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Wölbsteifen und ihr Potenzial zur Versteifung biegedrillknickgefährdeter I‐Träger – eine Fallstudie

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de Wölbsteifen bieten die Möglichkeit, auf Torsion belastete drillweiche I-Träger durch die sogenannte Drillkopplung zu versteifen. In der Praxis ist das Biegedrillknicken, ein komplexes Stabilitätsversagen, besonders bei schlanken I-Trägern häufig maßgebend für deren Bemessung. Die Wölbversteifung von I-Trägern gegen Torsion hat auch auf den Biegedrillknickwiderstand einen positiven Einfluss. So können in den Trägerverlauf eingeschweißte Wölbsteifen das System derart versteifen, dass auf die Wahl größerer Trägerprofile verzichtet werden kann. Ausgehend von Wölbsteifen in Form von U-Profilen kann deren Geometrie hinsichtlich Materialeinsparungen noch optimiert werden, ohne dass das Gesamtsystem signifikante Steifigkeitsverluste gegenüber den vollen U-Profilen erfährt. In dieser Hinsicht stellt die additive Fertigung eine Alternative zur konventionellen Herstellung von Wölbsteifen dar. Der vorliegende Beitrag zeigt neben einem Überblick über Wölbsteifen anhand einer Fallstudie, inwiefern das ideelle Biegedrillknickmoment eines drillweichen Einfeld-I-Trägers durch Wölbsteifen erhöht werden kann. Betrachtet wird außerdem die Optimierung der Wölbsteifengeometrie und deren Auswirkung auf die Stabilität des Trägers. Abstract en Warping springs and their potential for stiffening i-beams at risk of lateral torsional buckling – a case study Warping springs offer the possibility to stiffen drill-soft I-beams under torsion by means of the so-called drill coupling. In practice, lateral torsional buckling, a complex stability failure, is often decisive for the design of slender I-beams. The stiffening of I-beams against torsion with warping springs also has a positive influence on the lateral torsional buckling resistance. For example, hollow warping springs welded into the beam can stiffen the system to such an extent that the choice of larger beam sections can be avoided. Starting from warping springs in the form of U-profiles, their geometry can be optimised in terms of material savings without the overall system experiencing significant losses in stiffness compared to the full U-profiles. In this respect, additive manufacturing represents an alternative to the conventional production of warping springs. In addition to an overview of warping springs, this paper shows by means of a case study to what extent the lateral torsional buckling of a drill-soft single-span I-beam can be increased by warping springs. The optimisation of the warping spring geometry and its effect on the stability of the beam is also considered.

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Die vorliegende 4. Auflage beschreibt die, noch anhaltende, Entwicklung und Verbreitung der Generativen Fertigungstechnik über alle Branchen und viele Anwendergruppen hinweg. Leistungsfähige Production Printer arbeiten in der Industrie und Fabber, kleine, preiswerte und meist selbst zu bauende 3D Drucker, erschließen die Generative Fertigung auch für Privatleute und an entlegenen Orten. Seriöse Journale und Tageszeitungen machen mit Druckern Erfolgsgeschichten auf. Drucker sind in aller Munde. Daneben wird die Technik sukzessive verbessert. Die Prozesse werden stabiler und vor allem reproduzierbar. Eine wirkliche Massenproduktion von Einzelteilen gelingt in einzelnen Branchen und beginnt sich durchzusetzen. Neben den notwendigen Aktualisierungen und Ergänzungen zeichnet dieses Buch vor allem diese Entwicklung nach.
Article
Die vollautomatische Fertigung ist in der Stahlbauindustrie angekommen. Zwar gibt es erst sehr wenige Firmen, die Stahlbauteile komplett von Robotern zusammenbauen lassen, aber der Mangel an Facharbeitern verbunden mit einem kontinuierlichen Fortschritt in der Maschinentechnik führt zu einem kontinuierlichen Zuwachs in diesem Bereich. So kann z. B. ein Roboter eine Fußplatte oder eine Steife an eine Stütze halten, während der zweite die Schweißnähte fertigt. Schweißroboter können darüber hinaus mithilfe des 3D-Druckverfahrens WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) Details (Steifen), Knotenpunkte, Bauteile (insbesondere mit außergewöhnlichen Geometrien) und ganze Bauwerke herstellen. Der Schweißdraht wird hierbei als Druckwerkstoff eingesetzt, sodass es sich im Prinzip um eine Auftragsschweißung handelt. Hierdurch kann nicht nur die Logistik im Fertigungsbetrieb vereinfacht werden, da Steifen oder andere Anschlusselemente nicht mehr vorab zugeschnitten und an den Zusammenbauplatz geliefert werden müssen. Es können sich auch neue, dem Kraftfluss entsprechende Geometrien ergeben. Dadurch wird ein ganz anderes Konstruieren als bisher ermöglicht. Der vorliegende Beitrag zeigt, neben einem kurzen Überblick über das WAAM, einige Fertigungsbeispiele aus Forschungsprojekten des Fachgebiets Stahlbau der TU Darmstadt, sich aus der Optimierung ergebende neue Lösungen für alte Probleme und die erste Brücke, die komplett an ihrem Einsatzort gedruckt wurde.
Thesis
Wölbfedern sind eine weitestgehend unterschätzte Möglichkeit die drillweichen I-Träger des Stahlbaus zu versteifen. Speziell im Hinblick auf Biegedrillknicken können Wölbfedern die Tragfähigkeit eines I-Trägern merklich erhöhen. Was ihr detailliertes Tragverhalten angeht sind Wölbfedern jedoch nur schwer zu beschreiben. Diese Abhandlung soll in zwei Teilen einen Beitrag zum besseren Verständnis des Tragverhaltens von Wölbfedern leisten. Im ersten Teil werden die Theorie der Wölbkrafttorsion und das mechanische Modell punktförmiger Wölbfedern im Verlauf der Trägerachse auf ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit überprüft. Hierfür werden Versuche an ausgewählten Trägern mit zwei oder vier Wölbfedern aus U-Profilen durchgeführt und mit einer analytischen Berechnung der Träger verglichen. Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass das Tragverhalten von I-Trägern mit Wölbfedern unter Torsion mithilfe der bekannten mechanischen Methoden wirklichkeitsnah abgebildet werden kann. Im zweiten Teil wird das innere Tragverhalten der Wölbfeder an einem konkreten Beispiel numerisch untersucht. Dafür wird eines der zuvor bereits untersuchten Systeme mittels der Finite-Elemente-Methode berechnet und die Spannungsverläufe innerhalb der Wölbfeder ausgewertet. Die Analyse der Spannungen zeigt, dass die Haupttragwirkung der untersuchten Wölbfeder durch den Kreisschubfluss in der x-y-Ebene des aus den U-Profilen zusammengesetzten Hohlkastens entsteht. Die Bestandteile der U-Profile werden demnach hauptsächlich auf Scheibenschub beansprucht. Aus dieser Erkenntnis wird ein vereinfachtes Modell zur Berechnung der Spannungen in der Feder entwickelt, das als Grundlage zur Bemessung von Wölbfedern dienen kann.
Article
Es werden die allgemeinen Grundkenntnisse in systematischen und überschaubaren Schritten mit dem Ziel aufgebaut, dass alle üblichen Schub- und Torsionsprobleme sicher bearbeitet werden können. Zahlreiche Beispiele erläutern leicht verständlich und praxisnah die Zusammenhänge aus diesem Bereich der Festigkeitsberechnung. Ergänzungen, Hinweise und Berechnungsübersichten für die Anwendung in der Praxis runden den Inhalt dieses Fach- und Lehrbuchs ab. Im Internet steht ein Errata (PDF-Datei) als Download bereit. Der Link lautet:http://www.stahlbau.bi.htwg-konstanz.de/index.php?nav=09_Download Das Dokument heißt: Schub_und_Torsion_ERRATA-Datum.pdf
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Witte, H. (1960) Der Einfluss der Drillkopplung auf das Biegedrillknicken von Trägern mit doppeltsymmetrischem Querschnitt in: Stahlbau 29, H. 1, S. 21-23.
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ANSYS INC. (2020) ANSYS (V.2020 R1) [Software]. https://www.ansys.com
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