Plattenbeulen/ Erstes Rechenbeispiel/ EuroB
Geometrie
BearbeitenQuersteifen | a' | 2,9m | ||
oberer Flansch | bf2 | 0,37m | tf2 | 11mm |
unterer Flansch | bf1 | 0,47m | tf1 | 13mm |
Steg | hw | 2,3m | tw | 7mm |
Streckgrenze | fyd | 235N/mm² |
Dieser Träger wird nicht in der Realität gebaut. Es werden hauptsächlich teilerfremde Maße verwendet, um die Berechnung besser nachvollziehen zu können. Es wird noch mal darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Nachkommastellen nicht irgendeine Genauigkeit bedeuten, sondern der Zahlentyp. Die Zahlen werden daher länger als in anderen Zahlensystemen ausgeschrieben, damit kleine Fehler besser gefunden werden können und nicht als Rundungsfehler abgetan werden. Z.B. sieht eine fehlende Flanschdicke beim Spannungsnachweis in anderen Zahlensystemen aus wie ein Rundungsfehler, weil das Verhältnis zur Steghöhe weit unter 1% liegt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass dadurch sehr viele „Rundungsfehler“ behoben werden konnten.
Die Streckgrenze für S235 ist dach dem Eurocode 235N/mm² und nach der DIN 240N/mm².
Schnittgrößen:
- M= - 2424kNm
- N= - 2020kN (- 2,02MN)
- V= 695kN
Schubverzerrung
Schubverzerrung wird in diesem Rechenbeispiel vernachlässigt.
Die mitwirkenden Flanschbreiten werden ignoriert. Der Flansch trage vollständig mit.
Bruttoquerschnittswerte
Bearbeiten- As= bf2·tf2 + hw·tw + bf1·tf1
- As= 0,37·0,011 + 0,007·2,3 + 0,47·0,013
- As= 0,02628m²
Der Schwerpunkt hs wird vom unteren Stegende aus nach oben gemessen.
- hs =1,06007m
Das Flächenträgheitsmoment I besteht aus 3 Steineranteilen und 3 Eigenanteilen
- I= 10-3·(7,09 + 6,95 + 6,31 + 0,13)
- I= 0,02049m4
Spannung σ2 im oberen Stegende
- σ2= 146,7 - 76,9
- σ2= 69,8N/mm²
Spannung σ1 im unteren Stegende
- σ1= - 146,7 - 76,9
- σ1= - 202,2N/mm²
Spannungsnulllinie S
- S= 1,7098m
Berechnung von ρc
Bearbeiten- b= hw= 2,3m
Randspannungsverhältnis ψ
- ψ= - 0,345
Beulwert kσ
- kσ= 7,81 - 6,29·ψ + 9,78·ψ² (Eurocode 1993-1-5 Tabelle 4.1)
- kσ= 11,146
Beulschlankheitsgrad
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 4.3)
Abminderungsfaktor ρ
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 4.2)
- ρ = (3,46 - 0,055·(3 - 0,346))/3,46
- ρ = 0,27673
Bruttobreiten
Von dem druckbeanspruchten Stegteil wird berechnet, welches Stück davon am unteren Flansch angrenzt und welches am oberen angrenzt. Es geht noch keine Fläche verloren.
- bu = Wenn (ψ > 0 ; 2·MIN(S;Hw)/(5-ψ); 0,4·MIN(S;Hw))
- bu= WENN( - 0,345 > 0;;0,4·MIN(1,7098;2,3))
- bu= 0,4·1,7098
- bu= 0,684
- bo= Wenn (ψ > 0 ; (3-ψ)·MIN(S;Hw)/(5-ψ); 0,6·MIN(S;Hw))
- bo= WENN( - 0,345 > 0;;0,6·MIN(1,7098;2,3))
- bo= 0,6·1,7098
- bo= 1,026
wirksame Breiten
Die wirksame Fläche Ac,eff eines druckbeanspruchten Teils berechnet sich mit
- Ac,eff= Ac·ρ (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 4.1)
- bu,eff= bu·ρ = 0,27673·0,68
- bu,eff= 0,1893
- bo,eff= bo·ρ = 0,27673·1,026
- bo,eff = 0,2839
- Σbeff = 0,1893 + 0,2839
- Σbeff = 0,4732
- Verlust= MIN(S;hw) - Σbeff
- Verlust= MIN(1,7098;2,3) - 0,4732
- Verlust= 1,237m
Verhalten
plattenartiges Verhalten
- σE= 190000·(tw/hw)²
- σE = 190000·(0,007/2,3)²
- σE= 1,7599 MNm
- σcr,p= kσ·σE = 1,7599·11,146
- σcr,p= 19,6 MNm
knickstabähnliches Verhalten
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 4.8)
- σcr,c= 1,106 MNm
- k= 0,5·(1 + 0,21·(14,57 - 0,2) + 14,57²)
- k= 108,26
Abminderungsfaktor
- χc= 0,00464
Interaktion
- und 0 < ξ < 1
- ξ= 1
- ρc = (ρ - χc)· ξ·(2 - ξ) + χc (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 4.13)
- ρc = (0,27673 - 0,00464)·1·(2 - 1) + 0,00464
- ρc = 0,27673
Wirksame Querschnittswerte
BearbeitenStegfläche im Druckbereich Aeff
- Ac,eff= (bo,eff + bu,eff)·tw
- Ac,eff= (0,189 + 0,283)·0,007
- Ac,eff= 0,00331m²
In der Tabelle wird so gerechnet:
Stegdaten | Stegteillänge i | Ort | Ort m | A·Abstand | Eigen I | Steiner | Teilfläche |
---|---|---|---|---|---|---|---|
oben Zug | hw - MIN(hw;S) | i + u | (L +Lu)/2 | tw·L·i | tw·i³/12 | tw·i·m | i·tw |
oben Druck | bo,eff | i + u | (L +Lu)/2 | tw·L·i | tw·i³/12 | tw·i·m | i·tw |
Loch | Verlust | i + u | (L +Lu)/2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
unten Druck | bu,eff | i | (L +Lu)/2 | tw·L·i | tw·i³/12 | tw·i·m | i·tw |
Summe | Summe | Summe |
Die Buchstaben haben dabei diese Bedeutung:
Die erste Spalte legt einige Variablen fest. Wird eine dieser Variable in einer Zelle verwendet, so bezieht sie sich auf den Wert in der gleichen Spalte.
Weiterhin kann ein relativer Bezug auf Zellen genommen werden. Dabei bedeutet:
- L= die linke Zelle
- r= die rechte Zelle
- u= die untere Zelle
- o= die obere Zelle
- L3= 3 Zellen nach links
- Lu= die linke untere Zelle
Alle anderen Buchstaben haben globale Bedeutung.
Stegdaten | Stegteillänge | Ort u | Ort m | A·Abstand | Eigen I | Steiner | Teilfläche |
---|---|---|---|---|---|---|---|
oben Zug | 0,590154823 | 2,3 | 2,0049226 | 0,0082825 | 0,000119899 | 0,002783416 | 0,0041311 |
oben Druck | 0,283898472 | 1,7098452 | 1,5678959 | 0,0031159 | 0,0000133477 | 0,000292749 | 0,0019873 |
Loch | 1,236681057 | 1,4259467 | 0,8076062 | 0 | 0 | 0 | 0 |
unten Druck | 0,189265648 | 0,1892656 | 0,0946328 | 0,0001254 | 0,00000395487 | 0,001572485 | 0,0013249 |
0,0115237 | 0,000137201 | 0,00464865 | 0,007443 |
- Aeff = As - hw·tw + ΣTeilfläche
- Aeff = 0,02628 - 2,3·0,007 + 0,007443
- Aeff = 0,01762
Schwerpunkt
- hs,eff= wie hs, nur mit ΣA·Abstand statt mit Steg
- hs,eff= 1,184m
effektives Flächenmoment zweiten Grades Ieff
- Ieff= 0,01856m4
Widerstandsmomente
Weff,u= 0,01559 Weff,o= 0,01655
- MRd= Weff,u·fyd
- MRd= 0,01559·235000
- MRd= 3664kNm
Der verschobene Schwerpunkt erhöht das Moment.
- MEd,N= MEd + NEd·(hs - hs,eff)
- MEd,N= - 2424 + 2020·(1,06007 - 1,184)
- MEd,N= 2674kNm
Nachweis
- η1= 0,7298 + 0,4878
- η1= 1,2176
Nachweis nicht erfüllt
Das Moment darf nach Eurocode Kapitel 4 letzter Satz abgemindert werden.
- x= MIN(0,4·a; 0,5·b)
- x= MIN(0,4·2,9; 0,5·2,5)
- x= 1,15
- MEd,N:= MEd,N - V·x
- MEd,N:= 2674 - 695·1,15
- MEd,N:= 1875kNm
Nachweis
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 4.14)
- η1= 0,512 + 0,488
- η1= 1
Nachweis erfüllt
Da jedoch der Nachweis mit Abstand geführt wurde ist zusätzlich ein Klasse3-Querschnittsnachweis am Auflager erforderlich. Da der Querschnitt nicht geschwächt ist, wird das Moment nicht durch den verschobenen Querschnitt erhöht.
- As= 0,02628m²
- hs =1,06007m
- I= 0,02049m4
- σu= - 126,17 - 76,86
- σu= - 203,03N/mm²
- σo= 147,33 - 76,86
- σo= 70,46N/mm²
σo und σu sind kleiner als fyd. Daher ist der Nachweis erfüllt.
Schubbeulen
BearbeitenDer Querkraftwiderstand setzt sich aus einem Teil des Steges und des Flansches zusammen.
Beitrag des Steges
- a/hw= 2,9/2,3
- a/hw= 1,2609
Schubbeulwert
- kτ= Wenn(a/hw >1; 5,34;4) + Wenn(a/hw <1; 5,34; 4)·(hw/a)² (Eurocode 1993-1-5 Gleichung A.5)
- kτ= 5,34 + 4·1,2609-2
- kτ= 7,856
Schubbeulschlankheit
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 5.6)
für > 1,08 gilt:
- (Eurocode 1993-1-5 Tabelle 5.1)
- χw= 0,35746
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 5.2)
- Vb,w,Rd= 780,8kN
Beitrag des Flansches
- Mf,Rd ist die plastische Momententragfähigkeit der Flansche allein.
- Mf,Rd= (hw + bf1/2 + bf2/2)·fy· MIN(bf1·tf1;bf2·tf2)
- Mf,Rd= (2,3 + 0,012)·235000·MIN(0,37·0,011;0,47·0,013)
- Mf,Rd= 2,312·235000·0,00407
- Mf,Rd= 2211kNm
wirkt zusätzlich eine Normalkraft, so ist Mf,Rd um einen Faktor abzumindern.
- Faktor = (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 5.9)
- Faktor =
- Faktor = 0,1556
- Mf,Rd:= Mf,Rd·0,1556
- Mf,Rd:= 2211·0,1556
- Mf,Rd:= 344,1kNm
- Mf,Rd< MEd
Da die Flansche ausgelastet sind, tragen sie keine Querkraft.
- Vbf,Rd = 0 (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 5.8)
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 5.1)
- Vb,Rd= MIN(780,8 + 0 ; 1,2·235000·2,3·0,007·3-0,5)
- Vb,Rd= MIN(780,8; 2621)
- Vb,Rd= 780,8kN
Nachweis
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 5.10)
- η3= 0,89007
- Da η3 größer als 0,5 ist, so ist ein Interaktionsnachweis erforderlich.
Lokales Beulen aus Einzellast
BearbeitenIn diesem Beispiel wirkt keine Einzellast.
Interaktion
BearbeitenBerechnung von Mpl,N
Für die Interaktion wird Mpl,N benötigt. Excel sucht sich automatisch die Flächenhalbierende und erkennt, welche Flächen es wie abziehen muss. Da der Algorithmus sehr fehleranfällig ist, muss überprüft werden, ob Excel richtig rechnet. Mpl,N ist vom ungeschwächten Querschnitt (ohne Beuleinfluss).
So rechnet Excel: Zuerst werden die Stegstücke mit Länge, Breite und Fläche übernommen. Die Steifen sind so hoch, wie der Steg breit ist. Die Länge wird aus der Steifenfläche rückgerechnet. Dort, wo eine Steife nicht existiert, wird ein kurzes Stegstück angesetzt. Auf der negativen halben Fläche werden die Teilflächen addiert. Wechselt der Wert auf positiv, so ist die Flächenhalbierende gefunden und der genaue Ort wird berechnet. Die Fläche mit der Flächenhalbierenden wird geteilt und im nächsten Schritt richtig einsortiert. Die Werte werden neu berechnet, sortiert und es wird berücksichtigt, dass bei den Steifen die Fläche rückgerechnet werden muss. Excel rechnet die Fläche aus, die für die Normalkraft nötig ist. Dann wird von der Flächenhalbierenden ausgehend bestimmt, welche Teilflächen verbraucht werden und welche geschwächt werden. Von den vollständigen und geschwächten Flächen wird der Schwerpunktabstand zur Flächenhalbierenden berechnet. Aus Fläche mal Abstand werden die Teilwiderstandsmomente errechnet. Die Summe ist WPl,N.
A= 0,02628m²
Lage der Flächenhalbierenden (Flächen werden von oben nach unten abgezogen)
- hF= 1,2957m
Fläche zur Aufnahme von N
- AN= 0,008596m²
- hwN= 1,228
Beginn und Ende der Verlustfläche
- h1= hf + hwN/2= 1,2957 + 1,228/2
- h1= 1,9097
- h2= hf - hwN/2= 1,2957 - 0,614
- h2= 0,6817
Widerstandsmoment
- Wpl,N= (5,296 + 4,549 + 2,203 + 6,176)·10-3
- Wpl,N= 0,01824m³
- Mpl,N= Wpl,N·fyd
- Mpl,N= 0,01824· 235000
- Mpl,N= 4286kNm
Interaktion
- η1= 0,43751
- η3= 0,89007
Nachweis
- (Eurocode 1993-1-5 Gleichung 7.1)
- η1= 0,43751 + 0,55976
- 0,99726 < 1
Nachweis erfüllt
- Allgemein:Inhaltsverzeichnis ; Glossar ; Zahlen
- Rechenbeispiel: Allgemeiner Lösungsweg ; erstes ; zweites ; drittes ; viertes
- Norm: EuroB ;DINS ;EuroS ;DINB ;Zusammenfassung