Masterarbeit – Normbasierte Überprüfung der elastischen Stabilität von Stahlbauteilen anhand der Finite-Elemente-Methode

Autor:          Kianush Akbarian, Dipl.Ing.

Betreuer:   Georg Fiedler, Dipl.-Ing.

                        Peter Siebenbäck, Dipl.-HTL-Ing.

                        Michael Stoschka, assoz.Prof.

Diese Arbeit untersucht die Auswirkung des Beulens und Knickens auf Walzprofile und Schweißprofile und die Tragfähigkeit von Stahlbauteilen. Die Studie ist in zwei Hauptthemen – beulgefährdete Bleche und knickgefährdete Stäbe – unterteilt. Dazu werden die in Europa bestehenden Normen EN 1993-1 (Eurocode 3) und EN 13001-3 (Kranbaunorm) verglichen.

Basierend auf den verwendeten Normen werden die Tragfähigkeit bzw. die Abminderung gegenüber den Streckgrenzwerten für eine Reihe von Konfigurationen auf Basis von linear-elastisch berechneten Ergebnissen und Gültigkeitsbereich für eine Festigkeitsbeurteilung unter Druckbeanspruchung, Biegebeanspruchung und ggf. kombinierter Beanspruchung ermittelt. Auch wird der Gültigkeitsbereich des linearen Berechnungsansatzes diskutiert.

Anschließend werden das Beulverhalten und das Knickverhalten der betrachteten Profile durch numerische Berechnung mit dem FEM-Programm „MSC-Patran/Nastran“ simuliert und mit den Berechnungsergebnissen der verschiedenen Normen verglichen. In der numerischen Simulationsstudie wurden die Schalen- und Balkenmodelle mit unterschiedlichen Belastungen und Randbedingungen aufgebaut und ausgewertet.

Der vorliegende erste Teil der Arbeit liefert eine simulationsbasierte Datenbasis für normgerechte Stabilitätsprobleme, die auf der Grundlage der normbasierten Lastfälle für Schalen- und Balkenmodelle abgeleitet wurden. Der Unterschied zwischen der Auslegung nach Norm- und den linear-elastischen FEM-Ergebnissen ist im Allgemeinen vernachlässigbar gering und die FEM-basierten Berechnungen liefern somit eine sehr gute Lösung. Anzumerken ist, dass die Auslegung nach Eurocode 3 die Lastfälle genauer berücksichtigt, da die Biegebeanspruchung in den Kranbaunormen (EN 13001-3) im Knickfall nicht berücksichtigt wird.

Der zweite Teil dieser Studie befasst sich mit Beulstabilitätsproblemen von dreiseitig und vierseitig gelenkig gelagerten Platten. Eine linear-elastische Beulsimulation wurde für kombinierte Beanspruchung (Druck und Biegung) aufgebaut. Das Tragverhalten dieser Bauteile und die Auswirkungen verschiedener Parameter wie Geometrie, Einspannung und Belastungsart wurden analysiert und parametrisierte Berechnungsansätze abgeleitet. Es wurde festgestellt, dass je dünner oder breiter die Platte ist, desto geringer wird die Tragfähigkeit und es erhöht sich der Auslastungsgrad. Die numerische Berechnung mittels finiter Elemente liefert im Vergleich zur Norm akzeptable Ergebnisse, wobei die Abweichungen darin begründet sind das Imperfektionen nicht berücksichtigt wurden.

Zusammengefasst kann die in dieser Aufgabenstellung verwendete Art der FE-Simulation sehr gut zur normgerechten Beurteilung von Beul- und Knicklastfällen verwendet werden.