AISC 341-16 Bemessung eines Momentrahmenstabs in RFEM 6

Fachbeitrag zum Thema Statik und Anwendung von Dlubal Software

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Im Add-On Stahlbemessung von RFEM 6 stehen drei Arten von Momentrahmen (OMF, IMF, SMF) zur Verfügung. Das Ergebnis der Erdbebenbemessung ist nach AISC 341-16 in zwei Abschnitte gegliedert: Stabanforderungen und Anschlussanforderungen.

Ausführlichere Einzelheiten zur Eingabe der Erdbebenkonfiguration werden in einem separaten Fachbeitrag behandelt: KB 001761 | Erdbebenbemessung nach AISC 341 in RFEM 6.

Stabanforderungen

Für Stäbe, die Teil des SFRS (Seismic Force-Resisting System) sind, sind die folgenden Nachweise in RFEM verfügbar. Die aufgeführten Abschnitte beziehen sich auf die Erdbebenvorschriften im AISC 341-16 [1].

  • Begrenzungen des Breite-zu-Dicke-Verhältnisses [Abschnitt D1.1]
  • Stabilitätsverband von Trägern - Erforderliche Festigkeit und Steifigkeit [Abschnitt D1.2a.1(b) für IMF (Intermediate Moment Frame) und D1.2b für SMF (Special Moment Frame]
  • Stabilitätsverband von Trägern - Maximaler Abstand [Abschnitt D1.2a.1(c) für IMF und D1.2b für SMF]
  • Stabilitätsverband von Trägern an Gelenkstellen - Erforderliche Festigkeit [Abschnitt D1.2c.1(b)]
  • Erforderliche Festigkeit bei Stützen [Abschnitt D1.4a]
  • Stützenschlankheitsgrad bei verschieblichem Anschluss [Abschnitt E3.4c.2b]

Begrenzungen des Breite-zu-Dicke-Verhältnisses für Duktilitätsanforderungen

Stäbe in IMFs werden als mäßig duktile Stäbe gemäß Abschnitt E2.5a ausgewiesen. Stäbe in SMFs werden gemäß Abschnitt E3.5a als hochduktile Stäbe bezeichnet.

Stützenflansch

Der Stützenflansch eines SMF muss die Anforderungen der Erdbebenvorschriften des AISC, Abschnitt D1.1 [1] für hochduktile Stäbe erfüllen. Dieser Nachweis wird in RFEM als EQ 1200 dargestellt (Bild 1).

Stützensteg

Das begrenzte Breiten-Dicken-Verhältnis für Stege hochduktiler Stäbe wird mit dem maßgebenden Lastfall für Axiallast gemäß Abschnitt D1.4a [1] bestimmt. Der maßgebende Lastfall basiert auf allen Lastkombinationen einschließlich der LK nur mit Schwerkraft, LK mit Standard-Erdbebenlast und LK mit Überfestigkeits-Erdbebenlast. Dieser Nachweis wird in RFEM als EQ 1100 dargestellt (Bild 2).

Analog zu den Stützen werden auch für Träger Prüfungen zum Breiten-Dicken-Verhältnis durchgeführt.

Stabilitätsverband von Trägern

Die erforderliche Festigkeit sowie Steifigkeit der Stabilitätsverbände sind im Register Stabilitätsverband stabweise unter "Erdbebenanforderungen" aufgelistet (Bild 3). Diese Werte können bei der Bemessung der Verbandsstäbe, die den Träger einrahmen, mit der berechneten vorhandenen Festigkeit und Steifigkeit verglichen werden. Es sind keine Nachweisdetails verfügbar (nur Referenzen).

Für die erforderlichen Festigkeiten sind zwei verschiedene Werte aufgelistet. Der erste Wert Pbr gilt für Stabilitätsverbände, die sich außerhalb der plastischen Gelenkstelle befinden. Pbr ist in Gleichung A-6-7 im Anhang 6 des AISC 360-16 [3] festgelegt:

Stabilitätsverband von Trägern (Erforderliche Festigkeit)

Pbr = 0.02·(Mr·Cdho)

Pbr Erforderliche Festigkeit des Stabilitätsträgerverbands
Mr Erforderliche Biegefestigkeit des Trägers. Mr = Ry Fy Z/ αs [AISC 341 Gleichung D1-1]
Cd Doppelter Krümmungsfaktor = 1,0 [AISC 341 Abschnitt D1.2a(b)]
ho Abstand zwischen dem Flanschschwerpunkt ho = d - tf

Der zweite, größere Wert Pr gilt speziell für die Stabilitätsverbände an der Stelle des plastischen Gelenks. Sie ist in Gleichung D1-4 des AISC 341-16 [1] definiert:

Stabilitätsverband von Trägern (Erforderliche Festigkeit am plastischen Gelenk)

Pr = 0.06·Ry·Fy·Z/(αs·ho)

Pr Erforderliche Festigkeit des Stabilitätsträgerverbandes an der Stelle des plastischen Gelenks
Ry Verhältnis der erwarteten Fließspannung zur spezifizierten Mindestfließspannung
Fy Spezifizierte Mindestfließspannung
Z Wirksames plastisches Widerstandsmoment eines Querschnitts (oder eines Anschlusses) an der Stelle des plastischen Gelenks
αs LRFD-ASD-Kraftniveau-Anpassungsfaktor = 1,0 für LRFD und 1,5 für ASD
ho Abstand zwischen dem Flanschschwerpunkt

Die erforderliche Steifigkeit βbr ist in Gleichung A-6-8 im Anhang 6 definiert:

Stabilitätsverband von Trägern (Erforderliche Steifigkeit)

βbr =1Φ·(10·Mr·CdLbr·ho)  (LRFD)βbr =Ω·(10·Mr·CdLbr·ho)  (ASD)

βFr Erforderliche Steifigkeit des Stabilitätsträgerverbandes
Mr Erforderliche Biegefestigkeit des Trägers
Cd Doppelkrümmungsfaktor = 1,0
Lbr Maximaler Abstand der Stabilitätsträger-Verbände
ho Abstand zwischen dem Flanschschwerpunkt

Der maximale Abstand des Stabilitätsverbandes muss die Anforderungen des AISC 341-16 Abschnitt D1.2a.1(c) für IMF und Abschnitt D1.2b für SMF erfüllen.

Stabilitätsverband der Träger (maximaler Abstand)

Lbr = 0.19·ry·ERy·Fy  for IMFLbr = 0.095·ry·ERy·Fy  for SMF

Lbr Maximaler Abstand der Stabilitätsträger-Verbände
ry Trägheitsradius um die schwache Achse
E Elastizitätsmodul
Ry Verhältnis der erwarteten Fließspannung zur spezifizierten Mindestfließspannung
Fy Spezifizierte Mindestfließspannung

Der Nachweis für den maximalen Abstand wird zusammen mit den anderen Stabanforderungen unter "Ausnutzungen der Stäbe" dargestellt. Das Nachweisdetail wird als EQ 2100 dargestellt (Bild 4). Die verschiebliche Länge Lb ist die angegebene effektive Länge für Biegedrillknicken (BGDK).

Erforderliche Festigkeit der Stütze

Alle Stützen, die Teil des SFRS sind, müssen mit überfesten Lasten bemessen werden. In vielen Fällen braucht die verstärkte Normalkraft nicht mit den gleichzeitigen Biegemomenten kombiniert zu werden. Die Option zur Vernachlässigung aller Biegemomente, von Schub und Torsion in Stützen im Grenzzustand der Überfestigkeit ist standardmäßig aktiviert. Diese Option kann in der Erdbebenkonfiguration deaktiviert werden.

Für Standard-Lastkombinationen ohne Überfestigkeit aus Erdbebenlastwirkung wird die kombinierte Belastung nach AISC 360-16, Kapitel H überprüft.

Bei Lastkombinationen mit überfester Erdbebenlast werden die Kapitel F und H nicht überprüft, wenn die Option zur Vernachlässigung aller Biegemomente, von Schub und Torsion in Stützen für den Grenzzustand der Überfestigkeit aktiviert ist. Im Beispiel 4.3.2 im Handbuch zur Erdbebenmessung [2] muss der Kontrollfall aus beiden Lastkombinationen, also Standard und Überfestigkeit, berücksichtigt werden.

Biegemomente, die aus einer Last zwischen den Punkten der seitlichen Halterung resultieren, können zum Knicken der Stütze beitragen. Sie müssen daher gleichzeitig mit den Axiallasten berücksichtigt werden, indem die Option zur Vernachlässigung der Momente deaktiviert wird.

Stützenschlankheitsgrad bei verschieblichem Anschluss

Bei Stützen in SMFs ohne Querstabverband am Anschluss ist die Möglichkeit eines Knickens am Anschluss auf ein Minimum zu begrenzen, indem der Schlankheitsgrad L/r gemäß Abschnitt E3 4c.2b [1] auf kleiner oder gleich 60 begrenzt wird. Verschiebliche Anschlüsse kommen in Sonderfällen vor, wie beispielsweise bei einem zweigeschossigen Rahmen ohne Zwischendecke.

In allen anderen Fällen kann die Option zur Erfüllung dieser Anforderung in der Erdbebenkonfiguration deaktiviert werden.

Erläuterungen zu den Anschlussanforderungen finden Sie im Fachbeitrag KB 001768 | Verbindungsfestigkeit des Momentrahmens nach AISC 341-16 in RFEM 6.

Autor

Cisca Tjoa, PE

Cisca Tjoa, PE

Technical Support Engineer

Cisca ist für den technischen Kundensupport und die kontinuierliche Programmentwicklung für den nordamerikanischen Markt verantwortlich.

Schlüsselwörter

Erdbebenbemessung AISC 341-16 Stahlbau Stahlbemessung Seismisch Überfestigkeitsbeiwert Stabilitätsverband Momentrahmen

Literatur

[1]   AISC 341-16 Seismic Provisions for Structural Steel Building
[2]   AISC Seismic Design Manual, 3rd Edition
[3]   ANSI/AISC 360-16, Specification for Structural Steel Buildings

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  • Aktualisiert 27. Februar 2024

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