Beulen braucht kritisches Denken!

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Beulen ist eine plötzliche Formänderung eines Strukturbauteils unter Last, sagt Wikipedia. Wenn man sich das vorstellt, ist dies definitiv ein Albtraum. Sowohl für den Nutzer des Tragwerks als auch für die für die Konstruktion verantwortlichen Ingenieure. Dennoch sind Knickprobleme schwer vorherzusagen. Glücklicherweise gibt es hilfreiche Tools.

Es gibt verschiedene Formen dieses komplexen Phänomens. Generell kann zwischen dem globalen Beulen von Bauteilen (schlanke Stützen unter Druck, Biegedrillknicken von gebogenen trägern) und dem lokalen Beulen von Platten (auf Druck oder Schub) unterschieden werden. Bei Erreichen der kritischen Belastung ändert das Bauteil seine Form in eine neue, energetisch günstigere Form: Es knickt ein. Und das kann auch passieren, wenn die Spannung im Bauteil weit unter der Festigkeit des Werkstoffs liegt, aus dem es besteht. Eine weitere Belastung kann zu erheblichen und etwas unvorhersehbaren Verformungen führen, die möglicherweise zum vollständigen Verlust der Tragfähigkeit des Bauteils führen.

IDEA StatiCa unterstützt Ingenieure beim globalen und lokalen Beulen von Stahlbauteilen.

Beulen der Verbindung

Beulen ist in Verbindungen normalerweise kein wichtiges Problem, es sollte jedoch überprüft werden, dass keine Beulprobleme vorliegen und die Ergebnisse der Festigkeitsanalyse, die nur eine geometrisch lineare Analyse verwendet, korrekt sind. Wenn ein falsches Detail verwendet wird, kann es natürlich leicht zu Beulen kommen...

IDEA StatiCa Connection ist in der Lage, eine lineare Beulanalyse eines Verbindungsmodells durchzuführen. Die Ergebnisse werden im Beulmodus vorhergesagt. Die kritische Belastung, bei der ein Beulen des perfekten Modells auftritt, wird für jeden Beulmodus berechnet. Die kritische Belastung wird durch Multiplikatoren der auf den Anschluss wirkenden Belastung dargestellt. Abhängig vom Beulmodus und dem kritischen Lastmultiplikator kann der Nutzer die sichere Beulbemessung ermitteln. Allgemeine Informationen zur Beulanalyse in IDEA StatiCa finden Sie in unserem Theoretischen Hintergrund.

Suchen Sie in der Anwendung nach der Beulanalyse? Folgen Sie einfach dem Tutorial für EN oder für AISC-Standard.


Im Gegensatz zu den anderen Arten von Analysen liefert die Beulanalyse keine eindeutige Pass/Fail-Antwort. Stattdessen müssen die kritischen Lastfaktoren, basierend auf der befolgten Norm, interpretiert werden. Und am Ende entscheidet der Ingenieur, ob das Ergebnis der Analyse in Ordnung ist oder nicht. Sehen Sie sich die entsprechenden Teile des Theoretischen Hintergrunds an: Beulanalyse nach Eurocode und Beulanalyse nach AISC.

Der Grenzwert kann auch für Beulformen, die am Bauteil auftreten oder für die Formen, wenn eine zusätzliche Platte in der Verbindung beult, unterschiedlich sein. Dieses Thema wird im folgenden Webinar-Video vorgestellt: Globales Knicken vs. lokales Knicken. Was bedeutet es? oder lesen Sie den Artikel zur detaillierten Auswertung der Beulergebnisse.

Ein weiteres Beispiel für eine durchgeführte Beulanalyse am Anschluss eines Verbands zusammen mit der Ergebnisinterpretation wurde in einem unserer Connection Wednesdays Webinare vorgestellt.

Die Vergleiche der Ergebnisse von IDEA StatiCa Connection mit anderen Tools finden Sie in den Verifizierungsbeispielen.

Beulen von dünnwandigen (kaltgeformten) Bauteilen

Bei den dünnwandigen Profilen ist die Situation noch komplizierter...

IDEA StatiCa Connection widmet sich in erster Linie der Bewertung von Verbindungen von warmgewalzten Bauteilen, die nicht wesentlich vom Beulen betroffen sind. Die geometrisch lineare und materiell nichtlineare Analyse wird aufgrund ihrer schnellen und stabilen Berechnung durchgeführt. Diese Art der Analyse berücksichtigt jedoch nicht den Stabilitätsverlust. Wenn Sie das Stabilitätsverhalten untersuchen müssen, kann Ihnen die Durchführung einer linearen Beulkanalyse helfen, gefährliche Bereiche zu erkennen und einen Faktor für den Euler-Bifurkationspunkt auszugeben.

Der Artikel Dünnwandige (kaltgeformte) Bauteile listet wichtige Faktoren auf, die bei der Analyse dünnwandiger Profile in IDEA StatiCa berücksichtigt werden müssen. Außerdem wird das Thema in der Webinar-Aufzeichnung Dünnwandige Bauteile – Beulprobleme behandelt.

    • Führen Sie eine lineare Beulanalyse durch und bewerten Sie jede Beulform sorgfältig; die ersten 5 vorgestellten Beulformen reichen möglicherweise nicht aus..
    • Verlassen Sie sich nicht auf die Plastizität dünnwandiger Bauteile und begrenzen Sie stattdessen die von Mises-Spannung auf die Streckgrenze oder sogar darunter.
    • Beachten Sie, dass nicht berücksichtigtes lokales Beulen Schnittgrößen in Bauteilen unterschiedlich umverteilen kann.
    • Beachten Sie, dass die Steifigkeit von Komponenten aufgrund unterschiedlicher Versagensmodi oder ihrer Kombination unterschiedlich sein kann.
    • Beachten Sie, dass die ausgegebenen Nachweise und die Konstruktion von Komponenten (z.B. Schrauben, Schweißnähte) den Richtlinien für Standardbauteile entsprechen. Die Normnachweise dünnwandiger Bauteile können variieren, und dann sind die ausgegebenen Tests nicht korrekt.

Grundsätzlich kann IDEA StatiCa Connection zur Modellierung von dünnwandigem (kaltgeformtem) Verbindungsverhalten verwendet werden, aber für den gesamten Normnachweis müssen andere Tools verwendet werden, und die endgültige Entscheidung muss als Fazit mehrerer verwendeter Methoden und Verfahren getroffen werden.

Beulen eines Bauteils

Vor zwei Jahren hat IDEA StatiCa eine neue Anwendung zur Bewertung des Beulverhaltens ganzer Bauteile eingeführt. Das fortschrittliche und bewährte CBFEM-Modell, das aus der Anwendung Connection bekannt ist, wurde in IDEA StatiCa Member implementiert, um verschiedene Ebenen von Analysen durchzuführen. Mit diesem Werkzeug kann die geometrisch und materiell nichtlineare Analyse durchgeführt werden, die sogar geometrische Imperfektionen berücksichtigt.

Das Analysemodell von Member bietet 3 Analysearten:

  • MNA – Materiell nichtlineare Analyse, um die Spannung/Dehnung in Abschnitten entlang des Bauteils zu überprüfen.
  • LBA – Lineare Beuanalyse (Stabilität), bewertet die linearen Eigenwerte und Eigenformen (kritische Faktoren und Beulformen). Basierend auf diesen Werten wählt der Ingenieur aus, welcher für die nichtlineare GMNIA-Analyse zu berücksichtigen ist, und gibt die Werte der geometrischen Imperfektionen ein.
  • GMNIA – Geometrische und materiell nichtlineare Analyse mit Imperfektionen, wertet die Spannung/Dehnung entlang des Bauteils in einer materiell und geometrisch (einschließlich Imperfektionen) nichtlinearen Analyse aus. Als Grenzwert für den Normnachweis werden 5% plastische Dehnung festgelegt.

Um sich mit den Grundlagen von IDEA StatiCa Member vertraut zu machen, empfehlen wir Ihnen, den theoretischen Hintergrund von IDEA StatiCa Member zu lesen, um ein besseres Verständnis der Fähigkeiten zu erhalten. Natürlich gibt es mehrere Videos, die die Leistungsfähigkeit des Tools präsentieren. Sie können mit dem Einführungs-Webinar beginnen:  IDEA StatiCa Member – Solution for buckling.

Die praktischen Tutorials zu IDEA StatiCa Member helfen Ihnen, die Anwendung von Grund auf neu oder in einem BIM-Workflow zu verwenden. Einige wichtige Überlegungen werden im Abschnitt Was Sie wissen müssen, bevor Sie mit der Verwendung der IDEA StatiCa-Mitgliederanwendung beginnen? Webinaraufzeichnung und in diesen beiden Artikeln: Auswirkungen von Randbedingungen und Imperfektionen.

Der Verifizierungsprozess der neuen Anwendung ist abgeschlossen und die Studien wurden gemeinsam mit Hochschulteams veröffentlicht. Sie können mehrere Verifizierungsbeispiele durchgehen.

Zusammenfassung

Es ist immer notwendig, Ihr Ingenieurswissen und Ihr Urteilsvermögen zu nutzen, wenn Sie die Beulprobleme eines Ingenieurbauwerks untersuchen. Trotzdem kann IDEA StatiCa Ihnen dabei helfen.

    • Für den Nachweis von Stahlverbindungen gibt es eine IDEA StatiCa Connection, das nicht nur die Spannung/Dehnung, sondern auch die kritischsten Beulformen und die entsprechende kritische Belastung überprüfen kann. 
    • Die globale Stabilität kann in IDEA StatiCa Member analysiert werden, das es Ingenieuren ermöglicht, die geometrisch und materiell nichtlineare Analyse mit Imperfektionen durchzuführen, um die Knickformen und Faktoren des Strukturelements zu finden.

Beide Anwendungen stehen in einer 14-tägigen kostenlosen Testversion zum Testen zur Verfügung.

Stahlbauverbindung Animation