Einführung
Traditionelle Lösungen für Anschlüsse sind im Stahlbau weit verbreitet, wobei die Norm EN 1993-1-8 die Komponentenmethode für die Bemessung vorschreibt. Diese Methode kann insbesondere bei komplexen Bemessungen eine Herausforderung darstellen, aber Ressourcen wie "Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8" bieten vordefinierte Anschlussgeometrien mit Widerstands- und Steifigkeitswerten, die den Prozess vereinfachen.
In diesem Beitrag werden die Ergebnisse herkömmlicher Nachweisverfahren mit denen verglichen, die mit dem fortschrittlichen CBFEM-Verfahren im Add-On Stahlanschlüsse für RFEM 6 erzielt wurden. Dabei werden zwei repräsentative Anschlusskonfigurationen verwendet, um die Unterschiede hervorzuheben.
Der untersuchte Anschluss ist eine momententragfähige Verbindung für Träger mit I- oder H-förmigen Querschnitten und Stirnplatten, die mit vertikalen Reihen hochfester Schrauben für einen zuverlässigen Lastwiderstand montiert sind.
Stirnplattenverbindungen gibt es in verschiedenen Ausführungsvarianten. Dieser Beitrag behandelt zwei Optionen: die überstehende Stirnplatte, die über den Träger hinausragt und mit der Stütze verbunden ist, und die bündige Stirnplatte, die nur den Bereich des Trägerquerschnitts abdeckt und mit der Stütze verbunden ist.
Die Geometrie der überstehenden Stirnplatte, Typ A, stammt aus den Tabellen für momententragfähige IH-Anschlüsse [1], während die Geometrie der bündigen Stirnplatte, Typ B, aus den Tabellen für momententragfähige IM-Anschlüsse [3] abgeleitet ist.
Die ausgewählten Anschlussgeometrien sind in der folgenden Tabelle zusammen mit ihrer Konfiguration aufgeführt.
| Anschluss | Typ A.1 | Typ A.2 | Typ B.1 | Typ B.2 | |
| Referenz | IH ex. 444 [1] | IH ex. 141 [1] | IM ex. 10781 [3] | IM ex. 10743 [3] | |
| Stahlgüte | S235 | S235 | S235 | S235 | |
| Trägerquerschnitt | HEA 260 | IPE 600 | HEA 260 | HEA 200 | |
| Stützenquerschnitt | HEB 550 | HEB 600 | HEB 320 + st.1 12,5 mm | HEB 320 + st.1 10 mm | |
| Stirnplattenabmessungen, mm | |||||
|
20 | 20 | 20 | 15 | |
|
260 | 220 | 260 | 200 | |
|
340 | 700 | 280 | 210 | |
| Schraubenanordnung, mm | |||||
|
30 | 30 | 75 | 60 | |
|
95 | 100 | 130 | 90 | |
|
140 | 480 | |||
|
75 | 90 | |||
|
70 | 70 | 15 | 10 | |
|
20 | 30 | |||
|
130 | 110 | 130 | 110 | |
|
65 | 55 | |||
| Schraube | M20 10.9 | M20 10.9 | M24 10.9 | M20 10.9 | |
| Kehlnähte, mm | |||||
|
7 | 8 | 4 | 4 | |
|
4 | 4 | 4 | 4 |
1 st. - Steifen
Analytischer Ansatz
Die Widerstandstabellen in "Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8 [1]" und "Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8, Ergänzungsband 2018" [3] gelten unter folgenden Bedingungen: Nachweisverfahren sind elastisch-elastisch oder elastisch-plastisch; überwiegend statische Belastung; durchgehende Stütze; gleiche Trägerhöhen und -positionen bei beidseitigen Träger-Stützen-Anschlüssen; Stützen, Träger und Stirnplatten in S 235 oder S 355 gemäß DIN EN 1993 Teil 1.1; Träger- und Stützenprofile HEB, HEA, HEM, IPE sind Walzprofile gemäß DIN 1025 Teil 2, 3, 4 und 5 sowie jeweils den früheren Euronormen EU 53-62 (HE-Serie) und EU 19-57 (IPE).
Die für die Anschlüsse vom Typ A und Typ B berücksichtigten Versagensformen und Hauptkomponenten, die die Momententragfähigkeit und Steifigkeit beeinflussen, umfassen (siehe [2] 6.2.6.1 bis 6.2.6.8): Stützensteg bei Schub (CWS), Stützensteg bei Druck (CWC), Trägerflansch und -steg bei Druck (BFC), Stützensteg bei Zug (CWT), Stützenflansch bei Biegung (CFB), Trägersteg bei Zug (BWT), Stirnplatte bei Biegung (EPB) und Schrauben bei Zug (BT).
Der Momentenwiderstand und die anfängliche Drehsteifigkeit von Balken-Stützen-Anschlüssen mit überstehenden und bündigen Stirnplatten wurden den Widerstandstabellen in [1] und [3] entnommen.
Die Anschlusskonfigurationen sind am Anfang dieses Beitrags dargestellt, während die Werte für Momentenwiderstand und Drehsteifigkeit in der Vergleichstabelle unten zusammengefasst sind.
Komponentenbasierte FE-Analyse
Die Verbindungsbemessung wurde mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM 6 durchgeführt.
Das Add-On Stahlanschlüsse ermöglicht die Analyse von Verbindungen auf Basis eines FE-Modells. Sowohl die Eingabe als auch die Ergebnisauswertung sind vollständig in die Benutzeroberfläche von RFEM integriert, wodurch der Bemessungsprozess intuitiv und effizient gestaltet ist.
1. Momententragfähige Anschlüsse mit überstehenden Stirnplatten
Eingabe im Add-On Stahlanschlüsse
Die Anschlusskonfigurationen sind am Anfang dieses Artikels beschrieben.
Ergebnisse im Add-On Stahlanschlüsse
Das Add-On Stahlanschlüsse für RFEM 6 erweitert die Funktionalität der Software, indem es Ingenieuren die Möglichkeit bietet, Stahlverbindungen mit der Präzision eines Finite-Elemente-Modells (FE-Modells) zu analysieren. Dieses fortschrittliche Tool ermöglicht die detaillierte Visualisierung aller wichtigen Ergebnisse direkt im FE-Modell und bietet einen klaren und umfassenden Überblick über das Verbindungsverhalten unter verschiedenen Lasten und Bedingungen. Dadurch bietet RFEM ein tieferes Verständnis des Anschlussverhaltens und hilft bei der Optimierung von Entwürfen hinsichtlich Sicherheit und Effizienz.
Eine detaillierte Darstellung der Ergebnisse ist nur für den Anschlusstyp A.1 gegeben.
Momentenwiderstand
Der Momentenwiderstand für den Anschluss vom Typ A.1 beträgt 163,43 kNm.
Vergleichsspannungen
Vergleichsspannungen stellen die gesamte Spannungsverteilung in der Verbindung dar und helfen dabei, potenzielle Versagenspunkte aufgrund von Spannungskonzentrationen zu identifizieren. Sie sind für die Bewertung der Tragfähigkeit der Verbindung unerlässlich.
Die Spannungsverteilung im Anschluss wird durch Lastübertragungsmechanismen und die Anschlussgeometrie beeinflusst. Die symmetrische Konfiguration trägt zu einer gleichmäßigen Kraftverteilung bei, obwohl es zu lokalen Spannungskonzentrationen kommt. Die Trägerflansche und Stirnplatten sind den höchsten Spannungen ausgesetzt, insbesondere in der Nähe der Stirnplatte, wo sie mit den Trägerflanschen verbunden und mit der Stütze verschraubt sind. Der tiefrote Bereich zeigt Spannungen an der Streckgrenze des Stahls an. Auch die an den Anschluss angrenzenden Stützenflächen sind erheblichen Spannungen ausgesetzt.
Plastische Dehnung
Die Platten in der Verbindung werden plastisch bemessen, wobei die berechnete plastische Dehnung mit einer zulässigen plastischen Dehnung verglichen wird. Die begrenzende plastische Dehnung beträgt 5 % gemäß EN 1993‑1‑5, Anhang C. Dieser Wert wird im Add-On Stahlanschlüsse als Standardwert übernommen.
Das Dehnungsmuster im Anschluss folgt weitgehend der Spannungsverteilung. Die Stirnplatte weist aufgrund der exzentrischen Lastübertragung ungleichmäßige Dehnungsmuster auf, mit Dehnungskonzentrationen um die Schraubenlöcher herum, wo die maximale Spannung auftritt.
Insgesamt ist die Dehnungsverteilung ungleichmäßig, mit höheren plastischen Dehnungen in Bereichen mit Spannungskonzentrationen, die an kritischen Stellen bis zu 0,5 % erreichen.
Ausnutzungen im Add-On Stahlanschlüsse
Die folgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung der Ausnutzungen.
Drehsteifigkeit
Die folgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung der Drehsteifigkeitswerte.
Der Anschluss weist aufgrund seiner asymmetrischen Natur zwei Werte für die Drehsteifigkeit auf. Die sowohl nach oben als auch nach unten wirkenden Momente erzeugen unterschiedliche Steifigkeitsreaktionen. Infolgedessen variiert die Drehsteifigkeit je nach Richtung des aufgebrachten Moments und spiegelt das asymmetrische Verhalten des Anschlusses wider.
2. Momententragfähige Anschlüsse mit bündigen Stirnplatten
Eingabe im Add-On Stahlanschlüsse
Die Anschlusskonfigurationen sind am Anfang dieses Artikels beschrieben.
Die Anschlussbemessung wurde mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM 6 durchgeführt.
Ergebnisse im Add-On Stahlanschlüsse
Eine detaillierte Darstellung der Ergebnisse ist nur für den Anschlusstyp B.1 gegeben.
Momentenwiderstand
Der Momentenwiderstand für den Anschluss vom Typ B.1 beträgt 94,09 kNm.
Ausnutzungen und Drehsteifigkeit
Die folgenden Tabellen enthalten eine Zusammenfassung der Ausnutzungen und der Drehsteifigkeit des Anschlusses.
Diskussion
Für die Analyse wurden einige Berechnungen durchgeführt: eine für den Anschluss mit HEA-Trägerprofil und eine mit IPE-Trägerprofil. Diese Geometrien wurden mit dem Add-On Stahlanschlüsse modelliert. Die Ergebnisse der Berechnungen – sowohl analytisch als auch basierend auf der CBFEM-Methode – sind unten dargestellt.
| Anschluss | Typ A.1 | Typ A.2 | Typ B.1 | Typ B.2 | |
| Referenz | IH ex. 444 [1] | IH ex. 141 [1] | IM ex. 10781 [3] | IM, ex. 10743 [3] | |
| MOMENTENWIDERSTAND | |||||
| Analytisch, kNm | 152,5 | 356,6 | 93,59 | 43,41 | |
|
EPB + BT | EPB + BT | EPB + BT | EPB + BT | |
|
1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | |
| Add-On Stahlanschlüsse, kNm | 163,43 | 378,5 | 94,09 | 43,13 | |
|
0,221 | 0,234 | 0,477 | 0,908 | |
|
1,000 | 0,991 | 0,909 | 0,848 | |
|
0,981 | 0,989 | 0,994 | 0,998 | |
| Differenz im Wert des Momentenwiderstands, % | 7,25 | 5,96 | 0,53 | 0,65 | |
| DREHSTEIFIGKEIT | |||||
| Analytisch, MNm/rad | 27,2 | 135,1 | 15,52 | 6,6 | |
| Add-On Stahlanschlüsse, MNm/rad | 28,3 | 166,1 | 12,4 | 5,2 | |
| Differenz, % | 3,96 | 20,6 | 22,34 | 23,7 |
Der Vergleich zwischen dem analytischen Verfahren und dem modernen CBFEM-Ansatz zeigt eine allgemein gute Übereinstimmung.
Bei den Anschlüssen vom Typ A liegt die Differenz beim Momentenwiderstand zwischen 5,96 % und 7,25 %, wobei das Add-On Stahlanschlüsse aufgrund einer detaillierteren Abschätzung des Momentenwiderstands des Anschlusses etwas höhere Werte liefert.
Bei den Anschlüssen vom Typ B sind die Unterschiede im Momentenwiderstand geringer und liegen zwischen 0,53 % und 0,65 %, was auf eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden hindeutet.
Die Drehsteifigkeit weist über die Anschlüsse hinweg größere Schwankungen auf. Bei den Anschlüssen vom Typ A reicht die Differenz in der Steifigkeit von 3,96 % bis 20,6 %. Die größere Differenz deutet darauf hin, dass der CBFEM-Ansatz eine verfeinertere und genauere Darstellung des Drehverhaltens liefert und komplexere Interaktionen innerhalb des Anschlusses erfasst.
Bei den Anschlüssen vom Typ B sind die Unterschiede mit Abweichungen von 22,34 % und 23,7 % sogar noch signifikanter. Diese größeren Differenzen deuten darauf hin, dass das Add-On Stahlanschlüsse komplexere Aspekte des Anschlussverhaltens berücksichtigt, wie z.B. Lastverteilung und Verformungen, die mit dem vereinfachten analytischen Verfahren nicht vollständig erfasst werden können.
Wenn die Momententragfähigkeit bei Anschlüssen vom Typ A erreicht ist, zeigt die FE-Analyse, dass die Stirnplatten plastische Verformungen erfahren, während die Schrauben ihre Widerstandsfähigkeit erreichen. Dies entspricht den Versagensformen aus der Referenzliteratur. Auch die Schweißnähte sind an der Grenze ihrer Tragfähigkeit.
Bei den Anschlüssen vom Typ B wird der bei der FE-Analyse ermittelte Momentenwiderstand in allen untersuchten Teilen gleichmäßig genutzt, d.h. in Schrauben, Stirnplatten und Schweißnähten. Dies bedeutet, dass der Anschluss gut bemessen ist. Die hohe plastische Dehnung in den Stirnplatten ist offensichtlich.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Add-On Stahlanschlüsse einen präzisen und detaillierten Ansatz bietet, insbesondere für komplexe Anschlusskonfigurationen.
Literatur
[1] Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8, Gesamtausgabe 2013
[2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen. Deutsche Fassung EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[3] Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8, Ergänzungsband 2018. Momententragfähige Anschlüsse lM