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23. Juni 2026

Analyse von hochfesten Stahlprofil- und Stirnplattenanschlüssen mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM

Diese Studie stellt die Bemessung eines Stahlanschlusses vor, wie sie in RFEM für die Analyse hochfester Stahlverbindungen aus Profilabschnitten und Stirnplatten implementiert ist. Das Tragwerksverhalten und die Tragfähigkeit dieser Anschlüsse werden anhand der Bemessungsregeln des Eurocode 3 (EC3) bewertet und anschließend mit den Vorhersagen eines in RFEM entwickelten Finite-Elemente-Modells verglichen, das zuvor anhand experimenteller Versuchsdaten validiert wurde.

Analytisches Modell

Diese Studie übernimmt die in EN 1993-1-8 festgelegten Bemessungskriterien für die Bewertung der Schraubentragfähigkeit (Abscheren und Zug) und der Blechtragfähigkeit (Lochleibung und Durchstanzen) unter Verwendung der in Tabelle 3.4 angegebenen Grenzzustandsformulierungen.

Die Bemessungstragfähigkeit des äquivalenten T-Stummels wird unabhängig für die Komponenten Stirnplatte und Stützenflansch bewertet. Für jede Komponente wird die maßgebende Bemessungstragfähigkeit F_T,Rd als der Minimalwert 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})

Maßgebender Bemessungswiderstand

Die individuelle Tragfähigkeit für jeden Versagensmodus wird auf Grundlage der plastischen Momententragfähigkeit des Flansches (M_pl,1,Rd und M_pl,2,Rd) und der Zugtragfähigkeit der Schraubengruppe (∑F_t,Rd) berechnet. Diese Modi berücksichtigen vollständiges Flanschfließen (Modus 1), Schraubenversagen in Kombination mit Flanschfließen (Modus 2) und reines Schraubenversagen (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)}

Complete Flange Yielding

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

Schraubenversagen verbunden mit Flanschfließen

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

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 O}}

Plastic Resistance Moments. Part 1

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

Plastische Widerstandsmomente. Teil 2

Schematische Darstellung der drei Versagensarten eines T-Stummel-Anschlusses: Versagensart 1 vollständiges Flanschfließen, Versagensart 2 kombiniertes Schraubenversagen und Flanschfließen sowie Versagensart 3 reines Schraubenversagen.

1 Versagensarten des T-Stummels

Geometrische Details der Träger-Stützen-Verbindung

In Übereinstimmung mit der üblichen Baupraxis wurden alle Träger- und Stützenprofile aus den Stählen S355, Q690 und Q960 gefertigt, während für die Stirnplatten die höherfesten Güten Q690 und Q960 verwendet wurden. Die geometrischen Konfigurationen, einschließlich der Anordnung der Stirnplatte und der Schraubengruppen, sind in den Bildern 2 und 3 sowie in der zugehörigen experimentellen Versuchsmatrix dargestellt.

Probekörper JD1 (S355) verwendete ein HEM-300-Stützenprofil. Zur Bewertung des Verhaltens einer Schwache-Stütze/Starke-Träger-Hierarchie wurde ein einheitliches HEA-320-Trägerprofil zusammen mit 10 mm dicken S690-Stirnplatten beibehalten. JD2 wurde aus Q690-Stahl und JD3 aus Q960-Stahl gefertigt. Die Träger- und Stützenprofile waren H300×180×10×12 und H340×200×10×12 für JD2 sowie H250×180×10×12 und H300×200×10×12 für JD3. Es wurden Schrauben M24 der Festigkeitsklasse 8.8 und M27 der Festigkeitsklasse 10.9 verwendet.

Technisches Diagramm zur Veranschaulichung der Stirnplatten- und Schraubenkonfiguration für den Anschluss JD1, das Schraubenpositionen, Abmessungen und Abstände für die Stahlbau-Bemessung zeigt.

2 Konfiguration der Endplatte/Schrauben von JD1

Technische Zeichnung, die die Stirnplatten- und Schraubenkonfiguration für die Anschlüsse JD2 und JD3 zeigt, mit detaillierten Angaben zu Abmessungen, Schraubenfestigkeitsklassen und Reihenanordnungen.

3 Konfiguration der Endplatte/Schrauben von JD2 & JD3

Diskussion

Stahlanschlüsse für die RFEM-Lösung

Diese Studie präsentiert eine experimentelle und numerische Untersuchung des Tragverhaltens von drei erweiterten hochfesten Stahl-Stirnplatten-Träger-Stützen-Verbindungen.

Das experimentelle Programm wurde durch gezielte T-Stummel-Charakterisierung und hochpräzise Finite-Elemente-Analysen (FE) ergänzt. Die Anschlussbemessung wurde vollständig in das primäre Tragwerksmodell unter Verwendung des FE-basierten Add-Ons Stahlanschlüsse für RFEM 6 integriert. Nach der Validierung anhand der experimentellen Daten und der Verifizierung im Rahmen des Eurocode 3 (EC3) wurden die FE-Modelle eingesetzt, um detaillierte Einblicke in die lokalen Verformungsmechanismen zu gewinnen. Die Bilder 4 und 5 sowie die Tabellen 1 und 2 zeigen den Vergleich der Momententragfähigkeit und der Steifigkeit zwischen den experimentellen Ergebnissen, dem Add-On Stahlanschlüsse in RFEM und dem EC3, während Tabelle 3 die beobachteten Versagensmodi zusammenfasst.

Ein Balkendiagramm vergleicht die Momententragfähigkeit in kNm für drei Stahlanschlusskonfigurationen (JD1, JD2, JD3) basierend auf experimentellen Daten, RFEM Stahlanschlüsse-Analyse und EC3-Bemessungsnormen.

4 Vergleich der Momententragfähigkeit – Experimentell vs. Stahlverbindungen in RFEM und EC3

Balkendiagramm zum Vergleich der Anfangssteifigkeitswerte aus Experimenten, der RFEM-Stahlanschlussanalyse und EC3-Berechnungen für drei verschiedene Anschlusskonfigurationen.

5 Vergleich der Steifigkeit – Experimentell vs. Stahlknoten in RFEM und EC3

Tabelle 1: Vergleich der Momententragfähigkeit – Experiment vs. Stahlanschlüsse in RFEM & EC-3 | Momententragfähigkeit (kNm)
Probekörper	Experiment	Stahlanschlüsse in RFEM	EC3	EC3/RFEM
JD1	188,00	199,60	184,00	0,92
JD2	313,89	310,26	292,03	0,94
JD3	267,82	263,25	280,40	1,07

Tabelle 2: Vergleich der Steifigkeit – Experiment vs. Stahlanschlüsse in RFEM & EC3 | Anfangssteifigkeit Sj,ini (MNm/rad)
Probekörper	Experiment	Stahlanschlüsse in RFEM	EC3	EC3/RFEM
JD1	19,90	10,00	34,30	1,72
JD2	26,27	29,00	68,82	2,37
JD3	17,36	20,60	47,46	2,30

Tabelle 3: Versagensmodi
Probekörper	EC-3	Stahlanschlüsse in RFEM	Experiment
JD1	Stirnplatte und Schraube	Stirnplatte und Schrauben Reihe 1 & 2	Stirnplatte und Schrauben Reihe 1 & 2
JD2	Stirnplatte und Schraube	Stirnplatte und Schrauben Reihe 1 & 2	Stirnplatte und Schrauben Reihe 1 & 2
JD3	Stirnplatte und Schraube	Stirnplatte und Schrauben Reihe 1 & 2	Stirnplatte und Schrauben Reihe 1 & 2

Analyseergebnisse, die Vergleichsspannungen nach von Mises und äquivalente plastische Dehnungen für ein Stahlanschlussmodell zeigen, visualisiert mithilfe farbcodierter Oberflächendiagramme.

6 Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des JD1-Modells

Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse mit Darstellung der Vergleichsspannungen nach von Mises und der plastischen Dehnungen für ein Stahlanschlussmodell. Die Visualisierung zeigt die Spannungsverteilung und lokale plastische Verformungen im Anschlussbereich unter aufgebrachter Belastung.

7 Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung des JD2-Modells

Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse mit Vergleichsspannungen nach von Mises und plastischen Dehnungen für ein Stahlanschlussmodell, die Spannungsverteilung und Materialverhalten unter Last visualisieren.

8 Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des JD3-Modells

Tabelle mit den Nachweisquoten für Platten-, Schrauben- und Schweißnahtbauteile sowie den berechneten Rotationssteifigkeitswerten für eine strukturelle Anschlussverbindung.

9 Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des JD1-Modells

Tabelle mit Nachweisen im Grenzzustand der Tragfähigkeit für Blech-, Schrauben- und Schweißnahtkomponenten, einschließlich der berechneten Drehsteifigkeitswerte für die angeschlossenen Bauteile.

10 Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des JD2-Modells

Tabelle mit den Bemessungsergebnissen für Bleche, Schrauben und Kehlnähte sowie den berechneten Drehfedersteifigkeiten für die Anschlusselemente in einer statischen Berechnung.

11 Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des JD3-Modells

Schlussfolgerungen

Drei geschraubte Stirnplattenanschlüsse (JD1–JD3) wurden durch den Vergleich von Experimenten mit dem RFEM-Modell Stahlanschlüsse und der EC3-Handberechnung untersucht. Hinsichtlich der Momententragfähigkeit stimmten alle drei Methoden gut überein. RFEM passte sehr genau zu den Versuchsergebnissen (innerhalb von etwa 6 %), und EC3 lieferte sichere, leicht konservative Werte. Der EC3 kann daher für die Tragfähigkeitsbemessung als zuverlässig angesehen werden.

Der Hauptunterschied lag in der Anfangssteifigkeit. RFEM lieferte plausible Werte, aber der EC3 überschätzte die Steifigkeit jedes Anschlusses erheblich – etwa das 1,7- bis 2,7-Fache der gemessenen Werte. Die EC3-Steifigkeit sollte daher mit Vorsicht verwendet werden, insbesondere bei Gebrauchstauglichkeits- und Durchbiegungsnachweisen.

Bei den Versagensmodi sagte RFEM das in den Versuchen Beobachtete korrekt voraus (Stirnplattenfließen mit Versagen beider Schraubenreihen), während der EC3 einen einfacheren Einzelschraubenmodus vorhersagte. Kurz gesagt ist RFEM ein zuverlässiges Werkzeug zur Vorhersage von Anschlusstragfähigkeit, Steifigkeit und Versagen und kann den Bedarf an Versuchen reduzieren. Der EC3 ist für die Tragfähigkeit sicher, neigt jedoch dazu, die Steifigkeit zu überschätzen.

Referenzen

Europäisches Komitee für Normung (CEN). (1993). Eurocode 3. Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1–8: Bemessung von Anschlüssen (EN 1993-1-8). Brüssel, CEN.
Qiang, X., Wu, N., Luo, Y., Jiang, X., & Bijlaard, F. (2018). Experimentelle und theoretische Studie zu hochfesten Stahlanschlüssen mit überstehender Stirnplatte nach Brandeinwirkung. International Journal of Steel Structures, 18(2), 609–634. https://doi.org/10.1007/s13296-018-0020-3
Girão Coelho, A. M., & Bijlaard, F. S. K. (2007). Experimentelles Verhalten von Endplattenverbindungen aus hochfestem Stahl. Journal of Constructional Steel Research, 63(9), 1228–1240. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2006.11.010

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