Statische Versagensformen – wie Knicken, Biegedrillknicken, lokales Beulen, Schubbeulen und Schalenstabilität – unterscheiden sich in den zugrunde liegenden Ursachen, dem Verhalten und den Bauteilen, auf die sie sich auswirken. Ein grundlegendes Verständnis dieser Stabilitätsprobleme und deren Identifikation sind entscheidend für die Durchführung genauer Analysen und die Bemessung belastbarer Tragwerke. Dieser Beitrag soll Sie dabei unterstützen, indem jeder Versagenstyp einschließlich seiner Eigenschaften, Hauptursachen und Hauptmerkmale ausführlich erläutert wird. Zum Schluss wird eine Vergleichstabelle erstellt, in der die Unterschiede zwischen den Ausfalltypen zusammengefasst sind, sodass Sie diese leichter identifizieren und unterscheiden können.
Beim Durcharbeiten dieses Beitrags sollten Sie bedenken, dass alle diese Versagensformen mit dem Dlubal-Add-On Strukturstabilität untersucht werden können. Durch den Einsatz dieses Werkzeugs erhalten Sie die einzigartige Möglichkeit, die Herausforderungen im Zusammenhang mit diesen Versagenstypen durch eine erweiterte Finite-Elemente-Analyse (FEM) anzugehen. Jede hier behandelte Versagensform wird von einem Beispiel begleitet, das einen tieferen Einstieg in das Thema ermöglicht. Darüber hinaus bietet Dlubal eine Vielzahl von wertvollen Ressourcen, wie Knowledge-Base-Artikel, FAQs und Webinare, die im entsprechenden Bereich der Dlubal-Website abrufbar sind.
Biegeknicken
Biegeknicken ist eine Form der globalen Instabilität, die bei einem Bauteil unter zentrischem Druck auftritt, was dazu führt, dass sich das Stab aufgrund der Druckkraft seitlich biegt oder "ausknickt". Dieses Phänomen tritt auf, wenn die kritische Last überschritten wird, ab welcher der Stab seine Stabilität auf Druck verliert. Knicken tritt am häufigsten bei schlanken Stützen oder Stäben mit einem hohen Verhältnis von Länge zu Trägheitsradius auf. Dieses Verhalten wird typischerweise durch die Eulersche Knickformel für elastische Materialien geregelt, kann aber je nach Materialeigenschaften und Geometrie des Stabes entweder elastisch oder inelastisches Knicken beinhalten.
Biegedrillknicken
Biegedrillknicken ist eine Instabilität bei biegebeanspruchten Trägern, die sowohl zu einer seitlichen Verschiebung als auch zur Verdrehung führt. Die primäre Ursache für dieses Phänomen ist der Druck im oberen Flansch, gekoppelt mit einer unzureichenden seitlichen Abstützung. Am häufigsten wird es bei Biegestäben wie Balken und Trägern beobachtet, bei denen momenteninduzierte Beanspruchung eine deutliche Rolle spielt. Das Auftreten von Biegedrillknicken wird von Faktoren wie der verschieblichen Länge, der Querschnittsform und dem Momentenverlauf beeinflusst. Der Nachweis wird in der Regel mit dem idealen Biegedrillknickmoment geführt.
Lokale Beulgefahr
Lokales Beulen bezieht sich auf das Versagen einzelner Plattenelemente (z. B. Flansche, Stege) innerhalb eines Querschnitts, ohne eine globale Instabilität des gesamten Stabes zu verursachen. Die primäre Ursache für lokales Beulen ist eine örtliche Druckspannung, welche die kritische Knickspannung des Plattenelements übersteigt. Diese Art des Beulens ist häufig in dünnwandigen Profilen wie I-Trägern, Hohlkästen und kaltgeformten Stahlprofilen zu finden. Dies muss berücksichtigt werden, da die Festigkeit und Steifigkeit der Stäbe beeinflusst wird, was zu einer Verringerung der Tragfähigkeit führt.
Beulen
Schubbeulen bezieht sich auf eine Art der strukturellen Instabilität, die bei einem Stab auftritt, der Schubkräften ausgesetzt ist, was dazu führt, dass sich das Material verformt oder seitlich "ausknickt". Schubbeulen tritt auf, wenn die einwirkende Querkraft die kritische Schwelle überschreitet, was dazu führt, dass sich das Tragwerk seitlich oder aus der Ebene verformt. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn der Stab dünn ist und keine ausreichende seitliche Abstützung aufweist, um der Querkraft standzuhalten. Daher wird Schubbeulen häufig bei Elementen wie Platten, Stegen von I-Trägern oder anderen schlanken Konstruktionen unter Schubspannungen beobachtet. Die entscheidende Größe für Schubbeulen ist die Schubbeulspannung, die von Faktoren wie der Dicke des Elements, dem Seitenverhältnis, den Randbedingungen und den Materialeigenschaften beeinflusst wird.
Schalenbeulen
Als Schalenbeulen wird der Stabilitätsverlust bei dünnen gekrümmten Tragwerken (Schalen) wie zylindrischen, kugelförmigen oder konischen Formen (z. B. Behälter, Silos, Rohrleitungen) unter Druck- oder Querbelastungen bezeichnet. Sie tritt auf, wenn diese Lasten dazu führen, dass sich die Schale verformt und ihre Fähigkeit, weitere Lasten zu tragen, verringert wird, was zu erheblichen Verzerrungen oder sogar zum Einsturz führen kann. Die Hauptursache für das Beulen von Schalen ist ein ungleichmäßiger Verlauf von Spannungen, die typischerweise aus Normalkräften, Schubspannungen oder Außendruck resultieren.
Vergleichstabelle
Nachdem nun die einzelnen Versagenstypen definiert und ihre Merkmale erläutert wurden, werden die wesentlichen Unterschiede zwischen ihnen in Tabelle 1 zusammengefasst. Für jede Form gibt es einen genauen Überblick über jede Form, in der das betroffene Hauptbauteil, die zum Versagen führenden Hauptlastbedingungen, die resultierende Verformung sowie der für die Form maßgebende Verzweigungswert hervorgehoben werden.
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|---|---|---|---|---|
| Ausfalltyp | Hauptstrukturelement | Hauptlast | Verformungsfigur | Verzweigungswert |
| Biegedrillknicken | Träger | Biegemomente | Seitliche Verschiebung + Verdrehung | Verschiebliche Länge |
| Beulen | Platten | Querkräfte | Diagonales Knicken/Knicken | Plattendicke |
| Lokale Beulgefahr | Scheibenelemente (z. B. Flansche) | Lokale Druckspannungen | Verformung außerhalb der Ebene | Plattenschlankheitsgrad |
| Schalenstabilität | Gekrümmte Tragwerke | Axial, Druck oder Schub | Komplexe Beulfiguren | Imperfektionen, Krümmung |
Abschließende Worte
In der Tragwerksplanung können sich einige gängige Stabilitätsprobleme ergeben, vor allem wenn diese im Bemessungsprozess nicht ausreichend berücksichtigt werden. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über fünf dieser Themen: Knicken, Biegedrillknicken, lokales Beulen, Schubbeulen und Schalenstabilität. Die bereitgestellten Informationen sollen zum Verständnis der zugrunde liegenden Ursachen, Verhaltensweisen und Bauteile führen, die sie beeinflussen. Dieses Wissen wird es Ihnen ermöglichen, diese Stabilitätsbedenken zu identifizieren und zu unterscheiden, sodass Sie eine solide Grundlage dafür haben, diese in Ihre Analysen zu integrieren und belastbare und sichere Tragwerke zu entwerfen.