteiloptimierung



Mitarbeit an der Europäischen Normung

SC3 TC6 Evolution Group EN 1993-1-9 Fatigue

4


Betriebsfestigkeit

Berechnete Sicherheitsfaktoren gMf für 2.0 Mio und 100 Mio Lastwechsel

5


Bruchmechanik

Risswachstumsrate

mda C KdN

Parisgleichung (1963)

NASGRO-Gleichung

p

thn

q

max

C

K1

Kda 1 fC K

dN 1 R K1

K

6


Bruchmechanik

Globales Flächenmodel mit eingebautem Rissflächenbereich

Angerissenes Flächenmodell

Eingebaute Flächenmodelle in die bestehende Struktur

7


Bruchmechanik

Rissfortschrittsberechnung - Versteiftes Panel

8


Betriebsfestigkeit

Rissfortschrittsberechnung am Beispiel eines Brückenquerträgers

9







Bauteiloptimierung



10


Gesamtlebensdauer

AnrissfreiePhase

Rissbildungsphase Rissfortschrittsphase

Inbetriebnahme (Neuzustand ohne Fehler)

Inbetriebnahme (Neuzustand mit Fehler)

Technischer Anriss

Bruch oder Ausmusterung

Rissentstehung Mikroriss-wachstum

Makrorisswachstum

Lebensdauer bis zum techn. Anriss Restlebensdauer

Gesamtlebensdauer eines Bauteils

Klassische Betriebsfestigkeit Klassische Bruchmechanik

11


Gesamtlebensdauerberechnung

Rissfortschrittsrichtung

RAINFLOWCOUNTING

CRACK GROWTH LAW

12


Riss 1

Riss 2

Parallele, iterative Betriebsfestigkeits-

und Rissfortschrittsberechnung

Gesamtlebensdauerberechnung

13


Reparaturschweißungen

WP 4 Experimentelle Untersuchungen

1600kN Hydropulsmaschine der TVFA Innsbruck

Bauteilversuche am Probekörper V1

14




Results on sample V1:

cracks at welded flanges:

crack 1: 304.600 cycles (optical)

crack 2: 401.000 cycles (optical)

crack 3: 1.553.000 cycles (optical)

cracks on the welded web:

crack 1: 1.921.000 cycles (optical)

1.650.000 cycles (measured from strain gauge)

15




Parallele numerische Untersuchungen

16







Bauteiloptimierung (Formoptimierung)



17


Formoptimierung

Werkstoff: EN AC-42200 T6

Deckel

Gehäuse

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

v'M

ises

Sp

ann

un

g [%

]

Mas

se [

%]

Iterationen

Druckgussgehäuse

Spannung [%] Masse [%]

85%

18


Formoptimierung

5

,1

2 1 1 1

,2

180,5

153,6

k

a

a

N N N N

2,24

Erhöhung der ertragbaren Lastspielzahlen

19


Formoptimierung

Modifizierte Geometrie

Vergleich mit Ausgangsgeometrie

20

5

,1

2 1 1 1

,2

180,5

153,6

k

a

a

N N N N

2,24

Erhöhung der ertragbaren Lastspielzahlen







Bauteiloptimierung


Entwicklungen zum Plattenbeulen / EN 1993-1-5 Anhang C

Mitarbeit an der Europäischen Normung

SC3 Tw8.3 Evolution Group EN 1993-1-5 Plated structural elements

21


Plattenbeulen

Nachweis der Traglast nach dem Verfahren GMNIA

1. Linear Analysis (LA)

2. Linear Beulanalyse (LBA)

3. Traglastberechnung unter Ansatz von Imperfektionen und

Berücksichtigung der nichtlinearen Werkstoffeigenschaften (GMNIA)

LBA GMNIA

(Imperfektionen aus LBA)

LA

22


,ul o

c FEM

yf

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

c/

c,F

EM

Example

Ratio c /c,FEM

EN_rS EN eB

EN_eB …Methode der effektiven Breiten EN_rS …Methode der reduzierten Spannungen

c/c,FEM > 1 unsicher !!

Plattenbeulen mittels FEM

23


Plattenbeulen

24


Analytischer Fließlinien Mechanismus

Analytical roof-shaped mechanism for

Fig. 3: Roof-shaped mechanism zOut of Plane Displacement u [m]

/x yf

2 2

2 2

1 1

2 21 1 1x z z

y

d u d ub c c

f b d t d t b

b / t = 1000 / 13.5 = 74 < 100


25


Fig. 8: Plastic strains ~ Roof shaped mechanism. Fig. 9: Out of Plane Displacement.

Results from GMNIA Post Buckling behavior

Imperfections for GMNIA acc. to EC3 1,0 x Global (Mode 1) + 0,7 x Local (Mode 3)


26


Verification of FE-Results

Out of plane displacement uz [m]


27


Plattenbeulen zufolge Brandeinwirkung

28







Bauteiloptimierung (Formoptimierung)


Entwicklungen zum Plattenbeulen / EN 1993-1-5 Anhang C

29


Softwareentwicklung

Alpha_cr: Programm zur Ermittlung kritischer Laststeigerungsfaktoren (Eigenwerte) beliebig gelagerter Stäbe mit einfach symmetrischen Querschnitten

30


Alpha_cr : Ergebnismaske

Softwareentwicklung

31


Softwareentwicklung

SpdQ: Mathlab Programm zur Berechnung und Darstellung der Spannungsverläufe von dünnwandigen, offenen Stahlquerschnitten

32


Softwareentwicklung

SpdQ: Mathlab Programm zur Berechnung und Darstellung der Spannungsverläufe von dünnwandigen, offenen Stahlquerschnitten

33







Bauteiloptimierung



34



Brückenbau

Hochbau

35


Brückenbau

Hochbau

• Verbundbau ist etablierte Standardbauweise

• Verbundbau stellt vor allem für Planer oft noch Hürde dar!

WARUM???


36



Meinungsumfrage zu Verbundbau in Österreich 2013

• Befragung von ca. 400 Planern, Auftraggebern

und Ausführenden Firmen

• 21 Fragen

Bauherren 6%

Ingenieurkonsulenten

82%

Baufirmen 7%

Architekten 5%

37


Ja 77%

Nein 23%

Haben Sie schon einmal die Verbundbauweise angewendet?


38


Wenn sie die Verbundbauweise schon einmal angewendet haben, bei welchen Bauteilen?

Ja 49%

Nein 51%

Verbunddecken

Ja 17%

Nein 83%

Verbundknoten

Ja 25%

Nein 75%

Verbundstützen

Ja 57%

Nein 43%

Verbundträger


39


Halten Sie es für sinnvoll, mehr in Verbund zu bauen?

Nein, nicht 1%

eher Nein 3%

weiß nicht 41%

eher Ja 36%

Ja,sehr 19%


40


Welchen zusätzlichen Bedarf an Bemessungssoftware sehen Sie?

Verbunddecken 30%

Verbundträger 25%

Verbundstützen 22%

Verbundknoten 23%


41


Würden Sie es begrüßen, wenn mehr Weiterbildungsseminare im Bereich Verbundbau

angeboten würden?

Nein, nicht 3%

eher Nein 5%

weiß nicht 26%

eher Ja 34%

Ja,sehr 32%


42


Ergebnisse der Meinungsumfrage zu Verbundbau in Österreich 2013

• Einsatz der Verbundbauweise

• Literatur/Erläuterung zu Normen

• Bemessungssoftware

• Weiterbildungsveranstaltungen

Es besteht Bedarf an


43


Wie kann der Arbeitsbereich Stahlbau und Mischbautechnologie zur Förderung der Verbundbauweise

beitragen?





Skriptum „Verbundbau“ (EC4-konform) erhältlich beim Sekretariat des AB Stahlbau (ca. 300 Seiten)

www.uibk.ac.at/stahlbau


44


Wie kann der Arbeitsbereich Stahlbau und Mischbautechnologie zur Förderung des Verbundbaus

beitragen?






45


Bemessungssoftware

• Verbundstützen

• Verbundträgern

• Verbundknoten

Tools zur Bemessung von


46


Bemessungssoftware

• Verbundstützen

• Verbundträgern

• Verbundknoten

Tools zur Bemessung von M-N-Interaktionskurve von Verbund-I-Profilen

⟶ ab ca. August 2013 frei zum Download: www.uibk.ac.at/stahlbau

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000

0 500 1.000 1.500 2.000

A

B

C

D

N [kN]

M [kNm]

d

d

• um die y-Achse • um die z-Achse • Interaktion


47


Bemessungssoftware

• Verbundstützen

• Verbundträgern

• Verbundknoten

Tools zur Bemessung von

Elastisch-Plastische Bemessung von Verbundträgern

Mpl,Rd - Npl,Rd - Plastische Spannungsverteilung

Mpl,Rd - Spannungen Npl,Rd - Spannungen Geometrie

z[cm]

Lage_plastische_Nulllinie "im Steg des Baustahlprofils" Npl.Rd 10202.53 kN Md = 0

50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50

Plastische_Nulllinie

Schwerlinie_Verbund

fa.y fsd

50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50


Schwerlinie_Verbund

fa.y fsd

zpl.u 41.81 cm

x [cm] pl 1.238

80 72 64 56 48 40 32 24 16 8 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 800

8

16

24

32

40

48

56

64

72

80


Schwerlinie_Verbund

Symmetrieachse


48


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Daniel RUBIN Univ. Ass. Dipl.-Ing. Dr. techn.

Gerhard LENER Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn.

Fragen ?

49

Documents

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