Bachelorarbeit Fabio Ponzio (Auszeichnung)

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Diplomand
Fabio Ponzio
Dozent
Anton Steurer, Prof. Dr. Dipl. Ing. ETH/SIA
Experte
Markus Knobloch, Dr. Dipl.-Ing.
Disziplin
Stahlbau
Partner
ETH Zürich, IBK Sektion, Prof. Dr. M. Fontana
Jahr
2010
Beulende Stahlprofile im Brandfall
Querschnittswiderstand von Stahlprofilen bei erhöhten Temperaturen im Brandfall
Der Querschnittswiderstand von Stahlprofilen ist unter Druckbeanspruchung durch die plastische Tragfähigkeit und die lokale Stabilität begrenzt. Mit experimentellen Versuchen und numerischen Berechnungen wurde der Sachverhalt im Brandfall untersucht, und die Resultate wurden mit den normierten Werten verglichen. Die Arbeit wurde im Rahmen einer Forschungsarbeit während dreier Monate im Vollzeitstudium an der ETH Zürich geschrieben.

Im Brandfall verliert Baustahl an Steifigkeit sowie Festigkeit, und das Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird ausgeprägt nichtlinear. Die reduzierte Steifigkeit, das nicht lineare Materialverhalten und die grösseren Dehnungen beim Erreichen der effektiven Fliessspannung beeinflussen das Stabilitätsverhalten von Stahlprofilen im Brandfall entscheidend.
Berechnungsmodelle berücksichtigen das veränderte Materialverhalten meist mithilfe von Reduktionsfaktoren für Elastizitätsmoduli und effektive Fliessspannungen.

Norm versus Versuch

Experimentelle Versuche und numerische Berechnungen zeigen, dass die für 20 °C in der Euronorm und der SIA-Norm verwendeten Interaktionsformeln zur Querschnittswiderstands-Bestimmung bei reiner Normalkraft, einachsiger und zweiachsiger Biegung eine gute Annäherung an die effektiven Werte ergeben. Die Einteilung in die verschiedenen Querschnittsklassen «kompakt» (Klassen 1 und 2), «semikompakt» (Klasse 3) und «schlank» (Klasse 4) bei 20 °C bewährt sich. Bei erhöhten Temperaturen dagegen wird der Querschnittswiderstand bei reiner Normalkraft nach SIA (Klassen 1 bis 4) und EN (Klassen 1 bis 3) überschätzt.

Euronorm der SIA-Norm voraus
Der Querschnittswiderstand für die Klassen 1 bis 3 wird bei reiner Normalkraftbeanspruchung in beiden Normen in derselben Weise ermittelt. Während die SIA-Norm auch Profile der Klasse 4 gleich behandelt, sieht die EN für ihre Klasse 4 bei erhöhten Temperaturen eine Anpassung vor: Die Fliessdehnung wird von 2 % auf 0.2 % herabgesetzt. Wenn das Profil also in die Klasse 4 eingeteilt wird, verändert sich der Querschnittswiderstand infolge der angepassten Fliessspannung.

Kritische Betrachtung
Der nach SIA für die einachsige Biegung mit Normalkraft berechnete Querschnittswiderstand bei erhöhten Temperaturen fällt gegenüber dem effektiven, im Versuch ermittelten meistens zu hoch aus. Die EN überschätzt den Widerstand in diesem Fall weniger. Dies hängt hauptsächlich damit zusammen, dass in der EN die maximalen b/t-Verhältnisse für die Querschnittsklassierung mit einem Faktor 0.85 abgemindert werden.
Bei zweiachsiger Biegung mit Normalkraft zeigt die numerische Berechnung eine weitere Differenz auf. Rechnet man mit elastischem Materialverhalten, liegen die Querschnittswiderstände eher auf der konservativen Seite. Kann hingegen plastisch gerechnet werden, fällt der Querschnittswiderstand mit zunehmender Temperatur wiederum zu hoch aus, das heisst, die gemäss Norm erhaltenen Resultate liegen auf der unsicheren Seite.
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