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27. März 2026

Verbindungen aus Edelstahl mit Steel-Joints-Add-on für RFEM

Diese Studie untersucht den Nachweis der Stahlanbindungen, wie sie in RFEM für die Analyse von Verbindungen aus nichtrostendem Stahl implementiert sind. Das Tragverhalten und die Leistungsfähigkeit dieser Verbindungen werden anhand der Bemessungsregeln des Eurocode 3 (EC 3) bewertet und mit einem Forschungsorientierten Finite-Elemente-Modell (ROFEM) verglichen, das zuvor durch experimentelle Versuche validiert wurde (1).

Analytisches Modell

Diese Studie übernimmt die in EN 1993-1-8:2006 (2) festgelegten Bemessungskriterien zur Bewertung des Schraubenwiderstands (Scherung und Zug) sowie des Plattenwiderstands (Lochleibung und Durchstanzschub), wobei die in Tabelle 3.4 angegebenen Grenzzustandsformulierungen verwendet werden.
Der Bemessungswiderstand des äquivalenten T-Stubs wird für die Endplatten- und die Flanschkomponente der Stütze unabhängig ermittelt. Für jede Komponente ist der maßgebende Bemessungswiderstand F_T,Rd als der kleinste Wert aus drei möglichen Versagensmechanismen definiert.

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

Tragfähigkeit von T-Stücken und Bruchbilder nach EN 1993-1-8

Der einzelne Widerstand für jeden Versagensfall wird auf Grundlage der plastischen Momententragfähigkeit des Flansches (M_pl,1Rd und M_pl,2,Rd) sowie des Zugwiderstands des Schraubengruppenverbandes (∑F_t,Rd) berechnet. Diese Versagensarten berücksichtigen das vollständige Fließen des Flansches (Modus 1), Schraubenversagen in Verbindung mit Fließvorgängen im Flansch (Modus 2) sowie den reinen Schraubenbruch (Modus 3).

Versagensmodi:

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

Eigenform 1: Vollständige Streckung des Flansches

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

Modus 2: Bolzenversagen gekoppelt mit Flanschstreckgrenze

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

Eigenform 3: Reiner Bolzenbruch

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 der verschiedenen Versagensarten eines T-Stummel-Elements in der Statik.

Bruchmechanismen der T-Stummel-Elemente

Mit der Einführung von Eurocode 3 (2) wurde ein bedeutender Fortschritt im Bauingenieurwesen erzielt, da damit erstmals ein umfassender normativer Rahmen speziell für die Bemessung von Verbindungen geschaffen wurde. Seine Bestimmungen – insbesondere die früher in Anhang J enthaltenen und nun in EN 1993-1-8 integrierten – stellen analytische Verfahren (2) für Verbindungen in Gebäuderahmen unter vorwiegend statischer Belastung bereit, mit Schwerpunkt auf der Träger-Stütze-Konfiguration.

Die Methode basiert auf dem Komponentenverfahren, einem mechanischen Modellansatz, der die Verbindung als Zusammenstellung einzelner funktionaler Komponenten idealisiert. Jede Komponente wird durch eine äquivalente elastische Feder mit ihrer spezifischen translatorischen Steifigkeit und ihrem Bemessungswiderstand charakterisiert (3). Durch das gezielte Zusammensetzen dieser Federn in Reihe und parallel entsprechend der Topologie der Verbindung lassen sich die globale Rotationssteifigkeit und die momententragende Kapazität der Verbindung präzise bestimmen.

Darstellung von EC-3 Anhang J mit Ober- und Untergurt, sowie Verbindungen der Stegblechwinkel in einem Tragwerksmodell.

Erweiterung EC-3 Anhang J für Ober- und Untergurt- sowie Stegwinkelverbindungen

Die Anfangssteifigkeit der Verbindung ergibt sich aus der 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 Komponenten des Anschlusses

Anfangssteifigkeit der Verbindung

Um eine ausreichende plastische Rotationsfähigkeit sicherzustellen, wurden die Dicken der Endplatte und der Winkelbleche gemäß dem in EN 1993-1-8 (2) vorgeschriebenen oberen Grenzbereich festgelegt. Diese Auswahl stellt sicher, dass sich das Verbindungsverhalten für die beabsichtigte Strukturanalyse ausreichend duktil verhält.

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 nichtrostendem Stahl – konkret I 240 x 120 x 12 x 10 – sowohl für den Träger als auch für die Stütze verwendet. Die Querschnittsabmessungen umfassten eine Gesamthöhe (h) von 240 mm, eine Flanschbreite (b) von 120 mm, eine Flanschdicke (t_f) von 12 mm und eine Stegdicke (t_w) von 10 mm. Zur Untersuchung des typischen Tragverhaltens wurden vier häufig verwendete Verbindungsausführungen betrachtet: Extended Endplate-(EEP)-Verbindungen, Flush Endplate-(FEP)-Verbindungen, Top and Seat Angle Cleat-(TSAC)-Verbindungen sowie Top, Seat, and Double Web Cleat-(TSWAC)-Verbindungen.

Die geometrischen Konfigurationen der vier untersuchten Verbindungstypen sind in Abbildung [4] und Tabelle 1 dargestellt. In allen Probekörpern bestanden die Verbindungsmittel aus vollgewindigen M16-Edelstahlschrauben der Güte A4-80 (entspricht Stahlgüte 8.8), die in 18 mm großen Schraubenlöchern eingebaut wurden. Sowohl bei den TSAC- als auch bei den TSWAC-Konfigurationen waren die oberen und unteren Winkelbleche geometrisch 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
Winkelblech (8 mm)	197,600	280	344	654	55
Winkelblech (10 mm)	192,800	289	353.5	656	56
Endplatte	198,000	282	343	655	54
M16-Schraube (A4-80)	191,500	617	703	805	12

Details der in den geprüften Probekörpern verwendeten Anschlüsse, die für statische Berechnung verwendet werden.

Detaillierter Anschluss der geprüften Bauteile

Diskussion

Stahlverbindungen für RFEM-Lösung

Unter Verwendung des FE-basierten Add-ons Stahlverbindungen für RFEM 6 wurde der Verbindungsbemessungsprozess vollständig in das primäre Strukturmodell integriert. Durch die Vereinheitlichung der Eingabeparameter und der Ergebnisauswertung innerhalb der RFEM-Umgebung wurden sowohl Transparenz als auch Bemessungseffizienz deutlich verbessert.

Bei allen untersuchten Probekörpern wurden die Tragfähigkeit und die Rotationsfähigkeit der Verbindungen durch Schraubenbruch bestimmt. Aufgrund der hohen Duktilität und der ausgeprägten Verfestigungseigenschaften der nichtrostenden Stahlkomponenten zeigte der Momentenwiderstand bis zum Erreichen der Zug- oder Schergrenze der Verbindungsmittel einen kontinuierlich ansteigenden Verlauf mit zunehmender Verformung. Bemerkenswert ist, dass das Schraubenversagen zwar an sich spröde war, das Systemverhalten der Verbindungen jedoch überwiegend duktil blieb. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass dem Schraubenbruch umfangreiche inelastische Verformungen und Fließvorgänge in den übrigen Verbindungselementen, insbesondere den Endplatten und den Flansch-/Steg-Winkelblechen, vorausgingen. Abb. 5&6 und Tabelle 3&4 zeigen den Vergleich von Momentenwiderstand und Steifigkeit – Experiment, ROFEM, Stahlverbindungen in RFEM und EC 3. Tabelle 5 zeigt die Versagensarten.

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

Vergleich der Momententragfähigkeit – OBER, RFEM, Stahlanschlüsse in RFEM und EC 3

Diagramm zur Darstellung der Steifigkeitsvergleiche zwischen experimenteller Analyse, ROFEM-Methode und RFEM-basierten Stahlanschlüssen mit EC-3-Kriterien.

Vergleich der Steifigkeit – Experimentell, RFEM, Aluminiumanschlüsse in RFEM und EC 3

Tabelle 3: Vergleich des Momentenwiderstands – Experiment, ROFEM, Stahlverbindungen in RFEM und EC3

Momententragfähigkeit (kNm) | M_j,R
Probekörper	Experiment	ROFEM	Stahlverbindungen 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 – Experiment, ROFEM, Stahlverbindungen in RFEM und EC3

Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)
Probekörper	Experiment	ROFEM	Stahlverbindungen 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	Stahlverbindungen in RFEM	Versuche
FEP	Endplatte im Biegeversagen	Schraubenversagen im Zug	Schraubenbruch im Zug
EEP	Endplatte im Biegeversagen	Schraubenversagen im Zug	Schraubenversagen im Zug
TSAC-8	Biegen des Flanschwinkelblechs	Schraubenversagen im Zug und Scherung	Schraubenversagen im Zug und Scherung
TSAC-10	Biegen des Flanschwinkelblechs	Schraubenversagen im Zug und Scherung	Schraubenversagen im Zug und Scherung
TSWAC-8	Biegen des Winkelblechs	Schraubenversagen im Zug und Scherung	Schraubenversagen im Zug und Scherung (Schraube des Flanschwinkelblechs)
TSWAC-10	Biegen des Winkelblechs	Schraubenversagen des Stegs in Scherung	Schraubenversagen in Scherung (obere Schraube, die das Stegwinkelblech mit dem Trägersteg verbindet)

Analyse, die äquivalente Spannungen und plastische Dehnung an einer bündigen Stirnplatte zeigt.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der bündigen Stirnplatte (FEP)

Visuelle Darstellung der äquivalenten Spannungen und der Verteilung der plastischen Dehnung in einem Modell eines bündigen Stirnplattenanschlusses.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der bündigen Endplatte (FEP) | 2

Finite-Element-Analyse einer verlängerten Stirnplatte mit Darstellung der äquivalenten Spannungen und der Verteilung der plastischen Dehnung.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der verlängerten Endplatte (EEP)

Visuelle Darstellung der äquivalenten Spannungen und der plastischen Dehnungsverteilung in einer erweiterten Stirnplattenverbindung einer Stahlkonstruktion.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der verlängerten Endplatte (EEP) | 2

Analyse der Kopf- und Sitzwinkelanschlussverbindung mit Darstellung äquivalenter Spannungen und plastischer Dehnungsverteilungen in einer Strukturverbindung.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der Eckverbindung mit Kopf- und Sitzwinkel (TSAC)

Analyse der äquivalenten Spannungen und plastischen Dehnung in einer Kopf- und Sitzwinkelverbindung in einer Stahlbauverbindung.

Gleichwertige Spannungen und plastische Dehnung der Winkelanschlussverbindung mit Kopf- und Sitzwinkel (TSAC) | 2

Das Bild zeigt die Verteilung der Vergleichsspannungen und der plastischen Dehnung in einer Anschlusskonfiguration mit Kopfplatte und doppeltem Stegblech in einer Stahlkonstruktion.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der Top-Seat- und Double-Web-Cleat-Verbindung (TSWAC)

Analyse der äquivalenten Spannungen und der plastischen Dehnung in einer Anschlussverbindung mit Kopfplatte und doppeltem Stegblechwinkel, visualisiert zur strukturellen Beurteilung.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der Kopfplatten- und Doppelwinkelanschlussverbindung (TSWAC) | 2

Abbildung zur Veranschaulichung von Ausnutzungsgraden und Rotationssteifigkeit einer bündigen Stirnplatte in der Strukturanalyse.

Bemessungsverhältnisse und Rotationssteifigkeit von bündiger Endplatte (FEP)

Analyse der äquivalenten Spannungen und der plastischen Dehnung in einer Anschlusssituation mit Kopf- und Sitzwinkel. Detailansicht des TSAC-Finite-Elemente-Modells.

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung der Kopf- und Sitzwinkelverbindung (TSAC)

Analyse der Ausnutzungsgrade und der Rotationssteifigkeit einer Stirnplattenanschlussverbindung mit Kopfauflager und Doppel-Stegblechlaschenverbindung im Stahlbau.

Ausnutzungsgrade und Rotationssteifigkeit von Kopfauflager- und Doppelwinkelanschluss (TSWAC)

Fazit

Auf Grundlage vorläufiger experimenteller Daten wurde die Anwendbarkeit der Bestimmungen von EN 1993-1-8 auf das Add-on Stahlverbindungen bewertet. Entsprechend früheren Beobachtungen bei Gegenstücken aus Baustahl neigte das Eurocode-Steifigkeitsmodell dazu, die Anfangsrotationssteifigkeit zu überschätzen, wobei die Vorhersagen eine erhebliche Streuung aufwiesen.
Die analytischen Tragfähigkeitsmodelle (TSWAC-10) zeigten ein Verhältnis von mehr als 1,0 bezüglich des plastischen Momentenwiderstands sowohl der experimentellen Probekörper als auch der CBFEM-Simulationen. Eine kritische Abweichung wurde hinsichtlich der maßgebenden Versagensart festgestellt: Der Bruch wurde stets durch Schraubenversagen ausgelöst, selbst in Konfigurationen, in denen der Eurocode ein duktiles T-Stub-Versagen (Modus 1 oder 2) mit Bildung eines plastischen Gelenks prognostizierte. Während die T-Stubs die erwarteten plastischen Verformungen entwickelten, ermöglichte die ausgeprägte Verfestigung des nichtrostenden Stahls einen kontinuierlichen Spannungsanstieg in den plastifizierten Bereichen.

Literaturverzeichnis

Elflah, M.; Theofanous, M.; Dirar, S.; & Yuan, H.X. (2018). Verhalten von Träger-Stützen-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl - Teil 1: experimentelle Untersuchung. J. Constr. Steel Res (2018). https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.02.040 (im Druck).
Elflah M.; Theofanous M.; & Dirar S. (2019). Verhalten von Träger-Stützen-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl – Teil 2: Numerische Modellierung und parametriche Studie. 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. Vortrag auf dem 3rd International Workshop on Connections in Steel Structures. Trento, Italien.

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