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Verifikationsstudien für Stahlbauten

Dieser Artikel fasst die Verifikationsstudien des Moduls für Stahlträger und Stahlstützen zusammen. Der Berechnungskern wurde zunächst in einer unabhängigen Testanwendung mit den Vorschriftenformeln entwickelt; anschließend wurde jede im Bericht ausgegebene Größe mit einer Handrechnung verglichen. Der durchgängige Ablauf (Datei öffnen → Berechnung → Bericht) und die zweisprachige Berichtserzeugung wurden ebenfalls geprüft. Zu den Formeln siehe den Artikel Theoretische Grundlagen der Stahlbemessung.

1. Testmodell​

BauteilProfil / MaterialParameter
TrägerIPE A 100, S235Lb = 6000 mm (automatisch = Bauteillänge), Cb aus dem Momentenverlauf, Durchbiegungs-K = 300
StützeIPE A 100, S235KLx = KLy = 3000 mm (Geschosshöhe, K = 1)

Katalogwerte IPE A 100: A = 880 mm², Ix = 1,41×10⁶ mm⁴, Iy = 1,31×10⁵ mm⁴, Sx = 28 800 mm³, Zx = 33 000 mm³, Zy = 7 500 mm³, Sy = 4 770 mm³, J = 7 700 mm⁴, Cw = 2,8×10⁸ mm⁶, h = 98, b = 55, tw = 3,6, tf = 4,7 mm. Der Wert E = 2,1×10⁶ kg/cm² aus der Materialbibliothek wird als 205 940 MPa verwendet.

hinweis

Der Einsatz des IPE A 100 als Stütze mit KL/r = 246 ist kein realistischer Entwurf, sondern ein bewusst gewähltes Grenzszenario: Es prüft in einem einzigen Modell den elastischen Knickast, die Warnung KL/r > 200 und die korrekte Weitergabe kleiner Tragfähigkeitswerte durch die Berichtskette.

2. Nachweis des Trägers (Bereich des elastischen Biegedrillknickens)​

GrößeStatiCAD-BerichtHandrechnungStatus
QuerschnittswerteA = 8,8 cm², Ix = 141 cm⁴, Wel = 28,8 cm³, Wpl = 33,0 cm³, ry = 1,22 cmEinheitenumrechnung der KatalogwerteIdentisch
Lp64 cm1,76·12,2·√(205940/235) = 636 mmIdentisch
Lr283 cmrts = 14,5 mm; J·c/(Sx·h0) = 0,002866; Lr = 2833 mmIdentisch
GrenzzustandElastisches BiegedrillknickenLb = 600 > Lr = 283 cm → elastischer BereichKonsistent
Cb1,93Stationsmomente 1,6G+Q: Mmax = 0,3711, MA = 0,0469, MB = 0,2210, MC = 0,1512 kNm; 12,5·0,3711/(2,5·0,3711 + 3·0,0469 + 4·0,2210 + 3·0,1512) = 1,928Identisch
Mn4,13 kNmLb/rts = 413,8; Fcr (Cb = 1) = 74,4 MPa; Mn = 1,928·74,4·28 800 = 4,132 kNmIdentisch
Vn49,74 kN0,6·235·(98·3,6) = 49,75 kN (Cv1 = 1)Identisch
Durchbiegungf = 0,47 cm ≤ L/300 = 2,00 cm5/48·3670·600²/(2,1×10⁶·141) = 0,465 cmIdentisch

3. Nachweis der Regeln für Lb und Cb​

In einem Modell aus Trägern IPE 300 (S235) (Gleichstreckenlast G = 1000 kg/m + Q = 500 kg/m) wurden vier verschiedene Lagerungsfälle mit einer unabhängigen Berechnung verglichen, die mit den Stationsmomenten der Finite-Elemente-Lösung arbeitet:

TrägerLb / Cbφb·Mn (StatiCAD)Unabhängige Berechnung
Kragträger 3 m3000 mm / 1,000117,51 kNm117,51 kNm
Nebenträger 6 m (beide Enden in Feldmitte von Hauptträgern einbindend)6000 mm / 1,13690,65 kNm90,65 kNm
6 m einfach gelagert (beide Enden gelenkig)6000 mm / 1,13690,65 kNm90,65 kNm
6 m beidseitig eingespannt6000 mm / 1,15792,26 kNm92,26 kNm

Wahl der maßgebenden Kombination: Wird beim einfach gelagerten Träger G als Einzellast in Feldmitte und Q als Streckenlast aufgebracht, liefert die Kombination 1,6G+Q das größte Moment (105,54 kNm, Cb = 1,260, Ausnutzung 1,050). Maßgebend ist jedoch 1,2G+1,6Q (103,59 kNm, Cb = 1,229, Ausnutzung 1,057). Programm und unabhängige Berechnung liefern dieselbe Kombination und dieselben Werte; bei allen Trägern ist die Differenz kleiner als 10⁻¹² kNm.

4. Nachweis der Stütze (elastisches Biegeknicken)​

GrößeStatiCAD-BerichtHandrechnungStatus
rx, ry4,00 cm, 1,22 cm√(I/A): 40,0 mm, 12,2 mmIdentisch
Größtes KL/r245,9 und Warnung „KL/r>200!“3000/12,2 = 245,9 > 200Identisch
Maßgebende FormBiegeknicken um yFey = 33,6 < Fex ≈ 361 < Fez ≈ 437 MPaKonsistent
φcPn23,36 kNFey = 33,6 MPa; Fy/Fe = 6,99 > 2,25 → Fcr = 29,5 MPa; Pn = 25,96 kN; φcPn = 23,36 kNIdentisch
φMny (schwache Achse)1,59 kNm0,9·min(235·7500; 1,6·235·4770) = 1,586 kNmIdentisch
InteraktionGl. 11.3b = 0,092, UYGUN (ERFÜLLT)Pr/Pc = 0,024 < 0,2 → 11.3b; mit gerundeten Werten 0,090Konsistent (Rundung)

5. Bewertung​

tipp

Alle in den Bericht übernommenen Größen der Träger- und Stützenkette stimmen mit der Handrechnung identisch überein. Dadurch, dass im Bericht neben dem Ergebnis auch die Zwischengrößen (Lp, Lr, Cb, KL/r, Grenzzustand, maßgebende Kombination) ausgegeben werden, kann der Ingenieur jedes Ergebnis leicht prüfen.

hinweis

Alle mit der Software erzeugten Ergebnisse müssen grundsätzlich vom verantwortlichen Ingenieur geprüft werden.