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27. März 2026

Edelstahlverbindungen mit Add-On Stahlanschlüsse für RFEM

In dieser Studie wird die Überprüfung der in RFEM implementierten Stahlanschlüsse für die Berechnung von Verbindungen aus nichtrostendem Stahl untersucht. Das Tragverhalten und die Leistungsfähigkeit dieser Anschlüsse werden anhand der Bemessungsvorschriften des Eurocodes 3 (EC 3) bewertet und mit einem forschungsorientierten Finite-Elemente-Modell (ROFEM) verglichen, das zuvor durch experimentelle Versuche validiert wurde (1).

Analytisches Modell

In dieser Studie werden die in EN 1993-1-8:2006 (2) festgelegten Bemessungskriterien zur Bewertung der Schraubentragfähigkeit (Schub und Zug) und der Plattentragfähigkeit (Lochleibung und Durchstanzen) unter Verwendung der in Tabelle 3.4 angegebenen Grenzzustandsformulierungen herangezogen.
Die Bemessungsbeanspruchbarkeit des äquivalenten T-Stummels wird für die Stirnplatten- und die Stützenflanschkomponenten unabhängig voneinander bewertet. Für jede Komponente wird die maßgebende Bemessungsbeanspruchbarkeit F_T,Rd als der Mindestwert definiert, der sich aus drei möglichen Versagensmechanismen ergibt.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Tragfähigkeit und Versagensformen von T-Stummeln nach EN 1993-1-8

Der individuelle Widerstand für jeden Mechanismus wird auf der Grundlage der plastischen Momententragfähigkeit des Flansches (M_pl,1Rd und M_pl,2,Rd) und des Zugwiderstands der Schraubengruppe (∑F_t,Rd) berechnet. Diese Mechanismen berücksichtigen das vollständige Flanschfließen (Mechanismus 1), das Versagen der Schrauben in Verbindung mit Flanschfließen (Mechanismus 2) und den reinen Schraubenbruch (Mechanismus 3).

Versagensmechanismen:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Form 1: Vollständiges Fließen des Flansches

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Form 2: Schraubenversagen gekoppelt mit Flanschfließen

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Form 3: Reiner Schraubenbruch

Plastische Widerstandsmomente:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastisches Widerstandsmoment

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastisches Widerstandsmoment

Abbildung, die verschiedene Versagensarten eines T-Stummel-Elements in der Tragwerksplanung zeigt.

Versagensformen der T-Stummel-Elemente

Die Einführung des Eurocodes 3 (2) stellte einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Tragwerksplanung dar und schuf den ersten umfassenden Regelungsrahmen, der speziell auf die Bemessung von Verbindungen ausgerichtet ist. Oft als wegweisende Referenz für moderne Stahlbemessungsnormen für Grenzzustände zitiert, bieten seine Bestimmungen – insbesondere jene, die früher in Anhang J (jetzt in EN 1993-1-8 integriert) detailliert waren – analytische Methoden (2) für Anschlüsse innerhalb von Gebäuderahmen unter vorwiegend statischer Belastung, mit Schwerpunkt auf Träger-Stützen-Konfigurationen.

Die Methodik basiert auf der Komponentenmethode, einem mechanischen Modellierungsansatz, der die Verbindung als eine Anordnung einzelner funktionaler Komponenten idealisiert. Jede Komponente wird durch eine elastische Ersatzfeder charakterisiert, die durch ihre spezifische Translationssteifigkeit und ihren Bemessungswiderstand (3) definiert ist. Durch die strategische Anordnung dieser Federn in Reihe und parallel, basierend auf der Topologie des Anschlusses, lassen sich die globale Drehsteifigkeit und die Momententragfähigkeit der Verbindung genau ableiten.

Abbildung von EC-3-Anhang J, in der die Verbindungen zwischen oberen und unteren Stegwinkelverbindungen sowie Anschlusswinkelverbindungen in einem Statikmodell dargestellt sind.

Erweiterung EC-3-Anhang J für Stegwinkelverbindungen oben und unten sowie für Anschlusswinkelverbindungen

Die Anfangssteifigkeit der Verbindung ergibt sich aus folgender Formel:

S_{j, i n i} = \frac{E z^{2}}{\sum_{i - 1}^{n} \frac{1}{k_{i}}}

E	Elastizitätsmodul
z	Hebelarm
k_i	Steifigkeitsbeiwert der i-ten Komponente
n	Anzahl der grundlegenden Anschlusskomponenten

Anfangssteifigkeit der Verbindung

Um eine ausreichende plastische Rotationskapazität sicherzustellen, wurden die Stirnplatten- und Anschlusswinkeldicken gemäß dem in EN 1993-1-8 (2) vorgeschriebenen oberen Grenzwertbereich bestimmt. Diese Auswahl gewährleistet, dass das Verbindungsverhalten für die vorgesehene statische Berechnung ausreichend duktile Eigenschaften aufweist.

t = 0.36 d \sqrt{\frac{f_{u, b}}{f_{y}}}

Formel

Geometrische Details der Träger-Stützen-Verbindung

In dieser Studie wurden geschweißte I-Profile aus rostfreiem Stahl – konkret I 240 x 120 x 12 x 10 – sowohl für die Träger- als auch für die Stützenstäbe verwendet. Die Querschnittsabmessungen bestanden aus einer Außentiefe (h) von 240 mm, einer Flanschbreite (b) von 120 mm, einer Flanschdicke (t_f) von 12 mm und einer Stegdicke (t_w) von 10 mm. Zur Bewertung des typischen Tragverhaltens wurden vier häufig verwendete Anschlusskonfigurationen untersucht: Extended-Endplate-Verbindungen (EEP), Flush-Endplate-Verbindungen (FEP), Top-and-Seat-Angle-Cleat-Verbindungen (TSAC) sowie Top-and-Seat-and-Double-Web-Cleat-Verbindungen (TSWAC).

Die geometrischen Konfigurationen der vier untersuchten Verbindungstypen sind in Abbildung [4] und Tabelle 1 dargestellt. Bei allen Probekörpern bestanden die Verbindungsmittel aus M16-Edelstahlschrauben der Güteklasse A4-80 (entspricht Kohlenstoffstahl der Güteklasse 8.8) mit Vollgewinde, die in Durchgangsbohrungen mit einem Durchmesser von 18 mm eingesetzt wurden. Sowohl bei der TSAC- als auch bei der TSWAC-Konfiguration waren die oberen und unteren Anschlusswinkel in ihrer Geometrie identisch, einschließlich der räumlichen Anordnung der Schraubenlöcher.

Tabelle 1: Geometrische Konfiguration der geprüften Probekörper (2)

Abstände gemäß Abb-4 (mm)
Probekörper	t_c	t_p	t_a	p₁	p₂	e₁	e₂	L₁	L₂
FEP	12	8	-	65	65	25	-	-	-
EEP	12	8	-	110	100	25	-	-	-
TSAC-8	12	-	8	0	0	35	-	100	-
TSAC-10	12	-	10	0	0	25	-	100	-
TSWAC-8	12	-	8	0	0	35	25	100	55
TSWAC-10	12	-	10	0	0	25	25	100	60

Tabelle 2: Materialeigenschaften (1)

Probekörper	E	σ_0.2	σ_1.0	σ_u	ε _f
	(N/mm²)	(N/mm²)	(N/mm²)	(N/mm²)	%
I-240 × 120 × 12 × 10 - Flansch	196,500	248	306	630	66
I-240 × 120 × 12 × 10 - Steg	205,700	263	320	651	65
Anschlusswinkel (8 mm)	197,600	280	344	654	55
Anschlusswinkel (10 mm)	192,800	289	353.5	656	56
Stirnplatte	198,000	282	343	655	54
M16-Schraube (A4-80)	191,500	617	703	805	12

Details zu den in den geprüften Proben verwendeten Anschlüssen, dargestellt für die statische Analyse.

Anschlussdetails der geprüften Proben

Diskussion

Stahlanschlüsse für RFEM-Lösung

Mithilfe des FE-basierten Add-Ons Stahlanschlüsse für RFEM 6 wurde der Anschlussbemessungsprozess vollständig in das Hauptstatikmodell integriert. Durch die Vereinheitlichung der Eingabeparameter und der Ergebnisanalyse innerhalb der RFEM-Umgebung wurden im Arbeitsablauf erhebliche Verbesserungen sowohl hinsichtlich der Transparenz als auch der Bemessungseffizienz erzielt.

Bei allen untersuchten Probekörpern wurden die Grenzfestigkeit und die Rotationskapazität der Anschlüsse durch Schraubenbruch bestimmt. Aufgrund der hohen Duktilität und der ausgeprägten Verfestigungseigenschaften der Edelstahlkomponenten zeigte der Momentenwiderstand einen kontinuierlich ansteigenden Verlauf mit zunehmender Verformung, bis die Zug- oder Schubgrenze der Verbindungsmittel erreicht war. Bemerkenswert ist, dass das Schraubenversagen selbst zwar spröde war, das systemische Verhalten der Anschlüsse jedoch überwiegend duktil blieb. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass dem Schraubenbruch eine umfangreiche unelastische Verformung und ein Fließen innerhalb der anderen Verbindungselemente, insbesondere der Stirnplatten und der Flansch-/Steg-Anschlusswinkel, vorausging. Abb. 5 und 6 sowie Tabelle 3 und 4 veranschaulichen den Vergleich von Momentenwiderstand und Steifigkeit – experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM nach EC 3. Tabelle 5 veranschaulicht die Versagensarten.

Grafik mit Vergleich der Momententragfähigkeit aus experimentellen Daten, ROFEM-Software, Stahlanschlüssen in RFEM und EC 3-Normen.

Vergleich der Momententragfähigkeit – Experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM und EC 3

Grafik mit Vergleich der Steifigkeit zwischen experimenteller Analyse, ROFEM-Methode und RFEM-basierten Stahlanschlüssen unter Anwendung von EC-3-Kriterien.

Vergleich der Steifigkeit – Experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM und EC-3

Tabelle 3: Vergleich des Momentenwiderstands – experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM und EC3

Momententragfähigkeit (kNm) | M_j,R
Probekörper	Experiment	ROFEM	Stahlanschlüsse in RFEM	EC-3	EC3/CBFEM
FEP	40	40.5	40.5	18.6	0.46
EEP	42	43.8	45.23	27.2	0.60
TSAC-8	12	11.7	8.37	6.6	0.79
TSAC-10	23	21.8	13.03	11.1	0.85
TSWAC-8	39	41.6	25.65	19.25	0.75
TSWAC-10	55	53.2	27.27	30.3	1.11

Tabelle 4: Vergleich der Steifigkeit – experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM und EC3

Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)
Probekörper	Experiment	ROFEM	Stahlanschlüsse in RFEM	EC3	EC-3/CBFEM
FEP	3.91	4.00	5.00	5.74	1.15
EEP	4.46	5.20	3.30	9.36	2.84
TSAC-8	1.24	0.57	1.30	1.80	1.38
TSAC-10	1.52	1.01	2.00	2.52	1.26
TSWAC-8	1.92	2.39	2.20	5.24	2.38
TSWAC-10	2.77	2.88	2.70	6.14	2.27

Tabelle 5: Versagensarten

Versagensarten
Probekörper	EC-3	Stahlanschlüsse in RFEM	Experimente
FEP	Stirnplatte bei Biegung	Schraubenversagen bei Zug	Schraubenbruch bei Zug
EEP	Stirnplatte bei Biegung	Schraubenversagen bei Zug	Schraubenversagen bei Zug
TSAC-8	Biegung des Anschlusswinkels	Schraubenversagen bei Zug und Schub	Schraubenversagen bei Zug und Schub
TSAC-10	Biegung des Anschlusswinkels	Schraubenversagen bei Zug und Schub	Schraubenversagen bei Zug und Schub
TSWAC-8	Biegung des Anschlusswinkels	Schraubenversagen bei Zug und Schub	Schraubenversagen bei Zug und Schub (Flanschwinkelschraube)
TSWAC-10	Biegung des Anschlusswinkels	Schraubenversagen des Stegs bei Schub	Schraubenversagen bei Schub (obere Schraube, die den Stegwinkel mit dem Trägersteg verbindet)

Analyse zur Darstellung der Vergleichsspannungen und der plastischen Dehnung an einer bündigen Stirnplatte.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer bündigen Stirnplatte (FEP)

Grafische Darstellung der Verteilung von Vergleichsspannungen und plastischer Dehnung in einem Statikmodell mit bündiger Stirnplatte.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer bündigen Stirnplatte (FEP) | 2

Finite-Elemente-Analyse einer überstehenden Stirnplatte mit Darstellung der Verteilung von Vergleichsspannungen und plastischer Dehnung.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer überstehenden Stirnplatte (EEP)

Grafische Darstellung der Verteilung von Vergleichsspannungen und plastischer Dehnung in einer Verbindung mit überstehender Stirnplatte in einer Stahlkonstruktion.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer überstehenden Stirnplatte (EEP) | 2

Analyse der Verbindung zwischen oberem und unterem Anschlusswinkel mit Darstellung der Verteilung von Vergleichsspannungen und plastischer Dehnung in einem strukturellen Anschluss.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer Verbindung zwischen oberem und unterem Anschlusswinkel (TSAC)

Analyse der Vergleichsspannungen und plastischen Dehnung in einer Verbindung aus oberem und unterem Anschlusswinkel in einer Stahlbauverbindung.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer Verbindung zwischen oberem und unterem Anschlusswinkel (TSAC) | 2

Das Bild zeigt die Verteilung der Vergleichsspannungen und der plastischen Dehnung in einer Top-Seat- und Double-Web-Cleat-Verbindung in einer Stahlkonstruktion.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer Top-Seat- und Double-Web-Cleat-Verbindung (TSWAC)

Analyse der Vergleichsspannungen und plastischen Dehnung in einer Top-Seat- und Double-Web-Cleat-Verbindung, dargestellt zur statischen Bewertung.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung der TSWAC-Verbindung (Top Seat and Double Web Cleat) | 2

Abbildung zur Darstellung von Ausnutzungen und Drehsteifigkeit einer bündigen Stirnplatte in der statischen Berechnung.

Ausnutzungen und Drehsteifigkeit einer bündigen Stirnplatte (FEP)

Analyse der Vergleichsspannungen und der plastischen Dehnung in einer Verbindung mit oberem und unterem Anschlusswinkel. Detailansicht des TSAC-Finite-Elemente-Modells.

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung einer Verbindung zwischen oberem und unterem Anschlusswinkel (TSAC)

Analyse der Ausnutzungen und der Drehsteifigkeit einer Top-Seat- und Doppel-Web-Cleat-Verbindung in der Tragwerksplanung.

Ausnutzungen und Drehsteifigkeit von Top Seat und Double Web Cleat (TSWAC)

Fazit

Auf der Grundlage vorläufiger Versuchsdaten wurde die Anwendbarkeit der Bestimmungen der EN 1993-1-8 auf das Add-On Stahlanschlüsse bewertet. In Übereinstimmung mit früheren Beobachtungen bei Gegenstücken aus Kohlenstoffstahl neigte das Eurocode-Steifigkeitsmodell dazu, die anfängliche Drehsteifigkeit zu überschätzen, wobei die Vorhersagen erhebliche Streuungen aufwiesen.
Die analytischen Festigkeitsmodelle (TSWAC-10) wiesen sowohl bei den Probekörpern als auch bei den CBFEM-Simulationen ein Verhältnis von mehr als 1,0 hinsichtlich des plastischen Momentenwiderstands auf. Eine kritische Diskrepanz wurde hinsichtlich des maßgebenden Versagensmechanismus beobachtet: Das Versagen wurde ausnahmslos durch Schraubenversagen ausgelöst, selbst in Konfigurationen, in denen der Eurocode ein duktiles Versagen des T-Stummels (Mechanismus 1 oder 2) prognostizierte, das durch die Bildung plastischer Gelenke gekennzeichnet ist. Während die T-Stummel die erwarteten plastischen Verformungen entwickelten, ermöglichte die ausgeprägte Verfestigung des nichtrostenden Stahls eine kontinuierliche Zunahme der Spannung in den Fließbereichen.

Literaturverzeichnis

Elflah, M.; Theofanous, M.; Dirar, S.; & Yuan, H.X. (2018). Behaviour of stainless-steel beam-to column joints - part 1: experimental investigation. J. Constr. Steel Res (2018). https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.02.040 (im Druck).
Elflah M.; Theofanous M.; & Dirar S. (2019). Behaviour of Stainless-Steel Beam-to-column Joints – Part 2: Numerical Modelling and Parametric Study. J. Constr. Steel Res. 152(2019), S. 194-212.
CEN. (2005). EN 1993-1-8, Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen. British Standards Institution, CEN.
Weynard K.; Jaspart J.P.; & Steenhuis, M. (1995). The stiffness model of revised Annex J to Eurocode 3, connections in steel structures III: behaviour, strength and design. Vorgestellt auf dem 3. Internationalen Workshop zu Verbindungen in Stahlkonstruktionen. Trient, Italien.

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