Diplomarbeit, Technische Universität Berlin, Jana Köllner, Berlin Juli 2009

Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens brandbeanspruchter stählerner Rahmentragwerke mit der FE-Methode unter Berücksichtigung unterschiedlicher Elementtypen

- Auszug aus Diplomarbeit -

Die Firma hhpberlin hat sich dem Brandschutz verschrieben. Neben Brandschutzkonzepten auf Grundlage der Anforderungen durch das Gesetz werden die Brandschutzingenieurmethoden als alternatives Bemessungskonzept angeboten. Das sind theoretische und empirische Ansätze, Prinzipien und Methoden, welche durch Versuche wissenschaftlich bewiesen sind. Sie bieten bei gleichem Sicherheitsniveau abweichende Lösungsstrategien für eine leistungsorientierte Erfüllung der Schutzziele.
Mit dieser Arbeit sollen neue Erkenntnisse für diese aufwendige Vorgehensweise der brandschutztechnischen Bemessung gewonnen werden. Dafür wird das Trag- und Verformungsverhalten einer typischen Stahlrahmenkonstruktion untersucht. Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Verformungen und Zwangsspannungen bzw. Schnittgrößen für nicht-lineare Temperaturbeanspruchungen. Die Rechnungen werden mit Hilfe eines FEM-Programms durchgeführt. Dabei soll die Verwendbarkeit unterschiedlicher Elementtypen untersucht werden.
Nach der kurzen Einführung werden im zweiten Kapitel die Grundlagen, Voraussetzungen und Randbedingungen für die folgenden Berechnungen dargestellt. Es beinhaltet sowohl wesentliche Aspekte zur Rahmenkonstruktion und ihrer Anschlussausbildung als auch Ausführungen zum bisherigen Stand der Forschung und Entwicklung. Die benötigten Rechenverfahren, welche von dem verwendeten Programm ANSYS genutzt werden, werden kurz angerissen.
Im dritten und vierten Kapitel wird die Verwendbarkeit von Balken- und Schalenelementen für die Analyse geprüft. Es werden Berechnungen unter Gebrauchslast und Temperaturbelastung durchgeführt und die jeweiligen Vor- und Nachteile der Elementtypen herausgefiltert. Die Untersuchung der Balkenelemente erfolgt an einfachen statischen Systemen ohne differenzierte Anschlussausbildung der Rahmenknoten. Mit Hilfe der Schalenelemente wird die Ausbildung von Verformungen und Zwangsspannungen an vier unterschiedlich steifen Verbindungen für Stütze und Träger berechnet.
Das fünfte Kapitel führt die Ergebnisse der Berechnungen zusammen und vergleicht sie. Ziel ist es, ihre Eignung für die Dimensionierung von Tragwerken bei leistungsorientierten Brandschutzanforderungen festzustellen.
Im sechsten Kapitel werden Balken- und Schalenelemente in einem Rechenmodell gekoppelt. Die herausgestellten Vor- und Nachteile sollen für eine ökonomische Arbeitsweise genutzt werden. Es werden zwei Verfahren für die Kopplung der verschiedenen Elementtypen vorgestellt und deren Ergebnisse verglichen.
Im letzten Kapitel werden alle Ergebnisse zusammengefasst und auf Schwierigkeiten und Änderungen, welche sich im Laufe der Arbeit ergaben, hingewiesen. Es wird ein Ausblick auf sich daraus ergebende Forschungsmöglichkeiten gegeben.

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