Heutzutage werden die allermeisten Beton- und Stahlbetonstützen mit einem rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt und einem konstanten Verlauf über die Stützenlänge ausgeführt. Entsprechend der konstruktiven Randbedingungen und der vorhandenen Belastung existieren jedoch häufig stärker und schwächer beanspruchte Bereiche innerhalb eines Druckglieds. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Formoptimierung von (Stahl-)Betonstützen vorgenommen und das resultierende Volumeneinsparungs- bzw. Laststeigerungspotenzial aufgezeigt und analysiert. Hierfür werden charakteristische Lastfälle eines typischen Stahlbetonskelettbaus herangezogen. Vorbetrachtungen führten dazu, dass sich die Untersuchungen vor allem auf planmäßig zentrisch gedrückte, knickgefährdete Stützen sowie auf exzentrisch gedrückte Stützen, bei denen die Biegebeanspruchung infolge einer Rahmenwirkung des Tragsystems resultiert, konzentrieren. Für zentrisch belastete, knickgefährdete Stützen existieren in der Literatur bereits Ergebnisse zu einer Form- und Querschnittsoptimierung bei bruchsicherem und linear-elastischem Materialverhalten. Die Angaben wurden aufbereitet, überprüft und mit Untersuchungen zu den Auswirkungen einer elastischen Lagerung, einer Imperfektion sowie zum Einfluss eines nichtlinearen Materialverhaltens ergänzt. Die theoretischen Betrachtungen ergaben, dass die optimale Stützenform von der jeweiligen Knickfigur abhängt und somit entsprechend der Lagerungsbedingungen variiert. Für die Verifikation wurden zunächst Vorversuche an rechteckigen Stützen mit konstantem Verlauf und unterschiedlicher Bauteillänge durchgeführt. Diese dienten zu einer besseren Abschätzung des Stabilitätsverhaltens in Abhängigkeit der Schlankheit, der vorhandenen Imperfektionsgröße sowie zur Bestimmung des erzielten Einspanngrades für den gewählten Versuchsstand. Aufbauend auf den Ergebnissen erfolgte die experimentelle Überprüfung des Form- und Querschnittseinflusses. Die in den Versuchen ermittelten Traglasten konnten in allen Fällen sehr gut mit den theoretischen Ansätzen der Elastizitätstheorie vorhergesagt und nachgerechnet werden. Die Formoptimierung von exzentrisch gedrückten Stützen wurde für unterschiedliche Verhältnisse einer Momenten- und Normalkraftbeanspruchung durchgeführt. Um eine Abgrenzung zu den Betrachtungen des Stabilitätsversagens zu erzielen, beschränken sich die Untersuchungen auf ein eintretendes Materialversagen. Neben der Formfindung wird entsprechend der Beanspruchung auch eine geeignete Materialkombination gewählt, bei der sowohl der Stahl als auch der Beton möglichst ausgelastet werden. Die Optimierung erfolgt iterativ an einer über die Höhe segmentierten Stütze unter dem Kriterium, einen gleichmäßigen Spannungszustand im Bauteil zu erreichen. Die so gewonnenen optimierten Stützenformen orientieren sich an dem Biegemomentenverlauf. Für die Verifikation der Ergebnisse wurde ein Lastfall experimentell untersucht. Anhand dieser Versuchsreihe konnte das gewählte Berechnungs- und Optimierungsverfahren bestätigt werden.

This work has been done in collaboration with Northpower Stålhallar AB. The work is concentrating on column buckling, wind load and deflection of steel columns made of VKR profiles. VKR profiles are steel profiles that are hot-rolled structural pipes having a rectangular section. The analysis is made according to Eurokod 3 and with the finite element program Abaqus. A comparison has been made between these to see whether they differ in result or not regarding buckling curves and interaction formulas. In addition, the company wanted calculation templates in Excel. A proposal for a spreadsheet for different deflection limits are presented in Excel that the company can use, as well as a calculation template for wind loads where all municipalities in Sweden are included. The report contains theoretical background on how to design columns with respect to buckling, wind loading and deflection according to Eurokod 3.The work with Abaqus includes linear and non-linear analysis of column buckling. The analyses also include geometric imperfections, residual stresses, and plastic behavior of steel. The result showed a slight difference between Eurokod and Abaqus analyses but it was not a considerable deviation.

The diploma thesis elaborates on the proposal of a loadbearing steel structure of a shopping centre. Four-storey building has total lenght of 88 m, width 48 m and its base structural grid is 8 x 8 m. The total height of building is 25,4 m. First three floors above ground are designed with structural height of 5,6 m whilst the 4TH floor uses height of 4,0 m. Frame structure is formed by primary beams and castellated secondary beams. Above 4TH floor, the roof structure is designed in two alternative versions, both using solid purlins and truss girder. The 3D computer animation of the building is also part of thesis. The shopping centre that is subject of the final thesis is located in Brno area.