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11. Juni 2026

Analyse von dicken, überstehenden Stirnplatten und mehreren Schrauben pro Reihe mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM

Diese Studie befasst sich mit dem Nachweis der in RFEM implementierten Stahlanschlüsse für die Analyse von dicken, überstehenden Stirnplatten und mehreren Schrauben pro Reihe. 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.

Analytisches Modell

In dieser Studie werden die in EN 1993-1-8 festgelegten Bemessungskriterien zur Bewertung des Schraubenwiderstands (Schub und Zug) und des Plattenwiderstands (Lochleibung und Durchstanzen) herangezogen, wobei die in Tabelle 3.4 angegebenen Grenzzustandsformulierungen verwendet werden.

Die Bemessungsbeanspruchbarkeit des äquivalenten T-Stummels wird für die Stirnplatte 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 jede Form 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 Formen berücksichtigen das vollständige Flanschfließen (Form 1), das Schraubenversagen in Verbindung mit Flanschfließen (Form 2) und den reinen Schraubenbruch (Form 3).

Versagensformen:

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

Geometrische Details der Träger-Stütze-Verbindung

Entsprechend der üblichen Baupraxis wurden alle Träger und Stützenstäbe aus S235-Stahl gefertigt, während für die Stirnplatten hochfester S355-Stahl verwendet wurde. Die geometrischen Konfigurationen, einschließlich der Anordnung der Stirnplatten und Schraubengruppen, sind in Abbildung 2 dargestellt, wobei die entsprechende Versuchsmatrix und die gemessenen Materialeigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Wie in der Versuchsmatrix definiert, wurde in Gruppe A (Proben 1A–3A) ein HEA 300-Stützenprofil (t_w = 8,5 mm; t_f = 14 mm) verwendet, während Gruppe B das schwerere HEB 300-Profil (t_w = 11 mm; t_f = 19 mm) beinhaltete. Um das Verhalten einer Hierarchie mit schwachen Stützen und starken Trägern zu bewerten, wurden bei allen Proben ein einheitliches HEB 300-Trägerprofil und 30 mm dicke Stirnplatten beibehalten, wodurch sichergestellt wurde, dass die Konfigurationen der Gruppe A stützenkritisch waren.

Tabelle 1: Geometrische Konfiguration der getesteten Proben

Proben	Stützenprofil	Trägerprofil	Anz. Schrauben	Stützenlänge	Trägerlänge
T1A	HEA 300	HEB 300	12	2	1,5
T2A	HEA 300	HEB 300	6	2	1,5
T3A	HEA 300	HEB 300	8	2	1,5
T1B	HEB 300	HEB 300	12	2	1,5
T2B	HEB 300	HEB 300	6	2	1,5
T3B	HEB 300	HEB 300	8	2	1,5

(a) Typische Träger-Stützen-Schraubverbindung und (b) Darstellung der Komponentenmethode.

(a) Typische geschraubte Träger-Stützen-Verbindung und (b) Darstellung der Komponentenmethode

Kopfplatten-/Schraubenkonfiguration

Diskussion

Stahlanschlüsse für RFEM-Lösung

Unter Verwendung des FE-basierten Add-Ons Stahlanschlüsse für RFEM 6 wurde der Anschlussbemessungsprozess vollständig in das primäre Statikmodell integriert. Diese Studie präsentiert eine experimentelle und numerische Untersuchung des Tragverhaltens von sechs Träger-Stütze-Verbindungen mit verlängerten, dicken Stirnplatten, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem Einfluss unkonventioneller Schraubenmuster mit mehreren Schrauben pro Reihe liegt. Um die inhärente Drehsteifigkeit der Knotenzone zu isolieren, wurden alle Probekörper ohne zusätzliche Stützenstegsteifen konfiguriert. Die Versuchsmatrix untersuchte zwei unterschiedliche Versagenshierarchien: (1) eine Konfiguration mit schwacher Stütze und starkem Träger (HEA300-Stütze; HEB300-Träger) und (2) eine Konfiguration mit ausgeglichener Steifigkeit (HEB300-Stütze und -Träger).

Diese Untersuchungen wurden durch gezielte T-Stummel-Charakterisierung und hochpräzise Finite-Elemente-Analyse (FE-Analyse) ergänzt. Nach der Validierung anhand von experimentellen Daten und dem Nachweis gemäß den Rahmenbedingungen des Eurocodes 3 (EC3) wurden die FE-Modelle verwendet, um detaillierte Einblicke in lokale Verformungsmechanismen zu gewinnen. Abb. 4 und 5 sowie Tabelle 2 und 3 veranschaulichen den Vergleich von Momentwiderstand und Steifigkeit – experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM gemäß EC-3. Und Tabelle 4 veranschaulicht die Versagensformen.

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

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

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

Tabelle 2: Vergleich von Momententragfähigkeit, Steifigkeit – Experimentell, ROFEM, Stahlanschlüsse in RFEM & EC-3-1-8.

Experimentelle Prüfung
Probe	Anz. Schrauben	Moment kN m, M_j.R	Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	193,5	26,34
T2A	6	122,1	12,35
T3A	8	109,8	14,27
T1B	12	262,4	22,31
T2B	6	196,4	17,58
T3B	8	161,3	27,28

EC3-1-8 Komponentenmethode
Probe	Anz. Schrauben	Moment kN m, M_j.R	Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	114	33
T2A	6	108,8	27,42
T3A	8	64,7	18,87
T1B	12	162,6	41,83
T2B	6	156,5	38,96
T3B	8	81,1	23,82

ROFEM
Probe	Anz. Schrauben	Moment kN m, M_j.R	Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	179,3	19,5
T2A	6	107,3	9,14
T3A	8	96,9	5,81
T1B	12	261,9	23,8
T2B	6	190,2	17,67
T3B	8	177	16,36

RFEM Stahlanschlüsse
Probe	Anz. Schrauben	Moment kN m, M_j.R	EC-3/RFEM
T1A	12	154,57	0,74
T2A	6	115,42	0,94
T3A	8	97,13	0,67
T1B	12	197,5	0,82
T2B	6	172,8	0,91
T3B	8	137,63	0,59

Tabelle 3: Steifigkeitsvergleich.

RFEM Stahlanschlüsse
Probe	Anz. Schrauben	Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)	EC-3/RFEM
T1A	12	13,4	2,46
T2A	6	8,2	3,34
T3A	8	11,5	1,64
T1B	12	18,8	2,23
T2B	6	12,5	3,12
T3B	8	16,9	1,41

Tabelle 4: Versagensformen.

Probe	EC-3	Stahlanschlüsse in RFEM	Experimente
T1A	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung
T2A	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung
T3A	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung
T1B	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung
T2B	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung
T3B	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung	Stützenflanschbiegung

Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des T1A-Modells

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung des T2A-Modells

Vergleichsspannungen und Plastische Verzerrungen des T2A-Modells

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung des T3A-Modells

Vergleichsspannungen und Plastische Verzerrung des T3A Modells

Vergleichsspannungen und Plastische Verzerrung des T1B-Modells

Vergleichsspannungen und Plastische Verzerrung des T2B-Modells

Vergleichsspannungen und plastische Dehnung des T2B-Modells

Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung des T3B-Modells

Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des T3B-Modells

Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des T1A-Modells

Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des T2A-Modells

Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des T3A-Modells

Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des T1B-Modells

Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des T2B-Modells

Bemessungsverhältnis und Rotationssteifigkeit des T2B-Modells

Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des T3B-Modells

Fazit

Anhand vorläufiger Versuchsdaten wurde die Anwendbarkeit der Bestimmungen der EN 1993-1-8 auf Stahlanschlüsse untersucht. In Übereinstimmung mit den für herkömmliche Bauteile aus Kohlenstoffstahl berichteten Ergebnissen zeigte sich, dass das Eurocode-Steifigkeitsmodell die anfängliche Drehsteifigkeit überschätzt, wobei die analytischen Vorhersagen im Vergleich zu den Messwerten eine erhebliche Streuung aufwiesen.

Die Versuchsergebnisse bestätigen, dass sowohl die Momententragfähigkeit als auch die Anfangssteifigkeit mit der Anzahl der Schrauben zunehmen, wobei Proben mit 12 Schrauben (T1A, T1B) durchweg besser abschnitten als ihre Pendants mit 6 und 8 Schrauben. Die EC3-1-8-Komponentenmethode unterschätzt im Allgemeinen die Momententragfähigkeit, während sie die Anfangssteifigkeit überschätzt, am deutlichsten bei T1B (41,83 gegenüber 22,31 MNm/rad), was mit dem unter EN 1993-1-8 beobachteten Überschätzungstrend übereinstimmt.

Die EC-3/RFEM-Verhältnisse im Bereich von 0,59 bis 0,94 deuten auf konservative Vorhersagen der Momententragfähigkeit durch die Eurocode-Komponentenmethode hin, wobei das niedrige Verhältnis für T3B (0,59) auf eine erhebliche Unterschätzung für bestimmte Verbindungsgeometrien hindeutet.

Referenzen

1. Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen. Europäische Norm EN 1993-1-8. Europäisches Komitee für Normung, Brüssel, Belgien; 1993.
2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row, Engineering Structures, Band 59, 2014, Seiten 434–447, ISSN 0141-0296,10.1016/j.engstruct.2013.10.042

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