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Zum Tragverhalten stählerner Stützen im Brandfall

Wetzel, Timm :
Zum Tragverhalten stählerner Stützen im Brandfall.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zum Tragverhalten stählerner Stützen im Brandfall
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Steel columns heat up quickly in case of fire. Examinations of the load-carrying behaviour at elevated temperatures usually focus on the decrease of strength and stiffness. In addition, a reduction of the external loads is permitted on the basis of probabilistic considerations. Moreover, effects of thermal strains have to be considered. Restraining forces in columns due to thermal strains, as well as the effects on adjacent structural elements can be significant. However, changes in the loads due to thermal expansion are rarely considered. This issue is taken up in the thesis. The state of knowledge of mechanical and thermal material behaviour is presented as basis for the analysis of the load-carrying behaviour of steel columns in case of fire. The stress-strain relationships show a linear elastic, nonlinear plastic shape at elevated temperatures. Furthermore, creep strains become relevant at steel temperatures above 400 °C. The Analyses of the load-carrying behaviour of H-sections show by means of moment-curvature relationships that the influence of residual stresses, even at elevated temperatures, is significant for bending around the weak axis. Therefore they cannot be neglected in the analysis of the load-carrying behaviour of steel columns. The load-deformation behaviour of columns is influenced by changes in stiffness due to the spread of plastic zones, especially at elevated temperatures. In the thesis, the spread of plastic zones is iteratively covered using numerical analysis methods. The results of the numerical calculations show good accordance with experimental test results. Based on the results of the numerical calculations, a design method is proposed which can reliably and accurately estimate the load capacity of steel columns with H-sections, taking into account the normative material laws. To describe the interactions of a column with the surrounding structure during a fire, the spring characteristic of the column is coupled to that of the structure. In this way, the load redistribution in dependence of the steel temperature can be modeled. Further numerical calculations show influences of slenderness, as well as geometric imperfections, material hardening and cooling. It can be observed that cooling can lead to tensile forces within columns and additional loads in the surrounding structure. The thesis concludes with the development of a design strategy for restrained columns.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 690 Hausbau, Bauhandwerk
Divisions: 15 Department of Architecture > Fachgruppe F: Gebäudetechnik > Tragwerksentwicklung
Date Deposited: 06 Jun 2018 13:14
Last Modified: 06 Jun 2018 13:14
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73650
Referees: Tichelmann, Prof. Dr. Karsten and Lange, Prof. Dr. Jörg
Refereed: 18 April 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7365
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