Um den Einfluss lokaler Stabilitätsphänomene schlanker Bauteile bewerten zu können, bieten RFEM 6 und RSTAB 9 die Möglichkeit eine lineare Verzweigungslastanalyse auf Querschnittsebene durchzuführen. Der folgende Beitrag widmet sich den Grundlagen der Berechnung sowie der Ergebnisinterpretation.
In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten der Ermittlung der Nennbiegefestigkeit Mnlb für den Grenzzustand des örtlichen Beulens bei der Bemessung nach dem Aluminum Design Manual (ADM) 2020 erläutert.
Die Bemessung der Querschnitte nach Eurocode 3 basiert auf der von der Norm festgelegten Einteilung der nachzuweisenden Querschnitte in Klassen. Die Klassifizierung der Querschnitte ist wichtig, da sie die Grenzen der Beanspruchbarkeit und Rotationskapazität durch lokales Beulen von Querschnittsteilen festlegt.
Der Durchstanznachweis nach EN 1992-1-1 ist für Platten mit Einzellast beziehungsweise für Platten mit Reaktion zu führen. Als Durchstanzknoten bezeichnet man einen Knoten, an welchem der Nachweis des Durchstanzens geführt wird (d.h. an dem ein Durchstanzproblem vorliegt). An diesen Knoten kann die Einzellast durch Stützen, Einzelkraft oder Knotenlager eingeleitet werden. Da bei Platten auch das Ende der linienförmigen Lasteinleitung als Einzellast angesehen wird, sollte auch die Schubtragfähigkeit an Wandenden, Wandecken sowie bei Linienlasten und Linienlagern kontrolliert werden.
In RFEM gibt es die Möglichkeit, sich die Resultierende eines Schnittes beziehungsweise einer Freigabe ausgeben zu lassen. In diesem Beitrag soll geklärt werden, auf welchen Teil der Schnittfläche diese wirkt. Am einfachsten wäre es, die Resultierende auf ein Schnittufer der Fläche zu beziehen. Da jedoch ein Schnitt auch durch mehrere Flächen mit unterschiedlichen lokalen Koordinatensystemen verlaufen kann, ist die Aussage mittels Schnittufer nicht möglich.
Treffen im Raum ausgerichtete Stäbe in einem Knoten aufeinander, so liegen die lokalen x- bzw. y-Achsen der Stäbe nicht in einer Ebene, da die lokalen z-Achsen in Ebene der Schwerkraft ausgerichteten werden.
Die Wirkung der Schiene als "statisch mittragend" oder "statisch nicht mittragend" wird in KRANBAHN über die Auswahlmöglichkeiten "Schiene-Flanschverbindung" in den Details festgelegt. Diese Einstellung steuert die Berechnung der Lasteinleitungslänge nach EN 1993-6, Tab. 5.1.
In den Zusatzmodulen RF-/HOLZ Pro, RF-/HOLZ AWC und RF-/HOLZ CSA ist es möglich, die resultierende Verformung eines Stabes oder Stabsatzes zu berücksichtigen. Neben den lokalen Richtungen y und z steht die Option "R" zur Verfügung. Damit kann die Gesamtdurchbiegung eines Trägers den in den Normen angegebenen Grenzwerten gegenübergestellt werden.
In der Standardeinstellung wird in den Bemessungsmodulen die Querschnittsklasse für jeden Stab und Lastfall automatisch bestimmt. In der Eingabemaske der Querschnitte kann der Nutzer die Querschnittsklasse jedoch auch manuell vorgeben, zum Beispiel wenn lokales Beulen konstruktiv ausgeschlossen ist.
Über die entsprechende Option im "Zeigen-Navigator" können die Flächen im Rendering nach der Richtung der lokalen z-Achse eingefärbt werden. Standardmäßig werden die Seite, die in negativer z-Richtung liegt, rot und die diejenige, die in positiver z-Richtung liegt, blau eingefärbt.
In RFEM und RSTAB besteht die Möglichkeit, mit dem sogenannten Projektmanager zu arbeiten. Darin wird eine komplette Projektstruktur angelegt und mit den Ordnern auf der lokalen Festplatte verknüpft.
Bei der Anwendung von unterbrochenen Schweißnähten zwischen Schiene und Flansch ist darauf zu achten, dass die angesetzte Schweißnahtlänge nicht die Länge der starren Lasteinleitung der Radlast gemäß Gleichung 6.1 in [1] überschreitet.
Die Klassifizierung der Querschnitte nach EN 1993-1-1 anhand der Tabelle 5.2 stellt eine einfache Methode zum Nachweis des lokalen Beulens von Querschnittsteilen dar. Für Querschnitte der Querschnittsklasse 4 ist anschließend die Ermittlung von effektivem Querschnittswerten nach EN 1993-1-5 notwendig, um den Einfluss des lokalen Beulens mit bei den Tragfähigkeitsnachweisen zu berücksichtigen.
In KRANBAHN 8 ist eine Bemessung von Hängekranen nach EN 1993-6 möglich. Für den Nachweis ist es nötig, die lokalen Biegespannungen im Unterflansch infolge Radlasten nach EN 1993-6, Kap. 5.8 zu ermitteln.
Die Klassifizierung von Querschnitten soll die Grenzen der Beanspruchbarkeit und Rotationskapazität durch lokales Beulen von Querschnittsteilen feststellen. In EN 1999-1-1, 6.1.4.2 (1) sind vier Klassen definiert.
Die Bemessung kaltgewalzter Stahlerzeugnisse ist in EN 1993-1-3 geregelt. Typische Formen kaltgeformter Querschnitte sind U-, C-, Z-, Hut- oder Sigma-Profile. Sie werden aus dünnwandigem Blech durch Rollprofilier- oder Kantverfahren erzeugt. Beim Nachweis für die Grenzzustände der Tragfähigkeit ist auch sicherzustellen, dass örtliche Lasteinleitungen nicht zu einem Zusammendrücken, Stegkrüppeln oder örtlichem Beulen im Steg der Profile führen. Diese Effekte können sowohl durch örtliche Lasteinleitungen durch den Flansch in den Steg als auch durch Auflagerkräfte an den gelagerten Punkten hervorgerufen werden. Abschnitt 6.1.7 der EN 1993-1-3 regelt im Detail, wie die Beanspruchbarkeit des Steges Rw,Rd unter örtlicher Lasteinleitung zu ermitteln ist.
Mit RF-STANZ Pro können die Durchstanznachweise an punktförmigen Lasteinleitungsstellen (Stützenanschluss, Knotenlager und Kontenlast) sowie Wandenden und -ecken geführt werden.
In DUENQ kann die Berechnung von längs ausgesteiften Blechfeldern gemäß Abschnitt 4.5 der EN 1993-1-5 erfolgen. Bei längs ausgesteiften Blechfeldern sind in der Regel sowohl die wirksamen Flächen infolge lokalen Beulens der Einzelfelder im Blech und in den Steifen als auch die wirksamen Flächen aus dem Gesamtfeldbeulen des ausgesteiften Gesamtfeldes zu berücksichtigen.
Bei Hängekranen wird der Untergurt des Kranbahnträgers zusätzlich zur globalen Haupttragwirkung durch die Radlasten auf lokale Flanschbiegung beansprucht. Der Untergurt verhält sich infolge dieser lokalen Biegespannungen plattenartig und weist einen zweiachsigen Spannungszustand auf [1].
Besteht ein Aluminiumstabquerschnitt aus schlanken Elementen, besteht die Möglichkeit des Versagens aufgrund von lokalem Beulen der Flansche oder Stege, bevor der Stab die volle Steifigkeit erreichen kann. Im Zusatzmodul RF-/ALUMINIUM ADM gibt es jetzt drei Optionen, um die nominale Biegefestigkeit für den Grenzzustand des lokalen Beulens zu bestimmen, Mnlb, aus Abschnitt F.3 des 2015 Aluminum Design Manual. Alle drei Methoden beinhalten die Abschnitte F.3.1 Methode des gewichteten Mittelwerts, F.3.2 Direkte Festigkeitsmethode und F.3.3 Methode der Begrenzungselemente.
Bei Zuganschlüssen mit einseitig beanspruchten Laschen werden die außenliegenden Stäbe (Seitenhölzer) wegen der ausmittigen Lasteinleitung durch ein zusätzliches Biegemoment beansprucht. Dieser Umstand wird jedoch in EN 1995-1-1 nicht erwähnt und wurde zum Beispiel im Nationalen Anhang zu DIN EN 1995-1-1 durch eine Abminderung der Zugfestigkeit berücksichtigt. Diese Abminderung ist abhängig von der Ausziehfestigkeit des Verbindungsmittels.
Im Zusatzmodul RF-STANZ Pro ist es möglich, den Durchstanznachweis an Decken- sowie Fundamentplatten nach EN 1992-1-1 zu führen. Bei einer Deckenplatte wird der kritische Rundschnitt gemäß 6.4.2 (1), EN 1992-1-1 [1] in einem Abstand von 2 d von der Lasteinleitungsfläche angenommen.
Vor der eigentlichen Querschnittsanalyse von Stahlprofilen sind diese nach EN 1993-1-1 5.5 bezüglich ihrer Beanspruchbarkeit und Rotationskapazität zu klassifizieren. Dabei werden die einzelnen Querschnittsteile analysiert und in die Klassen 1 bis 4 eingeordnet. Die Klasse des Querschnitts bestimmt sich im Anschluss und im Allgemeinen aus der höchsten Klasse der Querschnittsteile. Können für die spätere Bemessung von Querschnitten der Klassen 1 und 2 noch plastische Beanspruchbarkeiten herangezogen werden, dürfen diese ab Klasse 3 nur noch elastisch bestimmt werden. Bei Klasse-4-Querschnitten tritt bereits vor dem Erreichen des elastischen Momentes ein lokales Beulen auf. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, dürfen effektive Breiten verwendet werden. Dieser Beitrag wird sich nun im Folgenden genauer mit der Berechnung der effektiven Querschnittswerte befassen.
Bei plattenartigen Bauteilen muss an Stellen mit konzentrierter Lasteinleitung der Querkraftnachweis mit den Regeln des Durchstanznachweises nach 6.4, EN 1992-1-1 [1] ersetzt werden. Eine konzentrierte Lasteinleitung liegt an Einzelstellen zum Beispiel durch eine Stütze, konzentrierte Einzellast oder Punktauflager vor. Zusätzlich ist das Ende einer linienförmigen Lasteinleitung in Flächen auch als konzentrierte Lasteinleitung zu werten. Darunter fallen beispielsweise Wandenden, Wandecken, Enden beziehungsweise Ecken von Linienlasten und Linienlagern. Der Durchstanznachweis ist für Platten und Bodenplatten beziehungsweise Fundamenten unter der Berücksichtigung der um den betrachteten Durchstanzpunkt vorhandenen Plattentopologie zu führen. Im Zuge des Durchstanznachweises nach EN 1992-1-1 ist zu prüfen, dass die einwirkende Querkraft vEd den Widerstand vRd nicht übersteigt.
Das Zusatzmodul RF-/STAHL EC3 führt an jedem Bemessungspunkt vor den Nachweisen eine ausführliche Querschnittsklassifizierung durch. Damit wird die Empfindlichkeit aller Teile des Querschnitts in Bezug auf lokales Beulen bewertet. Die hierbei festgestellte Querschnittsklasse wirkt sich auf die Ermittlung der Tragfähigkeit und der Rotationskapazität aus.
Soll der Stabilitätsnachweis von Stäben nach dem Ersatzstabverfahren unter Berücksichtigung der Schnittgrößen nach Theorie I. Ordnung geführt werden, ist die Bestimmung der maßgebenden Ersatzstablänge von großer Bedeutung.
Werden in einem Modell Nichtlinearitäten wie zum Beispiel Kontaktvolumen verwendet, so kann es vorkommen, dass am Ende der Berechnung eine Warnmeldung wegen lokal nicht eingehaltener Konvergenzkriterien erscheint. Die Ursache dafür ist, dass während der Berechnung die Konvergenz der globalen Iterationsbedingungen maßgebend ist.
In RF-/HOLZ Pro ist es möglich, auch eine effektive Kipplänge vorzugeben. Die Kipplänge wird dabei gemäß EN 1995-1-1 Tabelle 6.1 berechnet. Insbesondere bei einer ungleichmäßigen Lasteinleitung ist diese Option sinnvoll.
In RF-STAHL Flächen lassen sich auch die Spannungen ablesen, die für den Nachweis von Schweißnähten beispielsweise nach EN 1993-1-8, Bild 4.5 relevant sind. Beim Auswerten der Spannungsanteile ist das lokale xyz-Achsensystem der Flächen zu beachten.