Zum Biegetragverhalten von Wabenträgersystemen aus Stahltrapezprofilen

This thesis introduces a newly developed construction solution for the cladding of roofs and facades of industrial steel-framed buildings, a so-called honeycomb girder system consisting of a mirror-symmetric arrangement of trapezoidal corrugated steel sheets connected with mechanical fasteners. It allows an increase of steel frame distances from 6 to 9 m up to 14 m. The present study investigates experimentally and numerically the load-carrying behaviour of simple beams of honeycomb girder systems under bending. Based on numerical parametric studies the maximum characteristic surface load of honeycomb girder systems with varying practically relevant geometric boundary conditions was determined. Within the investigated parameter variations, the mechanical fasteners were identified as the dominant component in the design of honeycomb girder systems. Furthermore, a constant development of the bending stiffness was observed up to reaching the maximum surface load.Experimental investigations of different honeycomb girder systems examined the load-carrying behaviour under bending and the subsequent verification of numerical models. By varying the fastener type and arrangement the influence of these structural parameters on the load-bearing capacity of honeycomb girder systems was quantified. In addition the load-carrying behaviour of different connections under shear was investigated experimentally in order to determine their characteristic shear forces and the spring characteristic curves, which serve as initial input data for the numerical simulation of honeycomb girder systems.Numerical preinvestigations determined adequate input parameters for the following numerical verification analysis. At first experimental investigations on trapezoidal corrugated steel sheets were simulated. It was determined that the usage of the lower yield strength ReL in numerical simulations realistically reproduces the collapse phenomenology of trapezoidal corrugated steel sheets under bending. The abstraction of the connections in honeycomb girder systems in numerical simulations was carried out with nonlinear spring elements whose stiffness behaviour was similar to the experimentally determined spring characteristic curves. The numerical simulations of experimental investigation on honeycomb girder systems allowed to verify this procedure for the numerical description of the load-carrying behaviour of the connections as well as the numerical model of honeycomb girder systems itself.

To determine the maximum characteristic surface loads of honeycomb girder systems a design concept was developed and applied to the results of numerical parametric studies. The first parametric study varied fastener types, sheet thicknesses, profile types and spans with an equidistant fastener arrangement. The noncutting self-drilling screw proved to be the fastener type with the highest efficiency. It could be observed that the mechanical fastener dominated the design of honeycomb girder systems in 94 % of test cases. The second parametric study showed that a graduated fastener arrangement that is affine to the shear force distribution increases the load-bearing capacity of honeycomb girder systems. Furthermore, the investigated honeycomb girder systems with practically relevant geometric boundary conditions exhibited a constant effective moment of inertia up to reaching the maximum characteristic surface load. Eine neu entwickelte Konstruktionslösung zur Dacheindeckung im Stahlhallenbau aus den sogenannten Wabenträgersystemen, spiegelsymmetrisch angeordneten und über stiftförmige Verbindungsmittel schubfest verbundene Stahltrapezprofile, erlaubt eine Erhöhung der baupraktisch üblichen Rahmenabstände von 6 bis 9 m auf bis zu 14 m. In dieser Arbeit wurde das Biegetragverhalten von einfeldrigen Wabenträgersystemen experimentell und numerisch untersucht. Basierend auf numerischen Parameteruntersuchungen konnte unter Variation baupraktisch relevanter geometrischer Randbedingungen die maximale zulässige Flächenbelastung unterschiedlicher Wabenträgersysteme bestimmt werden. Innerhalb der untersuchten Parametervariationen konnte das Verbindungsmittel als bemessungsdominierende Bauteilkomponente in Wabenträgersystemen identifiziert und eine konstante Biegesteifigkeitsentwicklung bis zum Erreichen der Traglast beobachtet werden.

Experimentelle Untersuchungen unterschiedlicher Wabenträgersysteme dienten der Beschreibung des Biegetragverhaltens und der nachfolgenden Verifizierung numerischer Modelle. Durch Variation der Art und Anordnung der Verbindungsmittel konnte der Einfluss dieser strukturellen Parameter auf die Biegetragfähigkeit und die Biegesteifigkeit von Wabenträgersystemen quantifiziert werden. Darüber hinaus wurde das Abscherverhalten verschiedener Verbindungen untersucht und daraus die charakteristischen Grenzquerkräfte abgeleitet sowie die Federkennlinien für numerische Untersuchungen von Wabenträgersystemen ermittelt.

Durch numerische Voruntersuchungen wurden geeignete numerische Eingangsparameter für die nachfolgenden Verifizierungsberechnungen bestimmt. Diese erfolgten zunächst für Stahltrapezprofile. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Verwendung des unteren Streckgrenzenwertes ReL als Fließgrenze in numerischen Berechnungen die Phänomenologie des Versagens der Stahltrapezprofile unter einer Biegebeanspruchung realitätsnah abbildet. Die Abstrahierung der Verbindungen der Wabenträgersysteme in numerischen Berechnungen erfolgte durch nichtlineare Federelemente, deren Steifigkeitsinformation den zuvor experimentell bestimmten Federkennlinien entsprach. Durch numerische Simulationen der experimentellen Untersuchungen an Wabenträgersystemen konnte diese Vorgehensweise zur numerischen Beschreibung des Tragverhaltens der Verbindungen überprüft und das numerische Modell zur Abbildung des Biegetragverhaltens von Wabenträgersystemen verifiziert werden.

Zur Bestimmung der maximal zulässigen Flächenbelastungen von Wabenträgersystemen wurde ein Bemessungskonzept entwickelt und auf die Ergebnisse numerischer Parameteruntersuchungen angewendet. Die erste Parameteruntersuchung erfolgte unter Variation der Verbindungsmittelart, der Blechstärke, des Profiltyps und der Systemlänge bei einer äquidistanten Verbindungsmittelanordnung von 333 mm. Als leistungsfähigstes Verbindungsmittel stellte sich dabei die Fließbohrschraube heraus. Gleichzeitig waren die Verbindungsmittel in 94 % der untersuchten Wabenträgersysteme die bemessungsdominierende Bauteilkomponente. Durch eine zweite Parameteruntersuchung konnte der tragfähigkeitssteigernde Einfluss einer affin zum Querkraftverlauf gestaffelten Anordnung der Verbindungsmittel nachgewiesen werden. Darüber hinaus war bei den untersuchten Wabenträgersystemen mit baupraktisch relevanten geometrischen Randbedingungen ein konstantes effektives Flächenträgheitsmoment bis zum Erreichen der maximal zulässigen Flächenbelastung zu beobachten.