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Strukturelle Duktilität

Strukturelle Duktilität

Dank der Fähigkeit, sich zu verformen, ohne zu brechen, sind Stahlkonstruktionen selbst bei einem Erdbeben sicher. Erfahren Sie mehr über strukturelle Duktilität

Die Duktilität der einzelnen Strukturelemente, aus denen Wohn- und Industriegebäude bestehen, ist ein grundlegender, wenn auch nicht der einzige Indikator für die Charakterisierung der Widerstandsfähigkeit solcher Strukturen gegenüber den Auswirkungen eines Erdbebens. Bezieht man sich auf das gesamte Bauwerk, so wird dieser Index als strukturelle Duktilität bezeichnet..

In Gebieten mit hohem Erdbebenrisiko spielt die Duktilität von Bauwerken eine besonders wichtige Rolle, da sie die Fähigkeit des Bauwerks widerspiegelt, Erdbeben hoher Intensität über seine elastischen Grenzen hinaus standzuhalten. Erfahren Sie, wie die Verwaltung all dieser Aspekte, auch mit Hilfe spezifischer Softwares für statische Berechnungen, Fachplaner helfen können, auch bei großen Erdbeben sichere Bauwerke zu schaffen.

Was ist strukturelle Duktilität

Die strukturelle Duktilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Bauwerks oder eines Materials, sich unter Belastung zu verformen, ohne zu brechen oder katastrophal einzustürzen. Mit anderen Worten, eine duktile Struktur kann bedeutende Verformungen aufnehmen, ohne ihre strukturelle Integrität oder Tragfähigkeit zu verlieren.

Duktilität zeigt sich auf zwei verschiedenen Ebenen: der lokalen strukturellen Duktilität, die sich auf die Fähigkeit der einzelnen Elemente einer Struktur bezieht, sich zu verformen, und der globalen strukturellen Duktilität, die sich auf die Gesamtfähigkeit der Struktur bezieht, plastische Verformungen aufzunehmen.

Die Bewertung der Duktilitätsparameter erfolgt in Bezug auf Materialdehnung, Abschnittsbiegung (oder Rotation) und Strukturverschiebung.

Es ist zu beachten, dass Konstruktionen mit hoher Duktilität einzelner Elemente nicht automatisch mit einer ebenso hohen Dissipationskapazität der gesamten Struktur einhergehen. Diese Kapazität wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Konstruktionsdetails, die Position und Anzahl der plastischen Gelenke und das Ausmaß der plastischen Verformung, die für jedes Gelenk erforderlich ist.

Schließlich ist die globale strukturelle Duktilität, die durch das Verhältnis zwischen der höchstzulässigen Verschiebung und der Verschiebung an der Elastizitätsgrenze dargestellt wird, für die Kapazität der Dissipation des gesamten Gebäudes von wesentlicher Bedeutung. Eine korrekte Tragwerksplanung, die sich an einem plastifizierenden Mechanismus orientiert, der als „Capacity Design“ bezeichnet wird, zielt darauf ab, eine hohe globale Duktilität zu erreichen und damit eine größere Sicherheit und Widerstandsfähigkeit des Gebäudes im Falle von Erdbeben zu gewährleisten.

Materialien wie Stahl und Aluminiumlegierungen werden häufig für Konstruktionen verwendet, die eine hohe Duktilität erfordern, wie etwa Gebäude, die Erdbebenbelastungen ausgesetzt sind. Bauingenieure entwerfen Konstruktionen mit Blick auf die Duktilität, um sicherzustellen, dass sie auch in Extremsituationen Belastungen standhalten und sich sicher verhalten.

Duktilität und Widerstandsfähigkeit von Strukturen gegenüber seismischen Ereignissen

Die Fähigkeit einer Struktur, einem Erdbeben standzuhalten, hängt eng mit ihrer Fähigkeit zur Ableitung seismischer Energie zusammen. Dies geschieht nur, wenn die Struktur in eine nach-elastische Phase übergeht und Mechanismen erzeugt, die es ermöglichen, Energie durch starke plastische Verformungen in kritischen Zonen abzuleiten, die als plastische Scharniere bekannt sind.

Das Grundprinzip der Tragwerkskonstruktion in Erdbebengebieten besteht darin, dass das Bauwerk über seine elastischen Grenzen hinausgehende Ressourcen berücksichtigen muss, um Erdbeben hoher Intensität ohne Zusammenbruch standhalten zu können. Wenn das Bauwerk dagegen so ausgelegt ist, dass es dem Erdbeben widersteht und gleichzeitig eine elastische Phasenreaktion beibehält, fehlt ihm die dissipative Kapazität. In diesem Fall wird die während der Bodenbewegung absorbierte seismische Energie als elastische Verformung akkumuliert und während der Entlastungsphase vollständig zurückgeführt, so dass keine Restverformung, Rissbildung oder Degradationserscheinungen auftreten.

Die Planung von Strukturelementen mit hohen Biege- und Torsionssteifigkeiten, die erforderlich sind, um die Struktur in der elastischen Phase zu halten, würde zu überdimensionierten und unwirtschaftlichen Strukturen führen, insbesondere bei einfachen Konstruktionen. Der bevorzugte Ansatz besteht daher darin, erdbebensichere Strukturen zu bauen, die eine ausreichende plastische Verformungsfähigkeit aufweisen. Dies wird erreicht, indem die lokale Duktilität der Profile genutzt wird, so dass die Struktur seismische Energie durch plastische Verformungen, die sich auf bestimmte kritische Zonen konzentrieren, absorbieren und ableiten kann.

Um eine Struktur gemäß den geltenden technischen Normen zu entwerfen, können Sie Software für statische Berechnungen verwenden, um Duktilität, Festigkeit, Verformbarkeit, die Hierarchie der Widerstände von Stäben und Knoten usw. zu überprüfen.

3D-Modell einer Stahlstruktur

3D-Modell einer Stahlkonstruktion

Die Verwendung spezifischer Software hilft, schwerwiegende Planungsfehler zu vermeiden und vollständig auf alle Anforderungen der geltenden Vorschriften zu reagieren. Darüber hinaus unterstützt sie bei schnellen Analysen aller Aspekte des Projekts und bei der detaillierten Untersuchung komplexer Strukturen mit Trägern, Verstrebungen, Knoten usw.

In diesem Video zeigen wir Ihnen die Möglichkeiten und Unterstützung, die Ihnen eine Software für statische Berechnungen bieten kann.

Duktilität von Beton und Stahl

Die Duktilität von Beton und Stahl ist ein grundlegendes Konzept bei der Tragwerksplanung, insbesondere im seismischen Bereich. Wir betrachten die Duktilität beider Materialien und veranschaulichen die zugehörigen die Spannungs-Dehnungs-Diagramme.

Beton

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Beton ist im Allgemeinen in zwei Hauptphasen unterteilt: elastisch und plastisch.

  • Elastische Phase
    • Beginnt mit einer elastischen Phase, in der die Spannung proportional zur Dehnung ist
    • Nach Erreichen der elastischen Grenze beginnt der Beton sich plastisch zu verhalten
  • Plastische Phase
    • Der Beton deformiert sich weiter plastisch mit zunehmender Belastung
    • Es kommt zum Bruchpunkt, wo der Beton nachgibt und die Verformung ohne weitere Belastung fortschreitet.

Die Duktilität von Beton wird vom Verhältnis zwischen der maximalen Dehnung und der Dehnung bei elastischer Grenze beeinflusst.

Stahl

Das Verhalten von Stahl ist deutlich duktiler als das von Beton. Sein Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt:

  • Elastische Phase:
    • In dieser Phase unterliegt das Material reversiblen elastischen Verformungen. Das bedeutet, dass das Material nach Entfernen der Belastung in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, ohne permanente Verformungen zu hinterlassen. Die Steigung der Kurve in dieser Phase stellt das Elastizitätsmodul dar, das die Steifigkeit des Materials misst
    • Nach Erreichen der elastischen Grenze beginnt der Stahl die plastische Fließphase. Dies ist der Punkt, an dem das Material plastisch deformiert wird, d. h. die Verformung wird auch nach Entfernen der Belastung permanent. Die Spannung an diesem Punkt wird als „Fließspannung“ bezeichnet.
  • Plastische Phase
    • Nach dem Fließen unterliegt der Stahl bedeutenden plastischen Verformungen ohne signifikanten Anstieg der Spannung. Die Steigung dieser Phase wird als „Fließmodul“ bezeichnet und ist mit der plastischen Verformung verbunden
    • Die Verformung dauert an, bis der Bruchpunkt erreicht ist, aber im Gegensatz zum Beton bietet der Stahl eine bedeutende Fähigkeit zur plastischen Verformung ohne sofortigen Bruch. Die maximale Spannung vor dem Bruch wird als „Bruchspannung“ bezeichnet.
Grafik zulässige Spannung Stahl

Grafik zulässige Spannung Stahl

Die Duktilität von Stahl wird durch das Verhältnis zwischen maximaler Dehnung und Dehnung bei elastischer Grenze angegeben. Aufgrund dieses plastischen Verhaltens bietet Stahl eine erhebliche Fähigkeit, Energie während seismischer Ereignisse abzuleiten.

Kurz gesagt, die Duktilität von Beton und Stahl ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Strukturen durch plastische Verformungen seismische Belastungen standhalten können, ohne katastrophal zu versagen. Das Ziel der seismischen Gestaltung besteht darin, die Duktilität beider Materialien zu nutzen, um die Fähigkeit zur Aufnahme und Ableitung seismischer Energie zu maximieren.

Stahl erreicht also nicht sofort den Bruchpunkt, sondern kann aufgrund seiner Duktilität die seismische Energie durch Verformung ableiten. Es gibt jedoch extreme Situationen, die zu einem „spröden“ Verhalten des Stahls führen können. Sehen wir uns an, welche das sind.

Sprödbruch

Ein Sprödbruch von Stahl ist eine Art Bruch, der ohne signifikante vorherige plastische Verformung auftritt und das Material von einem elastischen Zustand direkt in den Bruchzustand übergeht. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu einem duktilen Bruch, bei dem das Material signifikante plastische Verformungen vor dem Bruch aufweist.

Hier sind die Hauptursachen für einen spröden Bruch von Stahl:

Hohe Spannungsbeanspruchung

Bruchgefährdung ist oft mit hohen Spannungsbeanspruchungen verbunden, insbesondere bei Rissen oder mikrostrukturellen Defekten.

Niedrige Temperatur

Bruchgefährdung ist bei niedrigen Temperaturen wahrscheinlicher. Dieses Phänomen wird als Bruchgefährdung bei niedriger Temperatur bezeichnet. Die Zähigkeit von Stahl kann bei niedrigen Temperaturen abnehmen und Brüche ohne signifikante plastische Verformung begünstigen.

Vorhandensein von strukturellen Defekten

Das Vorhandensein von strukturellen Defekten wie Einschlüssen, Rissen oder Verunreinigungen kann Bruchgefährdung fördern. Diese Defekte können als Ausgangspunkte für Rissausbreitung dienen.

Hohe Belastungsgeschwindigkeit

Schnell oder plötzlich aufgebrachte Lasten können die Bruchgefährdung begünstigen. Dies wird als dynamische Bruchgefährdung bezeichnet.

Das Verständnis der Bruchgefährdung ist entscheidend, um strukturelle Ausfälle in Situationen zu vermeiden, in denen diese Art des Bruchs problematisch sein könnte, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen oder bei plötzlichen hohen Spannungsbeanspruchungen.

 

 

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