Wetzel, Timm (2018)
Zum Tragverhalten stählerner Stützen im Brandfall.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
Stählerne Stützen erwärmen sich im Brandfall schnell. Im Zentrum der Betrachtungen zum Tragverhalten stehen in der Regel der Verlust an Festigkeit und Steifigkeit. Gleichzeitig wird auf Basis probabilistischer Überlegungen gegenüber dem Kaltfall eine Reduktion der äußeren Lasten zugelassen. Es sind aber auch Einwirkungen infolge thermischer Dehnungen zu berücksichtigen. Daraus resultierende Zwangskräfte in Stützen sowie deren Auswirkung auf angrenzende Tragwerkselemente können bedeutsame Beurteilungsgrößen bei der Einschätzung des Tragverhaltens im Brandfall sein. Veränderungen der Einwirkungen infolge thermischer Dehnungen werden jedoch nur selten betrachtet. Dies liegt unter anderem daran, dass hierzu nur wenige Untersuchungen vorliegen. In der vorliegenden Arbeit wird diese Problemstellung aufgegriffen.
Als Grundlage für die Betrachtungen zum Tragverhalten von Stahlstützen im Brandfall wird einleitend der Stand des Wissens zum mechanischen und thermischen Werkstoffverhalten beschrieben: Die Spannungs-Dehnungsbeziehungen nehmen für erhöhte Temperaturen einen linear elastischen, nichtlinear plastischen Verlauf an. Bei Stahltemperaturen oberhalb von 400 °C gewinnt zudem das Hochtemperaturkriechen an Bedeutung. Untersuchungen zum Tragverhalten doppelsymmetrischer H-Querschnitte zeigen mithilfe von Momenten-Krümmungsbeziehungen, dass der Einfluss von Eigenspannungen auch bei erhöhten Temperaturen gerade für Krümmungen um die z-Achse bedeutend ist und bei Bauteilberechnungen nicht vernachlässigt werden kann.
Das Last-Verformungsverhalten von Stützen wird insbesondere bei erhöhten Tempera-turen durch Steifigkeitsänderungen infolge der Ausbreitung von plastischen Zonen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird die Ausbreitung der plastischen Zonen mithilfe numerischer Berechnungsverfahren iterativ erfasst. Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen liefern hinreichende Übereinstimmungen mit experimentellen Versuchsergebnissen Dritter. Auf Grundlage der Berechnungsergebnisse wird ein Bemessungsverfahren vorgeschlagen, das die Tragfähigkeit von Stahlstützen mit einem doppelsymmetrischen H-Querschnitt unter Berücksichtigung der normativ geregelten Werkstoffgesetze sicher und genau abschätzen kann.
Um Interaktionen einer Stütze mit der umgebenden Tragstruktur während eines Brandereignisses zu beschreiben, wird die Federcharakteristik der Stütze mit der des Bauwerks gekoppelt. Damit können Lastumlagerungen, zum Beispiel von der Stütze auf einen Unterzug, in Abhängigkeit von der Stahltemperatur modelliert werden. Durch weiterführende numerische Berechnungen werden Einflüsse des Schlankheitsgrades sowie von geometrischen Imperfektionen, Werkstoffverfestigungen und Abkühlungen herausgearbeitet. In diesem Zusammenhang zeigt sich, dass der maßgebende Belastungszustand für die umgebende Tragstruktur nicht zwangsweise mit der Maximaltemperatur erreicht ist. Vielmehr kann ein Abkühlungsprozess zu einer zusätzlichen Belastung führen.
Die Arbeit schließt mit der Ausarbeitung einer Entwurfsstrategie für dehnungsbehinderte Stützen im Geschossbau.
| Typ des Eintrags: | Dissertation | ||||
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| Erschienen: | 2018 | ||||
| Autor(en): | Wetzel, Timm | ||||
| Art des Eintrags: | Erstveröffentlichung | ||||
| Titel: | Zum Tragverhalten stählerner Stützen im Brandfall | ||||
| Sprache: | Deutsch | ||||
| Referenten: | Tichelmann, Prof. Dr. Karsten ; Lange, Prof. Dr. Jörg | ||||
| Publikationsjahr: | 2018 | ||||
| Ort: | Darmstadt | ||||
| Datum der mündlichen Prüfung: | 18 April 2018 | ||||
| URL / URN: | http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7365 | ||||
| Kurzbeschreibung (Abstract): | Stählerne Stützen erwärmen sich im Brandfall schnell. Im Zentrum der Betrachtungen zum Tragverhalten stehen in der Regel der Verlust an Festigkeit und Steifigkeit. Gleichzeitig wird auf Basis probabilistischer Überlegungen gegenüber dem Kaltfall eine Reduktion der äußeren Lasten zugelassen. Es sind aber auch Einwirkungen infolge thermischer Dehnungen zu berücksichtigen. Daraus resultierende Zwangskräfte in Stützen sowie deren Auswirkung auf angrenzende Tragwerkselemente können bedeutsame Beurteilungsgrößen bei der Einschätzung des Tragverhaltens im Brandfall sein. Veränderungen der Einwirkungen infolge thermischer Dehnungen werden jedoch nur selten betrachtet. Dies liegt unter anderem daran, dass hierzu nur wenige Untersuchungen vorliegen. In der vorliegenden Arbeit wird diese Problemstellung aufgegriffen. Als Grundlage für die Betrachtungen zum Tragverhalten von Stahlstützen im Brandfall wird einleitend der Stand des Wissens zum mechanischen und thermischen Werkstoffverhalten beschrieben: Die Spannungs-Dehnungsbeziehungen nehmen für erhöhte Temperaturen einen linear elastischen, nichtlinear plastischen Verlauf an. Bei Stahltemperaturen oberhalb von 400 °C gewinnt zudem das Hochtemperaturkriechen an Bedeutung. Untersuchungen zum Tragverhalten doppelsymmetrischer H-Querschnitte zeigen mithilfe von Momenten-Krümmungsbeziehungen, dass der Einfluss von Eigenspannungen auch bei erhöhten Temperaturen gerade für Krümmungen um die z-Achse bedeutend ist und bei Bauteilberechnungen nicht vernachlässigt werden kann. Das Last-Verformungsverhalten von Stützen wird insbesondere bei erhöhten Tempera-turen durch Steifigkeitsänderungen infolge der Ausbreitung von plastischen Zonen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird die Ausbreitung der plastischen Zonen mithilfe numerischer Berechnungsverfahren iterativ erfasst. Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen liefern hinreichende Übereinstimmungen mit experimentellen Versuchsergebnissen Dritter. Auf Grundlage der Berechnungsergebnisse wird ein Bemessungsverfahren vorgeschlagen, das die Tragfähigkeit von Stahlstützen mit einem doppelsymmetrischen H-Querschnitt unter Berücksichtigung der normativ geregelten Werkstoffgesetze sicher und genau abschätzen kann. Um Interaktionen einer Stütze mit der umgebenden Tragstruktur während eines Brandereignisses zu beschreiben, wird die Federcharakteristik der Stütze mit der des Bauwerks gekoppelt. Damit können Lastumlagerungen, zum Beispiel von der Stütze auf einen Unterzug, in Abhängigkeit von der Stahltemperatur modelliert werden. Durch weiterführende numerische Berechnungen werden Einflüsse des Schlankheitsgrades sowie von geometrischen Imperfektionen, Werkstoffverfestigungen und Abkühlungen herausgearbeitet. In diesem Zusammenhang zeigt sich, dass der maßgebende Belastungszustand für die umgebende Tragstruktur nicht zwangsweise mit der Maximaltemperatur erreicht ist. Vielmehr kann ein Abkühlungsprozess zu einer zusätzlichen Belastung führen. Die Arbeit schließt mit der Ausarbeitung einer Entwurfsstrategie für dehnungsbehinderte Stützen im Geschossbau. |
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| Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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| URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-73650 | ||||
| Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 690 Hausbau, Bauhandwerk |
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| Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 15 Fachbereich Architektur 15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe F: Gebäudetechnik > Tragwerksentwicklung 15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe F: Gebäudetechnik |
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| Hinterlegungsdatum: | 10 Jun 2018 19:55 | ||||
| Letzte Änderung: | 10 Jun 2018 19:55 | ||||
| PPN: | |||||
| Referenten: | Tichelmann, Prof. Dr. Karsten ; Lange, Prof. Dr. Jörg | ||||
| Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: | 18 April 2018 | ||||
| Export: | |||||
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