Zum Biegedrillknicken von biegebeanspruchten I‐Profilen mit und ohne Voute

Abstract

Portal frame structures made of steel mostly comprise open, I-shaped, hot-rolled sections. Often the depth of the rafter is increased near the eaves by a haunch to approximate the load distribution. This design offers the economic advantage that a smaller section can be used for the largest part of the member. In the present study the stability behaviour of I-beams with and without haunches under bending is analysed. For this purpose, extensive analytical, numerical and experimental investigations taking into account the relevant parameters in building construction are carried out. For I-beams with variable cross-section design aids that help determining the elastic critical buckling moment Mcr are provided. These take into account that the section properties vary over the member length. For haunched members that consist of a continuous base profile and a cropped I-section welded underneath the effect of an additional third flange is included. With the help of experimental tests and numerical simulations, it is examined how the classification of haunched members can occur with respect to the standardized lateral torsional buckling curves in Eurocode 3-1-1. In an additional step, requirements concerning stiffness and arrangement of secondary members are derived that permit to rule out failure due to lateral torsional buckling if complied with. These will enable the engineer in daily practice to skip the complex lateral torsional buckling check and to utilise the full resistance of the cross section. Finally, extensive studies on the quality of discrete supports and the structural design of frame corners are performed that lead to the formulation of construc-tive rules for the dissolution of the overall structure into individual members. As the result, a consistent and thoroughly confirmed concept for the determina-tion of the moment resistance of I-beams with and without haunches by hand-calculation is presented. This complies with the design rules of Eurocode 3 and is based on the well-established design procedures involving stability checks of individual members. By providing easy-to-use design aids, the simple implementation and applicability in engineering practice can be ensured.

Rahmenartige Tragwerke aus Stahl werden überwiegend aus offenen, I-förmigen Walzprofilen hergestellt, wobei häufig in den hochbeanspruchten Rahmenecken durch Voutung der Profile eine Annäherung an den Beanspruchungsverlauf vorgenommen wird. Diese Konstruktionsweise bietet den wirtschaftlichen Vorteil, dass für den größten Trägerbereich ein statisch angepasstes Profil verwendet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Stabilitätsverhalten von biegebeanspruchten I-Profilen mit und ohne Voute grundlegend untersucht. Hierzu werden umfangreiche analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen unter Berücksichtigung der im Stahlhochbau relevanten Parameter durchgeführt. Für I-Profile mit veränderlichem Querschnitt werden Bemessungshilfen zur Bestimmung des idealen Biegedrillknickmomentes Mcr bereitgestellt. Diese berücksichtigen die über die Bauteillänge veränderlichen Querschnittswerte sowie gegebenenfalls die Wirkung eines zusätzlichen dritten Flansches bei gevou-teten Bauteilen, die aus einem durchlaufenden Grundprofil und einem daruntergeschweißten kupierten I-Profil bestehen. Mit Hilfe von Traglastversuchen an gevouteten Bauteilen und numerischen Simu-lationsberechnungen wird untersucht, wie die Zuordnung der gevouteten Bauteile zu den genormten Biegedrillknickkurven gemäß Eurocode 3-1-1 erfolgen kann. Für einen Ausschluss des Biegedrillknickversagens, werden in einem weiteren Schritt Bedingungen für die erforderliche Steifigkeit sowie die Anordnung von sekundären Traggliedern hergeleitet. Diese ermöglichen es dem Ingenieur in der täglichen Praxis, zum einen auf einen aufwändigen Biegedrillknicknachweis zu verzichten und zum anderen die Querschnittstragfähigkeit voll auszunutzen. Schließlich werden umfangreiche Untersuchungen zur Beschaffenheit von diskre-ten Halterungen und zur Ausbildung von Rahmenecken durchgeführt, die dazu führen, dass konstruktive Regeln für das Herauslösen von Einzelbauteilen aus dem Gesamttragwerk bereitgestellt werden können. Im Ergebnis wird somit ein konsistentes und durchgängig abgesichertes Handre-chenkonzept zur rechnerischen Bestimmung der Tragfähigkeit von I‐Profilen mit und ohne Voute unter Biegebeanspruchung vorgestellt. Dieses fügt sich in die Bemessungsregeln des Eurocode 3 ein und basiert auf dem bewährten verein-fachten Biegedrillknicknachweis an aus dem Gesamtsystem herausgelösten Einzelbauteilen. Durch die Bereitstellung von einfach zu handhabenden Bemes-sungshilfen wird die einfache Umsetzung und Anwendbarkeit in der Praxis gewährleistet.