Diese Studie validiert das Add-On Stahlanschlüsse für RFEM, indem der Einfluss von Schraubendurchmesser und Stirnplattendicke auf die Tragfähigkeit und die Ausfallmodi von Stirnplatten-Träger-Stützen-Verbindungen untersucht wird. Das Tragwerksverhalten und die Lastabtragungsleistung dieser Anschlüsse werden gemäß den Bemessungsvorschriften des Eurocode 3 (EC-3) bewertet, und die Ergebnisse werden anschließend mit Vorhersagen eines Finite-Elemente-Modells verglichen, das mit RFEM und der forschungsorientierten Finite-Elemente-Methode (ROFEM) entwickelt wurde.
Analytisches Modell
Diese Studie übernimmt die in EN 1993-1-8 festgelegten Bemessungskriterien für die Bewertung des Schraubenwiderstands (Schub und Spannung) und des Plattenwiderstands (Lager und Durchstanzen) unter Verwendung der in Tabelle 3.4 angegebenen Grenzzustandsformulierungen.
Der Bemessungswiderstand des äquivalenten T-Stummels wird unabhängig für die Stirnplatten- und die Stützenflanschkomponente bewertet. Für jede Komponente wird der maßgebende Bemessungswiderstand FT,Rd als der Minimalwert definiert, der sich aus drei potenziellen Versagensmechanismen ergibt.
Der individuelle Widerstand für jeden Modus wird auf der Grundlage der plastischen Momententragfähigkeit des Flansches (Mpl,1,Rd und Mpl,2,Rd) und des Zugwiderstands der Schraubengruppe (ΣFt,Rd) berechnet. Diese Modi berücksichtigen vollständiges Flanschfließen (Modus 1), Schraubenversagen in Kombination mit Flanschfließen (Modus 2) und reines Schraubenversagen (Modus 3).
Ausfallmodi:
Plastische Widerstandsmomente:
Verbindungsgeometrie des Träger-Stützen-Anschlusses
Der starre Flansch wurde als elastisches Element modelliert. Die Materialmodelle S275 und S420 wurden der Stirnplatte bzw. dem Träger zugewiesen. Für die Parameterstudie wurde der Träger so gewählt, dass er einen typischen europäischen Profilabschnitt mit Abmessungen darstellt, die ungefähr einem IPE300-Profil entsprechen, während die Stütze als HEA300-Profil modelliert wurde, in Übereinstimmung mit den zu bewertenden Eurocode-Vorschriften. Die Abmessungen des Trägers und der Stirnplatte sind in Abb. 2 dargestellt. Die in der Studie berücksichtigten Variablen waren Schraubendurchmesser von 16 mm (M16), 20 mm (M20) und 24 mm (M24) sowie Stirnplattendicken (tp) von 10 mm, 15 mm und 20 mm.
Diskussion
Lösung mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM
Diese Studie präsentiert eine numerische Untersuchung der Auswirkungen von Schraubendurchmesser und Stirnplattendicke auf die Tragfähigkeit und die Ausfallmodi von verlängerten Stirnplatten-Träger-Stützen-Verbindungen aus Stahl. Das Tragwerksverhalten von neun solchen Verbindungen wurde untersucht.
Die Ergebnisse der Parameterstudie sind in Tabelle 1 zusammengefasst, und die entsprechenden Momentenbeanspruchbarkeiten sind in Abb. 3 dargestellt. Eine Erhöhung der Stirnplattendicke führte zu höheren plastischen und maximalen Momententragfähigkeiten. Sobald jedoch die Biegemomenttragfähigkeit des Trägers unter die des Anschlusses fiel, hatte eine weitere Erhöhung der Stirnplattendicke keinen Einfluss auf die Gesamttragfähigkeit. Derselbe Trend wurde für den Schraubendurchmesser beobachtet. Tabelle 2 zeigt die Ausfallmodi.
| Probekörper | ROFEM | Add-On Stahlanschlüsse in RFEM | EC-3 | EC-3/RFEM |
|---|---|---|---|---|
| M16-tp=10mm | 87,00 | 85,35 | 65,00 | 0,76 |
| M16-tp=15mm | 147,00 | 123,12 | 105,00 | 0,85 |
| M16-tp=20mm | 153,00 | 132,23 | 143,00 | 1,08 |
| M20-tp=10mm | 114,00 | 95,85 | 73,00 | 0,76 |
| M20-tp=15mm | 186,00 | 167,40 | 129,00 | 0,77 |
| M20-tp=20mm | 223,00 | 183,33 | 186,00 | 1,01 |
| M24-tp=10mm | 128,00 | 102,60 | 73,00 | 0,71 |
| M24-tp=15mm | 195,00 | 132,30 | 155,00 | 1,17 |
| M24-tp=20mm | 283,00 | 175,50 | 211,00 | 1,20 |
| Probekörper | ROFEM | Add-On Stahlanschlüsse in RFEM | EC-3 |
|---|---|---|---|
| M16-tp=10mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1 |
| M16-tp=15mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1&2 |
| M16-tp=20mm | Modus 2 | Modus 2 | Modus 2&3 |
| M20-tp=10mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1 |
| M20-tp=15mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1&2 |
| M20-tp=20mm | Modus 2 | Modus 2 | Modus 1&2 |
| M24-tp=10mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1 |
| M24-tp=15mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1 |
| M24-tp=20mm | Modus 1 | Modus 1 | Modus 1&2 |
Schlussfolgerungen
Drei Methoden – ein detailliertes FE-Modell (ROFEM), das komponentenbasierte Add-On Stahlanschlüsse in RFEM und die EC-3-Komponentenmethode (EN 1993-1-8) – wurden an neun geschraubten Stirnplattenverbindungen (M16/M20/M24-Schrauben × 10/15/20 mm Platten) verglichen.
Das EC-3/RFEM-Verhältnis wird durch die Plattendicke bestimmt und steigt innerhalb jeder Schraubengruppe monoton an: EC-3 unterschätzt den Widerstand für 10-mm-Platten erheblich (0,71–0,76), übertrifft jedoch RFEM für 20-mm-Platten (1,01–1,20). Der Grund ist mechanischer Natur – dünne Platten versagen durch duktiles Plattenfließen (Modus 1), während die FE-Methoden die Membranwirkung und Kaltverfestigung erfassen, die das EC-3-T-Stummel-Modell vernachlässigt.
Wenn die Platte dicker wird und die Schraube zur schwachen Komponente wird, verschwindet dieser Spielraum. Bei den Ausfallmodi stimmen ROFEM und RFEM bei jedem Probekörper überein; EC-3 stimmt bei der maßgebenden Komponente überein, neigt jedoch dazu, kombinierte Modi (1&2, 2&3) zu kennzeichnen. Das Muster folgt der klassischen T-Stummel-Theorie: Dickere Platten verschieben das Versagen in Richtung Schraubenkontrolle, während größere Schrauben den Anschluss im duktilen Modus 1 halten.
Die Anfangssteifigkeit einer Stirnplattenverbindung steigt mit zunehmendem Schraubendurchmesser oder zunehmender Stirnplattendicke. Der Eurocode sagt die Ausfallmodi solcher Verbindungen mit hoher Genauigkeit voraus.