Metallleichtbau I PDF

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Metallleichtbau I Zusammenfassung 2018/2019 ...

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Zusammenfassung Metallleichtbau Vorlesung 1: Einführungsveranstaltung Entwicklung • • • • • • • • •

1858 Erste industriell gefertigte Bauelemente aus Stahlblech in England 1930 Herstellung erster Trapezprofile in den USA 1946 Erste Bemessungsregeln in den USA 1946 Einsatz von Stahltrapezprofilen in Deutschland 1960 Rollformung von Trapezprofilen 1960 Erste stückgefertigte Sandwichelemente 1966 Erste bauaufsichtliche Zulassungen für Trapezprofile 1983 Erste allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen für Sandwichelemente 1990 Bauaufsichtliche Einführung von DIN 18807-1, -2, -3

Profile

Elemente und Konstruktionen

Vorlesung 2: Grundlagen Bauelemente Trapezprofile, Bezeichnungen nach DIN 18807-1

Trapezprofile, Generationen

Wellprofile, Regelung -

Früher nach DIN EN 59231 bzw. DIN 18807 – zukünftig DIN EN 1090-4, -5

Kasettenprofile, Bezeichnung nach DIN 18807-1

Kasettenwand, Aufbau

Konstruktionen und Anwendungsbereiche - Dach Einschaliges ungedämmtes Trapezprofil – Dachdeckung -

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Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Einschalig • Ungedämmt • Spannrichtung: First-Traufe Konstruktion: • Dachdeckung aus Trapezprofiltafeln

Einschaliges ungedämmtes Wellprofildach - Dachdeckung -

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Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Einschalig • Ungedämmt • Spannrichtung: First-Traufe Konstruktion: • Dachdeckung aus Wellprofiltafeln

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Trapezprofildach -

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Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Unter- und Oberschale • Parallel verlaufend • Spannrichtung: First-Traufe • Distanzkonstruktion um 90° gedreht Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Distanzkonstruktion mit thermischer Trennung, Wärmedämmung • Oberschale: Trapezprofile

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Trapezprofildach, Distanzprofile diagonal verlegt -

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Merkmale: • Binder-Dachkonstruktion • Spannrichtung Unterschale: parallel zur Traufe • Spannrichtung Oberschale: First-Traufe, Distanzkonstruktion diagonal Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Distanzkonstruktion mit thermischer Trennung, Wärmedämmung • Oberschale: Trapezprofile

Bogendach -

Sonderkonstruktion Merkmale: • Spannrichtung Unterschale: Traufe-Traufe Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Distanzkonstruktion, Wärmedämmung • Oberschale: Trapezprofile

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Dach mit Falz- bzw. Klemmprofilen, Distanzprofile diagonal verlegt -

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Binderkonstruktion Merkmale: • Binder-Dachkonstruktion • Spannrichtung Unterschale: parallel zur Traufe • Spannrichtung Oberschale: First-Traufe, Distanzkonstruktion diagonal Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Distanzkonstruktion, Halter mit thermischer Trennung, Wärmedämmung • Oberschale: Falzprofile

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Dach mit Falz- bzw. Klemmprofilen -

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Pfettenkonstruktion Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Spannrichtung: Binder-Binder • Falzprofile m 90° gedreht angeordnet Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Montageprofil/Distanzkonstruktion, Halter mit thermischer Trennung, weiche Wärmedämmung • Oberschale: Falzprofile

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Dach mit Falz- bzw. Klemmprofilen -

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Pfettenkonstruktion Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Spannrichtung: Binder-Binder • Falzprofile m 90° gedreht angeordnet Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Montageprofil/Distanzkonstruktion, Halter mit thermischer Trennung, harte Wärmedämmung unten • Oberschale: Falzprofile

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Dach mit Falz- bzw. Klemmprofilen -

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Pfettenkonstruktion Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Spannrichtung: Binder-Binder • Falzprofile m 90° gedreht angeordnet Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Montageprofil/Distanzkonstruktion, Halter mit thermischer Trennung, trittfeste Wärmedämmung • Oberschale: Falzprofile

Zweischaliges wärmegedämmtes nichtbelüftetes Dach mit Falz- bzw. Klemmprofilen -

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Pfettenkonstruktion Merkmale: • Pfetten-Dachkonstruktion • Spannrichtung: Binder-Binder • Falzprofile m 90° gedreht angeordnet Konstruktion: • Unterschale: Trapezprofil, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Distanzkonstruktion aus Holz, Halter mit thermischer Trennung, weiche Wärmedämmung • Oberschale: Falzprofile

Konstruktionen und Anwendungsbereiche - Außenwand Einschalige ungedämmte Trapezprofilwand -

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Riegelkonstruktion Merkmale: • Riegel-Wandkonstruktion • Einschalig • Ungedämmt • Spannrichtung: vertikal Konstruktion: • Außenschale: Trapezprofile

Zweischalige wärmegedämmte Trapezprofilwand -

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Riegelkonstruktion Merkmale: • Riegel-Wandkonstruktion • Zweischalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung: Innen- und Außenschale vertikal Konstruktion: • Innenschale: Trapezprofile, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Distanzprofil mit thermischer Trennung, Wärmedämmung • Außenschale: Trapezprofile

Außenwandbekleidung ohne Wärmedämmung vor Massivwand -

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(Unterkonstruktion einteilig, horizontal) Merkmale: • Wandbekleidung • Einschalig • Ungedämmt • Spannrichtung: vertikal Konstruktion: • Distanz-/Unterkonstruktion • Außenschale: Wellprofile

Außenwandbekleidung mit Wärmedämmung vor Massivwand -

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(Distanz-/Unterkonstruktion zweiteilig, horizontal) Merkmale: • Wandbekleidung • Einschalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung: vertikal Konstruktion: • Distanz-/Unterkonstruktion, Wärmedämmung, thermische Trennung auf Distanzprofilen • Außenschale: Trapezprofile

Stahlkassettenprofilwand mit Trennstreifen -

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Merkmale: • Stützen-Wandkonstruktion • Zweischalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung Innenschale: horizontal • Spannrichtung Außenschale: vertikal Konstruktion: • Innenschale: Kassettenprofile, Fugenbänder im Kassettenlängsstoß und Kassettenquerstoß als Dampfsperre bzw. Luftsperre, Wärmedämmung, thermische Trennung auf Kassettenstegen • Außenschale: Trapezprofile (vertikal verlegt)

Stahlkassettenprofilwand mit Akustik-Lochung -

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Merkmale: • Stützen-Wandkonstruktion • Zweischalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung Innenschale: horizontal • Spannrichtung Außenschale: vertikal Konstruktion: • Innenschale: Kassettenprofile mit Akustiklochung, Fugenbänder im Kassettenlängsstoß als Dampfsperre bzw. Luftsperre, Schallschluckplatten, Dampfsperre bzw. Luftsperre, Wärmedämmung, thermische Trennung auf Kassettenstegen • Außenschale: Trapezprofile

Stahlkassettenprofilwand mit horizontaler Außenschale -

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Merkmale: • Stützen-Wandkonstruktion • Zweischalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung Innenschale: horizontal • Spannrichtung Außenschale: horizontal Konstruktion: • Innenschale: Kassettenprofile, Fugenbänder im Kassettenlängsstoß und Kassettenquerstoß als Dampfsperre bzw. Luftsperre, Wärmedämmung, thermische Trennung auf Kassettenstegen, Distanz-/Zwischenkonstruktion • Außenschale: Wellprofile

Stahlkassettenprofilwand mit vorgehängter Dämmschicht -

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Merkmale: • Stützen-Wandkonstruktion • Zweischalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung Innenschale: horizontal • Spannrichtung Außenschale: vertikal Konstruktion: • Gemäß Zulassung Z-14.1-421 oder Z-14.1-466 • Innenschale: Kassettenprofile, Fugenbänder im Kassettenlängsstoß und Kassettenquerstoß als Dampfsperre bzw. Luftsperre, Wärmedämmung, DistanzBohrbefestiger • Außenschale: Trapezprofile

Stahlkassettenprofilwand mit horizontaler Außenschale (Sidings) -

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Merkmale: • Stützen-Wandkonstruktion • Zweischalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung Innenschale: horizontal • Spannrichtung Außenschale: horizontal Konstruktion: • Innenschale: Kassettenprofile, Fugenbänder im Kassettenlängsstoß und Kassettenquerstoß als Dampfsperre bzw. Luftsperre, Wärmedämmung, thermische Trennung auf Kassettenstegen, Distanz-/Zischenkonstruktion • Außenschale: Linerprofile (Siding)

Konstruktionen mit Sandwichelementen Verschiedene Kernmaterialien

Sandwichproduktion (Kernmaterial Polyurethan)

Sandwichproduktion (Kernmaterial Mineralwolle)

Oberflächen

Befestigungsarten

Dachelement

Wand-Sandwichelement -

Merkmale: • Riegel-Wandkonstruktion • Einschalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung: vertikal

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Merkmale: • Riegel-Wandkonstruktion • Einschalig • Wärmegedämmt • Spannrichtung: horizontal

Vorgehängte hinterlüftete Fassade (VHF) Grundlagen -

Als „hinterlüftet“ bezeichnet man Außenwandkonstruktionen, bei denen die außen angebrachte Wärmedämmschicht durch eine zirkulierende Luftschicht von der davor liegenden Wetterschutzschicht getrennt ist

Aufbau

Unterkonstruktion – Konsole

Montage

Vorlesung 3: Bemessung von dünnwandigen Stahlprofilen Grundlagen der Bemessung Grundlegendes -

Konzept nach DIN EN 1990: Grundlagen der Tragwerksplanung Anforderungen: • Ein Tragwerk ist so zu planen und auszuführen, dass es während der Errichtung und in der vorgesehenen Nutzungszeit mit angemessener Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit: o Den möglichen Einwirkungen und Einflüssen standhält o Die geforderten Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerks oder eines Bauteils erfüllt

Besonderheiten leichter Baukonstruktionen -

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Leichte Bauteile haben: • Die Tendenz zu großen Verformungen • Keine thermischen Kapazitäten • Keine nennenswerte Feuchtepuffer • Relativ geringes Schalldämmvermögen Daher ist neben dem Tragfähigkeitsnachweis (ULS) stets auch der Gebrauchstauglichkeitsnachweis (SLS) zu führen Definition: „Der Grenzzustand ist der Zustand, bei dessen Überschreitung das Tragwerk die Entwurfsanforderungen nicht länger erfüllt“

Nachweise für dünnwandige Bauelemente

Grenzzustände -

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Im EC 3 wird für beide Grenzzustände die sog. Einwirkungsseite E einer sog. Widerstandsseite R bzw. C (Werkstoffeigenschaften) gegenübergestellt Verwendet wird hierbei ein semi-probalistischer Ansatz, d.h.: es werden Sicherheitsbeiwerte verwendet Grenzzustand der Tragfähigkeit: • Verlust des Gleichgewichtes • Bauteilbruch • Versagen durch Verformung • Stabilitätsversagen ➔ Gefahr für Leib und Leben Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit: • Durchbiegung • Verformungen (Erscheinungsbild) • Nutzungsanforderungen • Schwingungen ➔ Komfort, Wohlbefinden, Erscheinungsbild

Normen und Richtlinien Allgemeine Fachregeln für kaltgeformte Stahlprofile -

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DIN Normen • Bemessung o DIN EN 1993-1-3 • Konstruktion und Ausführung o Selbstragende Profile: DIN EN 14782 o Tragende Profile: DIN 18807 bzw. DIN EN 1990 Richtlinien • Fachregeln des Metallleichtbaus des IFBS • Flachdachrichtlinien/Fachregeln des ZVDH • Fachregeln des ZVSHK

DIN 18807 -

Teil 1 (zurückgezogen): • Allgemeine Anforderungen, Ermittlung der Tragfähigkeitswerte durch Berechnung Teil 2 (zurückgezogen): • Durchführung und Auswertung von Tragfähigkeitsversuchen Teil 3: • Festigkeitsnachweis und konstruktive Ausbildung

Mitteilung des DIBt 2/1988 -

Ergänzung zur DIN 18807 Teil 1 bis 3 Anpassung des Versuchskonzeptes auf Kassettenprofile Keine Anpassung des Bemessungskonzeptes

DIN EN 1993-1-3 + A1 + NA -

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Bemessungsregeln für kaltgeformte Bauteile und Bleche aus Stahl • Aktuelles Bemessungs- und Versuchskonzept • Basiert auf DIN 18807 • Beinhaltet Verweise auf DIN 18807 Relevante Querschnittsformen • Kaltgewalzte Bauteile

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Kaltgeformte Bauteile und Bleche

Profile im Bauwerk Abtragung Vertikallasten bei Hallen ohne und mit Pfetten

Abtragung Vertikallasten bei Hallen ohne Pfetten -

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Trapezprofile • Tragrichtung: längs • Spannweite: 5 bis 7 m • Höhe: 100 bis 165 mm • Dachabdichtung wegen Entwässerung erforderlich Zweigelenkrahmen • Tragrichtung: quer • Spannweite: 10 bis 30 m

Abtragung Vertikallasten bei Hallen mit Pfetten -

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Trapezprofile • Tragrichtung: quer • Spannweite: 1,5 bis 4 m • Höhe: 35 bis 85 mm • „nacktes Blech“ möglich Pfetten • Tragrichtung: längs • Abstand: 1,5 bis 4 m • Spannweite: 5 bis 8 m Zweigelenkrahmen • Tragrichtung: quer • Spannweite: 10 bis 30 m

Abtragung der Horizontallasten in Hallenquerrichtung bei Hallen ohne Wandriegel -

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Wandverkleidung • Kassettenprofile • Tragrichtung: horizontal • Spannweite: 5 bis 7 m Zweigelenkrahmen • Tragrichtung: vertikal • Rahmenhöhe: 4 bis 10 m

Abtragung der Horizontallasten in Hallenquerrichtung bei Hallen mit Wandriegel -

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Wandverkleidung • Trapezprofile oder Sandwichelemente • Tragrichtung: vertikal • Spannweite: 3 bis 5 m Wandriegel • Tragrichtung: horizontal • Abstand: 3 bis 5 m • Spannweite 5 bis 8 m Zweigelenkrahmen • Tragrichtung: vertikal • Rahmenhöhe: 4 bis 10 m

Mindestblechdicke, Stahl (DIN 18807 Teil3) -

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Dächer • Als tragende Teile bei Stützweiten o Bis 1,5 m: o Über 1,5 m: • Als Dachdeckung bei Stützweiten o Bis/unter 1,5 m: o Über/ab 1,5 m: Decken • Als tragende Teile: • Als verlorene Schalung: Weitere Bauteile • Wände und Wandbekleidung: • Distanzprofile: • Zubehörteile:

tN ≥ 0,5 mm tN ≥ 0,75 mm tN ≥ 0,5 mm tN ≥ 0,63 mm tN ≥ 0,88 mm tN ≥ 0,75 mm tN ≥ 0,5 mm tN ≥ 0,88 mm tN ≥ 0,7 mm

Einwirkungen, Lastannahmen Einwirkungen -

Unterteilung nach zeitlicher Veränderlichkeit • Ständig (G) o Z.B. Eigengewicht • Veränderlich (Q) o Zusätzliche Unterteilung in ▪ Lang, z.B. Nutzlasten in Lagerhäudern ▪ Mittel, z.B. Verkehrslasten auf Decken ▪ Kurz, z.B. Windlasten ▪ Sehr kurz, z.B. Anprall von Fahrzeugen, Explosion • Außergewöhnlich (A) o Z.B. Erdbeben, Explosion

DIN EN 1991 (EC1): Einwirkungen auf Tragwerke -

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Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke – Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau • Eigengewicht: o Eigengewicht nach Herstellerangaben • Nutzlasten: o Veränderliche oder bewegliche Einwirkungen auf das Bauteil o Beispiel: Personen, Maschine und Fahrzeuge etc. Teil 1-3: Allgemeine Einwirkungen, Schneelasten • Sonderfall: Schneeüberhang an der Traufe o Auskragende Teile eines Daches (Dachüberstand) werden durch Schneeüberhang zusätzlich belastet. Diese Belastung ist zusätzlich zur Schneelast an der Traufe als Linienlast se anzusetzen Teil 1-4: Allgemeine Einwirkungen, Windlasten

Widerstandswerte Bestimmung der Widerstandgrößen -

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Nach Angaben des Herstellers • Gegeben in Typenblättern oder Belastungstabellen • Einfaches Handling für die Erstellung einer Genehmigungsstatik • Zuvor durch Versuche oder Rechenverfahren ermittelt • Nur Regelfälle abgedeckt Durch Bauteilversuche nach EN 1993-1-3 • Ausschöpfung aller Tragreserven • Anwendung in der Praxis Durch Berechnung nach EN 1993-1-3 • Hilfe bei der Entwicklung von optimierten Profilformen • Teilweise aufwändiges, iteratives Vorgehen Als Widerstandgrößen von kaltgeformten Profilen gelten i.a. querschnittsbezogene Werte. Diese werden für Biegung mit Querkraft im Regelfall durch Bauteilversuche gewonnen ➔ Beanspruchbarkeit in Form von o Biegemomenten o Auflagerkräften o Trägheitsmomente o Grenzstützweiten für die Begehbarkeit Die Daten der jeweiligen Profile sind in Typenblättern zusammengestellt, die i.a. Bestandteile eines amtlich geprüften Typenentwurfs sind und somit als sichere Grundlage für die Bemessung herangezogen werden können. Als weitere Bemessungshilfe stellen die Hersteller Belastungstabellen zur Verfügung Typenblätter aus Prüfbescheiden • Die Tragfähigkeitswerte in den Prüfbescheiden sind keine zulässigen Bemessungsgrößen, da sie die Sicherheitsbeiwerte nicht einhalten • Mit den Tragfähigkeitswerten in den Prüfbescheiden sind die Nachweise der Gebrachs- und Tragfähigkeit nach EC3 Teil 1-3 für die Genehmigungsstatik zu führen Belastungstabellen • Die Verwendung von Belastungstabellen ersetzt jedoch nicht die statischen Nachweise auf der Basis der tragfähigkeitswerte in den Prüfbescheiden • Für Entwurf und Vorbemessung stellen die Hersteller zusätzliche Belastungstabellen für Ein-, Zwei- und Dreifeldträger unter Flächenlast zur Verfügung

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Versuch „Feld“ • Der Versuch „Feld“ dient zur Ermittlung des aufnehmbaren Biegemoments im Feld Mc,Rk,F bei nicht vorhandener Querkraft sowie zur Ermittlung des effektiven Trägheitsmoments Ief

Das aufnehmbare Biegemoment ergibt sich als das zur Maximallast des Versuchs „Feld“ gehörige Biegemoment unter Berücksichtigung der Versuchsvorlast und der Eigenlast des Prüfkörpers • Das effektive Trägheitsmoment ist aus dem linearen Gebrauchslastbereich der LastVerformungskurve des Versuchs „Feld“ zu bestimmen. Setzungen in den Belastungseinrichtungen und den Auflagern sind zu eliminieren. Der Versuchswert ist dem Rechenwert des vollen Querschnitts gegenüberzustellen – der kleinere Wert ist maßgebend Versuch „Zwischenauflager“ (Ersatzträgerversuch) • Der Ersatzträgerversuch soll die Verhältnisse im Bereich negativer Stützmomente bei Durchlaufträgern simulieren • Der Versuch „Zwischenauflager" dient zur Ermittlung des Biegemomentes Mc,Rk,B bzw. M0,Rk,B über einem Zwischenauflager bei Durchlaufträgern, und zwar in Abhängigkeit von der Zwischenauflagerkraft Rw,Rk,B bzw. R0,Rk,B sowie der Auflagerbreite la,B. •

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Die Ersatzträgerversuche werden außerdem zur Bestimmung der Reststützmomente für das Nachweisverfahren Plastisch-Plastisch herangezogen Fährt man den Versuch nach der Überschreitung der maximalen Last max F weiter, also auch über das maximale elastische Moment hinaus, so bilden sich plastische Verformungen und die Last F fällt ab. Je stärker das Profil verformt wird, desto kleiner wird die Last und damit auch das Biegemoment Mit einer weggesteuerten hydraulischen Belastungseinrichtung lässt sich dieser Vorgang auf einem Kraft-Verformungs-Diagramm gut verfolgen

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Versuch „Endauflager“ • Als Zwischenauflager gilt ein Auflager dann, wenn das Trapezprofil mehr als das 1,5fache der schrägen Steglänge übersteht. Im anderen Fall liegt ein Endauflager vor • Der Versuch „Endauflager" dient zur Bestimmung der aufnehmbaren Endauflagerkraft Rw,Rk,A des Einfeldträgers bzw. des Endfeldes eines Mehrfeldträgers • Die Endauflagerkraft ergibt sich aus der Maximallast des Versuchs, der Versuchsvorlast und der Eigenlast des Prüfkörpers. Ergeben sich, bedingt durch die Form des Trapezprofils, zwei Lastmaxima, wobei das zweite größer als das erste ist, so ist das erste für den Gebrauchszustand, das zweite für den Bruchzustand maßgebend

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Grundlegendes zur Querschnittstragfähigkeit dünnwandiger Kaltprofile 1) Beulen • die Dünnwandigkeit von Stahlprofilen wird wie bei Platten über das Schlankheitsverhältnis (Plattenbreite/Plattendicke -b/t) definiert • bei Bauteilen mit hoher Schlankheit können unter Druckbeanspruchung noch vor Erreichen der Streckgrenze lokale Beulerscheinungen auftreten • aus dem Grund kann bei auftretenden Beulen nicht die die gesamte Querschnittstragfähigkeit erreicht werden • das generelle Stabilitätsproblem Beulen ist in DIN EN 1993-1-5 geregelt 2) Biegeknicken und Biegedrillknicken • werden dünnwandige Profile als Stäbe oder Pfetten eingesetzt, ...