Bemessung von Leichtprofilen im Stahlbau

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1 Fachbereich Bauingenieurwesen konstruktiver Ingenieurbau Zusammenfassung der Diplomarbeit Sommersemester 2005 Autoren: Straube Martin Schmidt Günther Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Othmar Springer Zusammenfassung Seite 1 von 7

2 Diese Diplomarbeit gliedert sich grob in drei Teile: Der erste Abschnitt umfasst alle für die Herstellung von Kaltprofilen notwendigen Informationen, wie zum Beispiel geeignete Stahlsorten, Profilierungsmethoden, bauphysikalische Grundlagen und verschiedene Querschnittsformen. Im zweiten Teil werden die Bemessungsverfahren nach der DASt-Richtlinie 016 mit denen der DIN V ENV an Hand unterschiedlicher Tragwerksberechnungen erläutert. Den Abschluss bildet eine Software, mit dem handelsübliche Kaltprofile auf Grundlage der DASt-Richtlinie 016 bemessen werden können. Dieses Programm wurde in Microsoft Excel mit Visual-Basic-Elementen verwirklicht. 1. Einleitung Durch den Zusammenschluss einzelner europäischer Staaten zur Europäischen Union, wurde es für die Mitglieder des European Committee for Standardization (CEN) notwendig, eine technische Harmonisierung und einheitliche Normung innerhalb der Europäischen Union zu schaffen. So wird zur Bemessung von Stahlleichtprofilen in Deutschland als Ergänzung zur DIN Stahlbauten die DASt 016 Bemessung und konstruktive Gestaltung von Tragwerken aus dünnwandigen kaltgeformten Bauteilen und speziell für Stahltrapezprofile die DIN verwendet. Mit der Fertigstellung des Eurocodes 3 Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten und dem Teil 1-3 Ergänzende Regeln für kaltgeformte dünnwandige Bauteile und Bleche durch die Kommission der Europäischen Gemeinschaften (KEG) und der Veröffentlichung am 02. Juni 1993 durch das Europäische Komitee für Normung (CEN) wurde nun eine europäische Vornorm - DIN V ENV probeweise zur Anwendung freigegeben. Auf Grund dieser Vornorm haben die nationalen Normungsinstitute der einzelnen Länder ein nationales Anwendungsdokument (NAD) ausgearbeitet, um den Einsatz des Eurocode 3 zu ermöglichen. Zusammenfassung Seite 2 von 7

3 2. Herstellung Seit etwas mehr als 60 Jahren hat sich das Bauen mit dünnwandigen, kaltgeformten Stahlprofilen etabliert und ausgebreitet. Dünnwandige Bauteile sind gekennzeichnet durch geringe Blechdicken und / oder große Breiten-zu-Dicken-Verhältnisse von Teilflächen. Einsatzbereiche von Leichtprofilen umfassen zum einen Pfetten, Riegel, Verbände und Kassetten für Dach - und Wandkonstruktionen und zum anderen Rahmen, Fachwerke und Schalen als Tragwerkskonstruktionen. Die Profilgestaltung von Leichtprofilen setzt sich aus einer Folge ebener Teilflächen zusammen, die am Anfang und am Ende der Abwicklung entweder ungestützt sind oder Abkantungen in Form von Lippen oder Bördeln aufweisen. Bei diesen Flächen treten unter Druckbeanspruchung Beulerscheinungen vor dem Erreichen der Streckgrenze auf. Eine höhere Sicherheit bezüglich örtlichem Beulens kann durch das Einprägen von Aussteifungen, in Form von Sicken oder Schrägsicken, erreicht werden. Mit zunehmender Schlankheit bekommt das örtliche Beulen im Bereich der Druckbeziehungsweise Biegedruckspannungen eine immer deutlichere Auswirkung auf das Tragverhalten. Nach dem Ausbeulen stellt sich ein so genannter Nachbeulbereich ein, der eine weitere Steigerung der Einwirkung erlaubt. Dies tritt vor allem bei zweiseitig gelagerten Teilflächen auf. Charakteristisch hierfür ist eine Umlagerung der konstanten in eine immer stärker werdende nichtlineare Spannungsverteilung mit einer Spannungskonzentration an den Rändern. Im Wesentlichen haben sich Kaltprofile aus drei Grundformen entwickelt: Bild 1: Grundformen a b c Bild 1a zeigt ein Winkelprofil, Bild 1b ein Z-Profil und Bild 1c ein C-Profil. Zusammenfassung Seite 3 von 7

4 Die jeweiligen Querschnitte lassen sich durch Veränderung ihrer Innenwinkel und Längen zu Sonderformen entwickeln: a b c d e Bild 2: Sonderformen von Kaltprofilen Bild 2a zeigt ein Z-Profil mit schrägen Lippen, Bild 2b ein Z-Profil mit gedrehtem Steg und schrägen Lippen, Bild 2c ein C-Profil mit doppeltem Versatz und die Bilder 2d und 2e zwei C-Profile für Traufpfetten. a b c d e Bild 3: hergestellte Kaltprofile Bild 3a zeigt ein Z-Profil mit Lippe, Bild 3b ein Kassettenprofil, Bild 3c ein Sigmaprofil mit Lippe, Bild 3d ein Hutprofil mit Lippe und Bild 3e ein ausgesteiftes Winkelprofil. Zusammenfassung Seite 4 von 7

5 Weiterhin wurden im ersten Abschnitt dieser Diplomarbeit folgende Punkte genauer ausgearbeitet: die chemischen Voraussetzungen des Ausgangsmaterials die Herstellung kalt- und warmgewalzter Stahlbänder der Korrosionsschutz (elektrolytische Verzinkung, Feuerverzinkung und organische Beschichtung) die Walz- und Abkantprofilierung diverse chemische Legierungs- und Begleitelemente im Stahl die bauphysikalische Grundlagen und Sicherheitsmaßnahmen (Brandschutz, Blitzschutz, Feuchteschutz, Wärmeschutz und Schallschutz) verschiedene Bauteilverbindungen (Schraub-, Niet-, Setzbolzen- und Schweißverbindungen) der Trapezstegträger U3. Unterschiede zwischen der DASt-Richtlinie 016 und Udem Eurocode 3 Teil 1-3 Bezüglich der Unterschiede zwischen der DIN Teil 2 und dem Eurocode 3 ist zu erkennen, dass die Regelungen in weiten Bereichen deckungsgleich sind. Differenzen betreffen vorrangig Detailnachweise als konzeptionelle Unterschiede. Wenn Kaltprofile durch Druckspannungen oder Schubspannungen beansprucht werden, sind sie beulgefährdet und es müssen entsprechende Nachweise geführt werden. Dabei werden die Konstruktionen in ebene Rechteckplatten aufgeteilt. Im Gegensatz zum Schalenbeulen bei gekrümmten Blechen spricht man vom Plattenbeulen. Der Begriff Platte kennzeichnet das Auftreten der Verformungen senkrecht zum Blech. Das Plattenbeulen ähnelt dem Biegeknicken von Stäben, so dass viele Parallelen hinsichtlich der Nachweisführung zu erkennen sind. Da Platten jedoch Flächentragwerke darstellen, ist das Tragverhalten natürlich unterschiedlich und somit wurden zahlreiche Nachweismethoden entwickelt. Die DASt-Richtlinie 016 als auch der Eurocode 3 Teil 1-3 verwenden die Nachweismethode der wirksamen Querschnitte. Hierbei werden druckbeanspruchte Querschnittsteile bereichsweise auf Grund ihrer Beulgefahr reduziert. Die Spannungen werden am wirksamen Querschnitt, das heißt nach Durchführung der Reduktionen, nach der Elastizitätstheorie berechnet, also unter Berücksichtigung wirksamer Querschnittswerte. Zusammenfassung Seite 5 von 7

6 4. Microsoft Excel Software DASt016 Wie oben bereits erwähnt, handelt es sich hierbei um ein Bemessungsprogramm für Leichtprofile auf Grundlage der DASt-Richtlinie 016. Die Dateigröße beträgt etwa 7,6 Megabyte und umfasst knapp 70 Tabellenblätter. Es wurde versucht, den Berechnungsalgorithmus der DASt-Richtlinie 016 möglichst detailgetreu, jedoch immer noch anwenderfreundlich umzusetzen. Folgende Profiltypen können bemessen werden: o C-Profile o U-Profile o Z-Profile o Winkelprofile Jeder der genannten Typen kann wahlweise mit oder ohne Aussteifungen in Form von Lippen, Bördeln, Sicken oder Versätzen eingegeben werden. Bild 4: graphische Darstellung der Eingabewerte eines Z-Profiles mit Lippe Bild 4 stellt einen Screenshot des Tabellenblattes Profilquerschnitt mit den Eingabewerten dar. Es können diverse Funktionen, wie zum Beispiel Drehung des Koordinatensystems in Richtung der Hauptachsen, Einheitsschubflüsse oder die Verwölbung angezeigt werden. Zusammenfassung Seite 6 von 7

7 Bild 5: graphische Darstellung der wirksamen Längen eines Z-Profiles mit Lippe Bild 5 stellt den selbigen Querschnitt als in Bild 4 mit den wirksamen Längen unter einer orthogonal auf die gedrehte z-hauptachse wirkenden Last dar. Die einzelnen Knotenpunkte, Querschnittswerte und Flächenwerte werden tabellarisch veranschaulicht. Zusammenfassung Seite 7 von 7