JAHRESBERICHT - Institut für Baustatik und Konstruktion - ETH Zürich

FORSCHUNG
Biegeknicken von Stahlstützen im Brandfall
Projektleitung: Prof. Dr. M. Fontana,
Dr. M. Knobloch
Mitarbeitende: J. Pauli, D. Somaini
Projektpartner: Schweizerischer Nationalfonds,
Bern
Im Rahmen des Forschungsprojektes analysierten
wir das Tragverhalten von Stahlstützen im Brand -
fall unter besonderer Berücksichtigung der Quer -
schnitts tragfähigkeit sowie des Biegeknickens. Das
Verhalten untersuchten wir mit Hilfe analytischer,
experimenteller und numerischer Methoden.
Die Beschreibung des Querschnitts- sowie des
globalen Tragwiderstands unter Druck- sowie kombinierter
Druck- und Biegebeanspruchung im
Brand fall mit Hilfe experimentell abgesicherter Be -
rech nungsmodelle stellte ein wesentliches Ziel un -
se rer Forschungsarbeiten dar. Für den Querschnitts
widerstand unter kombinierter Druck- und
zwei achsiger Biegebeanspruchung bei erhöhten
Tem peraturen konnten auf der Grundlage der Ver -
suchs ergebnisse sowie einer umfangreichen nume -
ri schen Parameterstudie Interaktionskurven abgeleitet
werden. Die Beschreibung des Quer schnitts -
wider stands im Brandfall stellt eine wesentliche
Voraussetzung für die Darstellung des grundlegenden
Tragverhaltens sowie der sicheren und wirtschaftlichen
Dimensionierung und Bemessung von
Stahlkonstruktionen dar. Eine Vergleichsstudie
zeigte die teilweise sehr grossen Abweichungen der
derzeit verwendeten vereinfachten Be rech nungs -
mo delle für die Bemessung im Brandfall.
Für die Beschreibung des Tragwiderstandes von
Stahl stützen unter Druck- sowie kombinierter
Druck- und einachsiger Biegebeanspruchung konnte
ein analytisches Berechnungsmodell entwickelt
wer den. Das Berechnungsmodell basiert auf um -
fang reichen experimentellen und numerischen
Unter suchungen. Diese Untersuchungen zeigten
den entscheidenden Einfluss des thermischen
Hoch temperaturkriechens sowohl auf das Stabilitätsverhalten
sowie die Querschnittstragfähigkeit
und führten zu einem Folgeprojekt zum Einfluss
des thermischen Kriechens auf das Stabilitätsverhalten
von Stahlkonstruktionen bei Brand.
Buckling and flexural buckling of steel
columns in fire
The structural resistance of steel members, in particular
columns or beam-columns, under fire conditions
is limited by three limit states and their interaction:
First, full section yielding at elevated temperature
(i.e. yield capacity) considering both, axial compression-bending
moment interaction and non-uniform
temperature distributions (limit state 1);
second, local and/or distortional buckling (limit state
2); and third, overall structural stability, especially
flexural and lateral-torsional buckling (limit state 3).
The reduction of steel strength during heating in
fires as well as thermal gradients substantially affect
the first limit state, while the reduced stiffness and
the nonlinear stress-strain relationship of steel at elevated
temperatures have a strong influence on local
buckling and overall buckling behaviour. Analytical
models used for fire design usually implicitly consider
section yielding (limit state 1) and uniform temperature
distributions. These models assume that
members with no overall buckling effects, whose
cross sections are classified as ‘plastic’ (Class 1),
‘compact’ (Class 2) or ‘semi-compact’ (Class 3),
reach their full plastic or elastic capacity, respectively,
without developing local buckling deflections
even under fire conditions. However, elevated temperatures
strongly influence the cross-sectional
capacity and the local buckling behaviour of steel
sections. Even cross-sections suitable for plastic
design at ambient temperature may develop local
buckling deflections in fires, caused by the large
strains required to reach full section yielding due to
the distinctly nonlinear stress-strain relationship for
steel at elevated temperatures.
In a comprehensive analytical, experimental and
numerical study the cross-sectional capacity of steel
sections in axial compression and bending as well
as the overall structural behaviour of steel members
at elevated temperatures under fire conditions has
been investigated. Normalized axial compressionbiaxial
bending moment interaction graphs for the
cross capacity as well as a generalized analytical
model for the strength of slender columns in fires
have been developed. The effects of the cross-sectional
and overall slenderness ratio, steel grade,
temperature, and production process (hot-rolled or
welded) were addressed.
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