Zur Tragfähigkeit von druck- und biegebeanspruchten C-Profilen aus Stahl

Abstract

In der Baupraxis spielen C-Profile oder U-Profile aus Stahl eine große Rolle. Sie kommen im allgemeinen Hochbau beispielsweise als Wandriegel, Pfetten und Stützen von Stahlhallenbauten zum Einsatz und sind somit i. d. R. sowohl druck- als auch biegebeansprucht. Die Regelungen und Nachweiskonzepte in den maßgeblichen Stahlbaunormen DIN 18800 und Eurocode 3, insbesondere zur Stab- und Gesamtstabilität von Bauteilen unter Normalspannungen, sind weitestgehend durch Untersuchungen an I- und Kastenprofilen hergeleitet und verifiziert worden. Eine Übertragung und Überprüfung für davon abweichende Profilformen, im Speziellen für die hier behandelten C-Profile, existiert jedoch nicht. In der vorliegenden Arbeit wird ein geschlossenes, durchgängiges Bemessungskonzept vorgestellt, das es erlaubt, das Tragverhalten von Bauteilen mit C-förmigem Querschnitt ohne längsaussteifende Querschnittselemente unter Druck- und/oder Biegebeanspruchung wirklichkeitsnah zu beschreiben und rechnerisch zu erfassen. Dabei wurde der Betrachtung der auftretenden Stabilitätsprobleme, d.h. lokalem Plattenbeulen, globaler Stabstabilität und dem Zusammenspiel bei der einzelnen Stabilitätsprobleme besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Es wurden aktuelle Erkenntnisse aus Forschungen zur Querschnitts- und Stabtragfähigkeit im Bemessungsvorschlag integriert, sodass das reale Tragverhalten wirklichkeitsnah beschrieben werden kann und eine möglichst wirtschaftliche Dimensionierung der Bauteile erreicht wird. Grundsätzlich wurde Wert darauf gelegt, dass das Bemessungskonzept modular aus Einzelbausteinen zusammengesetzt wird, um die Grenzübergänge bei Wegfall eines Stabilitätseinflusses bzw. einer Beanspruchungskomponente konfliktfrei zu gewährleisten. Der Bemessungsvorschlag wurde als Handrechenverfahren auf Basis des in der Ingenieurpraxis etablierten Ersatzstabverfahrens formuliert, das die Vorteile einer effizienten Nachweisführung und der Möglichkeit der Ergebniskontrolle in einem guten Kompromiss miteinander verbindet. Zudem wurde darauf geachtet, dass die mögliche erreichbare Materialersparnis nicht durch einen erhöhten Rechenaufwand für den in der Praxis tätigen Ingenieur erkauft wird. Es wurden umfangreiche Berechnungshilfen rechnerischer und graphischer Art bereitgestellt, die trotz des mitunter komplexen Tragverhaltens eine einfache Rechnung von Hand erlauben. Die Güte des Bemessungskonzeptes wurde anhand einer umfangreichen Datenbasis aus numerischen und experimentellen Untersuchungen überprüft. Dabei ergab sich durchweg eine wirtschaftliche aber sichere rechnerische Prognose der Bauteiltragfähigkeiten.

Steel channel sections play an important role in building construction. They are commonly used as side rails, purlins and columns in industrial halls and thus are loaded by compression forces and bending moments. Especially for members susceptible to global buckling or coupled instabilities the design rules in the relevant codes DIN 18800 and Eurocode 3 have been developed for and verified by research on I-shaped or hollow sections. For deviant shapes, particularly the regarded channel sections, a transfer or verification of these design concepts does not exist. In this thesis a comprehensive design method is presented, allowing to describe the load-carrying behavior of channel-shaped members without longitudinal stiffeners in compression and/or bending realistically. Special attention has been paid to the regards of stability problems, i.e. local and global buckling as well as a combination of both, the so-called coupled instability. Current results from research considering the cross-sectional and member ultimate loads have been accounted for and included in the design proposal so that the load-carrying behaviour can be characterised realistically and an economic dimensioning of the members can be achieved. Basically, importance has been attached to the modular composition of the design method in order to ensure the border crossings in case of lapse of one stability-influence or component of loading in an accurate way. The design concept has been drafted for hand-calculation on the basis of the wellestablished "simplified design formulae", which combines the advantages of an efficient design and a simple possibility of traceability. In particular, one basic objective of the design proposal is that the potential saving of steel tonnage is not gained by an increase of effort in the calculation done by the practical engineer. Therefore, comprehensive design aids in the form of formulae and graphs have been provided which allow simple calculation by hand in spite of the complex load carrying behavior. The quality of the presented design proposal has been checked by the comparison of the calculations with an extensive database of experimental and numerical analyses. Thereby it can be found that the design concept consistently produces an economic but safe calculative prediction of the ultimate loads of channelshaped members in compression and/or bending.