IBK Jahresbericht 2004-2006 - Institut für Baustatik und Konstruktion ...

FORSCHUNG
Beulverhalten von Stahlquerschnitten bei
Brandeinwirkung
Projektleitung:
Mitarbeiter:
Prof. Dr. M. Fontana
M. Knobloch.
Die Brandbemessung erlangt zunehmend Bedeutung
für die sichere und wirtschaftliche Konstruktion
von Stahlbauten. Neben brandgerechter konstruktiver
Ausbildung müssen realitätsnahe Bemessungsmodelle
für die sichere und wirtschaftliche
Bemessung von Stahlquerschnitten im Brandfall,
insbesondere für Stabilitätsfälle geschaffen werden.
Ungeschützte dünnwandige Stahlbauteile besitzen
eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe
Massigkeit und erwärmen sich im Brandfall
schnell. Festigkeit und Steifigkeit des Stahls nehmen
bei erhöhten Temperaturen deutlich ab. Das
Spannungs-Dehnungsverhalten wird nichtlinear. Im
Brandfall muss daher der traglastmindernde Einfluss
des Beulens für mehr Querschnitte berücksichtigt
werden als bei Normaltemperatur, weil
Traglaststeigerungen infolge von Plastifizierungen
erst bei großen Dehnungen erreicht werden.
Es wurde eine Berechnungsmethode [1] entwikkelt
mit dehnungsabhängigen Traglastkurven für
drei- und vierseitig gelagerte Querschnittselemente.
Die Traglastkurven basieren auf der Fliesslinientheorie
und numerischen Berechnungen. Die
neue Methode vermeidet dadurch die Klassifizierung.
Sie berücksichtigt Plastifizierungen, das
nicht-lineare Materialverhalten, ungleichmässige
Temperaturverteilungen sowie thermische Zwängungen.
Local Buckling of Steel Sections Subjected
to Fire
Fire design has become an important factor for the
safe and economical design of steel structures and
has attracted worldwide attention in recent years. In
addition to sound construction practice for steel
structures in fire, it is necessary to have safe, economical,
and easily applicable design models for
steel members subjected to fire, especially in case
of stability failures.
Under fire conditions, thin-walled steel members
without fire protection heat up quickly, primarily
due to their high surface-to-volume ratio and
the high thermal conductivity of steel. At elevated
temperatures, the strength and stiffness of steel
decreases, and the typical linearly elastic-perfectly
plastic stress-strain relationship becomes distinctly
nonlinear. As a result, large strains are required to
activate an increase in the cross-sectional capacity
resulting from plastification. Therefore, local buckling
in fire needs to be considered for a wider range
of cross-sectional slenderness than for ambient
temperature design.
Stress-based design models, commonly used to
explain local buckling at ambient temperature are
not suitable to describe the local buckling behaviour
under fire conditions. Therefore, a novel strainbased
approach was developed [1]. This new approach
uses strain-dependent capacity curves to calculate
the entire load-shortening behaviour of stiffened
and unstiffened elements as well as the ultimate
capacity. The capacity curves for unstiffened elements
are based on a yield line mechanism analysis;
the curves for stiffened elements are based on
numerical studies using the finite element
approach.
The new strain-based approach avoids using a
classification for fire design. It considers plastification
effects, the non-linear material behaviour of
steel at elevated temperatures, non-uniform temperature
distributions and heating as well as thermal
restraint effects.
Plastischer Mechanismus für dreiseitig gelagerte Querschnittselemente.
Local plastic mechanism for unstiffened elements.
[1] Knobloch, M.; Fontana, M. (2006). Strain-based
approach to local buckling of steel sections subjected to
fire. Journal of Constructional Steel Research 62(1-2),
44-67.
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