Stahlbau.info
On Dezember 27, 2021 by adminDieser Artikel befasst sich mit momententragenden Verbindungen, die bei der Bemessung von ein- und mehrgeschossigen Gebäuden verwendet werden, in denen durchgehende Rahmen eingesetzt werden.
Der Artikel erörtert die am häufigsten verwendeten Arten von momententragenden Anschlüssen. Es wird die Verwendung von Standardverbindungen für Träger-Stützen- und Träger-Träger-Verbindungen betrachtet und ein Überblick über die Bemessungsverfahren auf der Grundlage von Eurocode 3 gegeben. Es werden sowohl geschraubte als auch geschweißte Verbindungen betrachtet. Stützenverbindungen und Stützenfüße werden ebenfalls vorgestellt.
Arten von momententragenden Verbindungen
Momententragende Verbindungen werden in mehrgeschossigen, nicht ausgesteiften Gebäuden und in eingeschossigen Portalrahmengebäuden verwendet. Verbindungen in mehrgeschossigen Rahmen sind in der Regel geschraubte, vollflächige Endplattenverbindungen oder verlängerte Endplattenverbindungen. Wenn ein tieferer Anschluss erforderlich ist, um einen größeren Hebelarm für die Schrauben zu erhalten, kann ein gevouteter Anschluss verwendet werden. Bei Portalrahmenkonstruktionen werden gevoutete momententragende Verbindungen an der Traufe und am Scheitelpunkt eines Rahmens fast immer verwendet, da die Voute nicht nur den Verbindungswiderstand erhöht, sondern auch den Widerstand des Sparrens.
Die am häufigsten verwendeten momententragenden Verbindungen sind geschraubte Endplattenverbindungen zwischen Balken und Stützen; diese sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
-
Endplatte mit voller Tiefe
-
Erweiterte Endplatte
-
Verstärkte verlängerte Endplatte
-
Gebogener Träger
Anstelle von verschraubten Träger-zu Stützenverbindungen, können geschweißte Verbindungen verwendet werden. Diese Verbindungen können eine vollständige Momentenkontinuität gewährleisten, sind jedoch teuer in der Herstellung, insbesondere auf der Baustelle. Geschweißte Träger-Stützen-Verbindungen können in der Fertigungswerkstatt mit einer Schraubverbindung innerhalb des Trägerspans an einer Stelle mit geringerem Biegemoment hergestellt werden. Geschweißte Verbindungen werden auch für den Bau von Gebäuden in erdbebengefährdeten Gebieten verwendet.
Andere Arten von momententragenden Verbindungen sind:
- Verbindungen in Stützen und Trägern, einschließlich Scheitelverbindungen in Portalrahmen, und
- Stützenfüße.
Ein Aspekt, der in diesem Artikel nicht behandelt wird, sind Schweißverbindungen zwischen Hohlprofilen. Eine Anleitung zur Bemessung von Schweißverbindungen für Celsius®355- und Hybox®355-Hohlprofile ist jedoch bei Tata Steel erhältlich.
Verbindungsklassifizierung
Die Bemessung von Verbindungen in Stahlkonstruktionen in Großbritannien wird durch BS EN 1993-1-8 und ihren Nationalen Anhang abgedeckt.
BS EN 1993-1-8 verlangt, dass Verbindungen nach Steifigkeit (als starr, halbstarr oder nominell verstiftet) oder nach Festigkeit (als vollfest, teilfest oder nominell verstiftet) klassifiziert werden. Die Steifigkeitsklassifizierung ist für die elastische Analyse von Rahmen relevant, die Festigkeitsklassifizierung gilt für Rahmen, die plastisch analysiert werden. Die Norm definiert Verbindungsmodelle als einfach, halbkontinuierlich oder kontinuierlich, je nach Steifigkeit und Festigkeit. Momentenresistente Verbindungen sind in der Regel starr und entweder voll- oder teilfest, so dass die Verbindungen entweder kontinuierlich oder halbkontinuierlich sind.
In den meisten Fällen ist es die Absicht des Entwurfs, dass die Verbindungen starr sind und als solche in der Rahmenanalyse modelliert werden. Wenn die Verbindungen tatsächlich halbstarr sind, müsste das Verhalten der Verbindung in der Rahmenanalyse berücksichtigt werden, aber die britische NA rät von diesem Ansatz ab, bis Erfahrungen mit der numerischen Methode zur Berechnung der Rotationssteifigkeit gesammelt wurden.
Klausel 5.2.2.1(2) von BS EN 1993-1-8 stellt fest, dass eine Verbindung auf der Grundlage von experimentellen Nachweisen, Erfahrungen mit früheren zufriedenstellenden Leistungen in ähnlichen Fällen oder durch Berechnungen auf der Grundlage von Prüfnachweisen klassifiziert werden kann.
Der Nationale Anhang des Vereinigten Königreichs bietet weitere Klarstellungen und in NA.2.6 wird darauf hingewiesen, dass Verbindungen, die in Übereinstimmung mit SCI P207. (
SCI P207 wurde aktualisiert, um BS EN 1993-1-8 zu berücksichtigen, und wurde als SCI P398 neu herausgegeben.
Klassifizierung starrer Verbindungen
Für Verbindungen in eingeschossigen Portalrahmen kann im Allgemeinen davon ausgegangen werden, dass sie starr sind, wenn sie gut proportioniert sind, den Empfehlungen für die Normung in SCI P398 folgen und nur für die Festigkeit ausgelegt sind. Bei mehrgeschossigen, unausgesteiften Rahmen ist die Rotationssteifigkeit für die Bestimmung der Rahmenstabilität von grundlegender Bedeutung. Der Konstrukteur muss daher entweder die Verbindungssteifigkeit (gemäß BS EN 1993-1-8) bewerten und diese bei der Rahmenkonstruktion und der Bewertung der Rahmenstabilität berücksichtigen oder, wenn bei der Rahmenanalyse starre Verbindungen angenommen wurden, sicherstellen, dass die Verbindungskonstruktion dieser Annahme entspricht. Bei einer Endplattenverbindung kann davon ausgegangen werden, dass die Verbindung starr ist, wenn die beiden folgenden Anforderungen erfüllt sind:
- Annahme relativ dicker Endplatten und möglicherweise eines versteiften Stützenflansches
- Die Stützenstegplatten-Querkraft übersteigt nicht 80 % der Bemessungsquerkraft. Wenn dies nicht möglich ist, sollte eine stärkere Säule verwendet oder eine geeignete Verstärkung vorgesehen werden.
Wenn eine starre Verbindung nicht angenommen werden kann, sollte die Verbindung als „halbstarr“ angenommen und die Flexibilität der Verbindungen bei der Bewertung der Rahmenstabilität berücksichtigt werden.
Kosten
Momententragende Verbindungen sind in der Herstellung immer teurer als einfache (nur scherende) Verbindungen. Auch wenn die Materialkosten für die Komponenten der Verbindung (Platten, Schrauben usw.) nicht so hoch sind, sind für die Herstellung von schwingungsarmen Verbindungen in der Regel mehr Schweißarbeiten erforderlich als für andere Verbindungen. Das Schweißen ist ein kostspieliger Vorgang und erfordert auch eine Kontrolle nach der Fertigstellung der Schweißnähte.
Die örtliche Verstärkung verursacht weitere Kosten: Die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Hauptbauteile sollte immer als kostengünstige Alternative in Betracht gezogen werden. Lokale Verstärkungen erschweren oft die Verbindungen zu den Nebenachsen, was zu weiteren Kosten führt.
Verstärkungen erfordern einen hohen Schweißaufwand und sind daher teuer. Wenn sie verwendet werden, um die Widerstandsfähigkeit des Bauteils zu erhöhen, wie z. B. in einem Portalrahmensparren, ist ihre Verwendung gerechtfertigt, aber Vouten können eine teure Option sein, wenn sie nur vorgesehen sind, um eine Schraubverbindung möglich zu machen.
Standardverbindungen
Obwohl es keine standardisierten momententragenden Verbindungen gibt, bleiben die Grundsätze der Standardisierung wichtig für die strukturelle Effizienz, kosteneffektive Konstruktion und Sicherheit. Die folgenden Richtlinien werden im Allgemeinen empfohlen, zumindest für erste Konstruktionszwecke:
- M20 oder M24 Festigkeitsklasse 8.8 Schrauben, Vollgewinde
- Schrauben mit 90 oder 100 mm Querabstand („gauge“)
- Schrauben mit 90 mm vertikalem Abstand („pitch“)
- S275- oder S355-Beschläge (Endplatten, Verbindungsplatten und Versteifungen)
- 20 mm Endplatten mit M20-Schrauben; 25 mm Endplatten mit M24-Schrauben.
Geschraubte Träger-Stützen-Verbindungen
Geschraubte Endplattenverbindungen zwischen Trägern mit I- oder H-Profilen und Stützen, wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt, werden nach dem in BS EN 1993-1-8 beschriebenen Verfahren entworfen. Geschraubte Endplattenverbindungen und Scheitelverbindungen, die ähnliche Bemessungsverfahren verwenden, werden im Abschnitt über Verbindungen behandelt.
Bemessungsgrundlage
Der Widerstand einer geschraubten Endplattenverbindung wird durch eine Kombination von Zugkräften in den Schrauben am einen Flansch und Druckkräften im Lager am anderen Flansch erzeugt. Sofern keine Axialkraft im Träger vorhanden ist, sind die gesamten Zug- und Druckkräfte gleich und entgegengesetzt. Vertikale Scherkräfte werden durch Schrauben in den Lagern und durch Scherkräfte aufgenommen; es wird gewöhnlich angenommen, dass die Kraft hauptsächlich durch Schrauben in der Nähe des Druckflansches aufgenommen wird. Diese Kräfte sind in der Abbildung rechts schematisch dargestellt.
Im Grenzzustand der Tragfähigkeit liegt der Drehpunkt am oder in der Nähe des Druckflansches, und der Einfachheit halber kann angenommen werden, dass sich der Druckwiderstand auf die Höhe der Flanschmitte konzentriert.
Die Schraubenreihe, die am weitesten vom Druckflansch entfernt ist, wird tendenziell die größte Zugkraft auf sich ziehen, und in der Bemessungspraxis wurde in der Vergangenheit von einer „dreieckigen“ Verteilung der Kräfte ausgegangen, die im Verhältnis zum Abstand vom unteren Flansch steht. Wenn jedoch entweder der Stützenflansch oder die Endplatte ausreichend flexibel ist (wie in NA.2.7 der britischen NA definiert), so dass ein duktiles Verhalten erreicht wird, dürfen die vollen Widerstände der unteren Reihen verwendet werden (dies wird manchmal als „plastische Verteilung der Schraubenreihenkräfte“ bezeichnet).
- Verteilung der Kräfte in den Bolzen
-
Dreiecksverteilung
-
‚Plastische‘ Verteilung
Bemessungsverfahren
Das vollständige Bemessungsverfahren für eine Endplattenverbindung ist notwendigerweise ein iteratives Verfahren: Es wird eine Konfiguration von Schrauben und, falls erforderlich, Versteifungen ausgewählt; der Widerstand dieser Konfiguration wird bewertet; die Konfiguration wird dann modifiziert, um einen größeren Widerstand oder eine größere Wirtschaftlichkeit zu erreichen; die überarbeitete Konfiguration wird erneut bewertet, bis eine zufriedenstellende Lösung erreicht ist.
| SCHRITT 1 | Berechnen Sie die effektiven Zugwiderstände der Schraubenreihen. Dabei werden die Widerstände der Schrauben, der Endplatte, des Stützenflansches, des Trägerstegs und des Stützenstegs berechnet. Der effektive Widerstand für jede Reihe kann derjenige für die Reihe allein oder als Teil einer Gruppe von Reihen sein, oder er kann durch eine „dreieckige“ Verteilung von der Druckflanschebene aus begrenzt werden.
Das Ergebnis dieser Phase ist eine Reihe von Zugwiderständen, ein Wert für jede Schraubenreihe und die Summe aller Schraubenreihen, um den Gesamtwiderstand der Zugzone zu erhalten. |
| SCHRITT 2 | Berechnen Sie die Widerstände der Druckzone des Stützenstegs unter Berücksichtigung der Querkraft im Stützensteg und des Trägerflansches. |
| SCHRITT 3 | Berechnen Sie den Scherwiderstand des Stützenstegs. |
| SCHRITT 4 | Wenn der Gesamtzugwiderstand den Druckwiderstand (Schritt 2) oder den Scherwiderstand des Stützenstegs (Schritt 3) übersteigt, berechnen Sie die reduzierten effektiven Zugwiderstände für die Schraubenreihen, wo dies zur Gewährleistung des Gleichgewichts erforderlich ist.
Berechnen Sie den Momentwiderstand. Dieser ist die Summe der Produkte aus Schraubenreihenkraft multipliziert mit dem jeweiligen Hebelarm, berechnet aus dem Druckmittelpunkt. |
| SCHRITT 5 | Berechnen Sie den Scherwiderstand der Schraubenreihen. Der Widerstand ergibt sich aus der Summe des vollen Scherwiderstandes der unteren Schraubenreihe(n) (die nicht als zugfest angenommen werden) und 28 % des Scherwiderstandes der Schrauben in der Zugzone (unter der konservativen Annahme, dass sie vollständig auf Zug beansprucht werden). |
| STEP 6 | Überprüfen Sie die Angemessenheit der Versteifungen in der Konfiguration. |
| STEP 7 | Überprüfen Sie die Angemessenheit der Schweißnähte in der Verbindung. (Beachten Sie, dass die Größe der Schweißnähte in den vorangegangenen Schritten nicht kritisch ist).
Bauteile, die unter Druck direkt gelagert werden, benötigen nur eine Nennschweißnaht, es sei denn, es muss eine Momentenumkehr berücksichtigt werden. |
Der Nachweis der Widerstandsfähigkeit einer geschweißten Endplattenverbindung unter Berücksichtigung aller Bauteile, aus denen die Verbindung besteht, ist in der Abbildung rechts und der zugehörigen Tabelle unten dargestellt.
| Zone | Ref | Bestandteil | Verfahren |
|---|---|---|---|
| Zug | a | Schraubenspannung | Schritt 1a |
| b | Endplattenbiegung | Schritt 1a | |
| c | Stützenflansch Biegung | Schritt 1a | |
| d | Trägerstegzug | Schritt 1b | |
| e | Stützenstegzug | Schritt 1b | |
| f | Schweißnaht Flansch an Endplatte | Schritt 7 | |
| g | Schweißnaht Steg an Endplatte | Schritt 7 | |
| Horizontale Scherung | h | Stützenstegplattenschere | Schritt 3 |
| Druck | j | Trägerflanschdruck | Schritt 2 |
| k | Trägerflanschschweißung | Schritt 7 | |
| I | Stützensteg | Schritt 2 | |
| Vertikalschere | m | Schweißnaht zwischen Steg und Endplatte | Schritt 7 |
| n | Bolzenabscherung | Schritt 5 | |
| p | Bolzenlager (Platte oder Flansch) | Schritt 5 |
Die Berechnungen zu den oben genannten Bemessungsschritten sind in SCI P398 Abschnitt 2 ausführlich beschrieben.5.
Verstärkungsmethoden
Durch eine sorgfältige Auswahl der Stäbe bei der Bemessung kann die Notwendigkeit einer Verstärkung der Verbindung oft vermieden werden, was zu einem kostengünstigeren Bauwerk führt. Manchmal gibt es jedoch keine Alternative zur Verstärkung einer oder mehrerer Verbindungszonen. Das Spektrum der möglichen Versteifungen ist in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Die Art der Verstärkung muss so gewählt werden, dass sie nicht mit anderen Bauteilen an der Verbindung kollidiert. Dies ist oft ein Problem bei konventionellen Versteifungen, wenn Nebenträger an den Stützensteg anschließen.
Es gibt in der Regel mehrere Möglichkeiten, jede Zone zu verstärken, und viele von ihnen können dazu beitragen, einen Mangel in mehr als einem Bereich zu beheben, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.
| Typ der Stützenaussteifung | Mangel | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Web in Zug | Flansch im Lager | Steg im Druck | Steg im Schub | ||||
|
– | – | – | ||||
| – | – | – | |||||
| Zusätzliche Stegplatten | – | – | – | ||||
| Diagonalversteifungen (N & K) | – | – | – | ||||
| Morris-Versteifungen | – | – | – | ||||
| Flanschbleche | – | ||||||
Geschweißte Träger-
Mit der werksgeschweißten Konstruktion soll sichergestellt werden, dass die Hauptverbindungen zwischen den Trägern und den Stützen in einer Werksumgebung hergestellt werden und voll belastbare starre Verbindungen sein können. Um dies zu erreichen und gleichzeitig die Stückgrößen für den Transport klein genug zu halten, werden kurze Stummel des Trägerprofils an die Stützen geschweißt. Die Verbindung des Stumpfes mit dem Rest des Trägers wird normalerweise mit einer verschraubten Deckplattenverbindung hergestellt. Beachten Sie, dass für die Schraubverbindungen vorgespannte Schrauben verwendet werden sollten.
Eine typische Anordnung für ein mehrstöckiges Gebäude ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Werkstattgeschweißte Verbindungen
Eine typische werksgeschweißte Verbindung, wie in der Abbildung rechts dargestellt, besteht aus einem kurzen, werkseitig an die Stützenflansche geschweißten Trägerstumpf und einem konischen Stumpf, der auf der anderen Achse in das Innenprofil der Stütze geschweißt wird. Die Stummel sind für die Verschraubung oder Verschweißung mit Abdeckplatten vorbereitet, in der Regel an einer Stelle, an der sich das Biegemoment verringert hat.
Die Vorteile dieser Vorgehensweise sind:
- Rationelle, vollfeste Momentenverbindungen – alle Schweißarbeiten an der Stütze werden unter kontrollierten Bedingungen ausgeführt
- Das Werkstück kann gedreht werden, um Positionsschweißungen zu vermeiden oder zu minimieren.
Die Nachteile sind:
- Mehr Verbindungen und daher höhere Herstellungskosten
- Die „Säulenbaum“-Stümpfe machen das Bauteil schwierig zu handhaben und zu transportieren
- Die Balkenverbindungen müssen in einiger Entfernung von der Säule in der Luft verschraubt oder verschweißt werden
- Die Flanschverbindungsplatten und -schrauben können mit einigen Arten von Bodenbelägen, wie z. B. Fertigteilen oder Metallbelägen, in Konflikt geraten.
Praktische Überlegungen
Durchgehende Kehlnähte sind die übliche Wahl für die meisten kleinen und mittelgroßen Träger mit Flanschen bis zu 17 mm Dicke. Viele Stahlbauunternehmen ziehen es jedoch vor, auf partielle Stumpfnähte mit überlagerten Kehlnähten oder auf voll durchgeschweißte Stumpfnähte umzusteigen, anstatt Kehlnähte mit einer Dicke von mehr als 12 mm zu verwenden.
Um während der Herstellung einen guten Zugang zum Schweißen zu ermöglichen, können die Säulenschäfte in speziellen Manipulatoren montiert und gedreht werden, um das Schweißen in einer Position mit der Hand nach unten an jedem Stumpf zu erleichtern.
Bemessungsmethode
Bei statisch bestimmten Rahmen ist eine teilfeste Verbindung, die dem Bemessungsmoment standhält, ausreichend; bei statisch unbestimmten Rahmen müssen die Verbindungen ausreichend dehnbar sein, um Ungenauigkeiten des Bemessungsmoments auszugleichen, die z. B. durch Rahmenfehler oder Setzungen der Stützen entstehen. Um dies zu erreichen, müssen die Schweißnähte der Verbindung in voller Stärke ausgeführt werden.
| SCHRITT 1 | Berechnen Sie die Bemessungskräfte in den Zug- und Druckflanschen des Trägers. Das Vorhandensein des Stegs kann bei der Ermittlung dieser Kräfte vernachlässigt werden. |
| STEP 2 | Berechnen Sie die Widerstände in der Zugzone und überprüfen Sie ihre Angemessenheit. Wenn die Widerstände für eine unversteifte Stütze unzureichend sind, bestimmen Sie den Widerstand für eine versteifte Stütze und überprüfen Sie seine Angemessenheit. Normalerweise sind Stützenflanschaussteifungen erforderlich. |
| SCHRITT 3 | Berechnen Sie die Widerstände in der Druckzone und überprüfen Sie deren Angemessenheit. Wenn die Widerstände für eine unversteifte Stütze unzureichend sind, bestimmen Sie den Widerstand für eine versteifte Stütze und überprüfen Sie seine Angemessenheit. |
| STEP 4 | Überprüfen Sie die Angemessenheit der Stützenstegplatte in Schubrichtung. Wenn die unversteifte Platte unzureichend ist, kann sie wie bei einer Endplattenverbindung versteift werden. |
| STEP 5 | Überprüfen Sie die Eignung der Schweißnähte an den Flanschen und am Steg. |
Der Nachweis der Widerstandsfähigkeit einer geschweißten Balken-Stützen-Verbindung unter Berücksichtigung aller Bestandteile, aus denen die Verbindung besteht, ist in der Abbildung rechts dargestellt und in der zugehörigen Tabelle unten aufgeführt.
| Zone | Ref | Bestandteil | Verfahren |
|---|---|---|---|
| Zug | a | Trägerflansch | Schritt 2 |
| b | Säulensteg | Schritt 2 | |
| Kompression | c | Trägerflansch | Schritt 3 |
| d | Säulensteg | Schritt 3 | |
| Horizontalscherung | e | Säulenstegplattenscherung | Schritt 4 |
| Schweißungen | f, g | Flanschschweißnähte | Schritt 5 |
| h | Webschweißnähte | Schritt 5 |
Die Berechnungen, die den oben genannten Bemessungsschritten entsprechen, sind in SCI P398 Abschnitt 3 ausführlich beschrieben.4.
Verbindungen
Die Bemessung von Balken- und Stützenverbindungen zwischen H- oder I-Profilen, die einem Biegemoment, einer Axialkraft und einer Querkraft ausgesetzt sind, umfasst die folgenden Verbindungsarten:
- Geschraubte Deckplattenverbindungen
- Geschraubte Endplattenverbindungen
- Schweißverbindungen.
Die Bemessung von geschraubten Stützenverbindungen, die überwiegend Druckkräften ausgesetzt sind, wird in dem Artikel über einfache Verbindungen und ausführlicher in SCI P358 behandelt.
Geschraubte Abdeckplattenverbindungen
Verbindungsdetails
Typische Anordnungen von geschraubten Abdeckplattenverbindungen sind in der Abbildung dargestellt.
Bei einer Trägerverbindung gibt es einen kleinen Spalt zwischen den beiden Trägerenden. Bei kleinen Trägerquerschnitten können einzelne Deckbleche für die Flansche und den Steg ausreichend sein. Bei symmetrischen Querschnitten wird in der Regel eine symmetrische Anordnung der Deckbleche verwendet, unabhängig von den relativen Größen der Bemessungskräfte in den Flanschen.
Stützenverbindungen können entweder tragend oder nicht tragend sein. Die Bemessungsregeln für tragende Stützenverbindungen sind in SCI P358 enthalten. Nicht-tragende Säulenverbindungen können wie Balkenverbindungen angeordnet und bemessen werden.
Bemessungsgrundlage
Eine Balkenverbindung (oder eine nicht-tragende Säulenverbindung) widersteht dem koexistierenden Bemessungsmoment, der Axialkraft und dem Schub im Balken durch eine Kombination von Zug- und Druckkräften in den Flanschabdeckplatten und Schub-, Biege- und Axialkräften in den Stegabdeckplatten.
Um eine starre Verbindungsklassifizierung zu erreichen, müssen die Verbindungen als schlupffeste Verbindungen ausgeführt werden. In der Regel ist es nur erforderlich, eine Rutschfestigkeit an der SLS vorzusehen (Kategorie B nach BS EN 1993-1-8, 3.4.1), wenn jedoch eine starre Verbindung an der ULS erforderlich ist, muss eine Rutschfestigkeit an der ULS vorgesehen werden (Verbindung der Kategorie C).
Bei elastisch berechneten Konstruktionen müssen verschraubte Deckplattenverbindungen nicht die volle Festigkeit des Trägerquerschnitts bieten, sondern nur einen ausreichenden Widerstand gegen die Bemessungsmomente und -kräfte an der Verbindungsstelle. Es ist jedoch zu beachten, dass, wenn sich die Verbindungsstellen in einem Bauteil befinden, das nicht an einer Position der seitlichen Einspannung liegt, ein Bemessungsbiegemoment um die Nebenachse des Querschnitts berücksichtigt werden muss, das Effekte zweiter Ordnung darstellt.
Steifigkeit und Kontinuität
Die Verbindungsstellen müssen eine ausreichende Kontinuität um beide Achsen aufweisen. Die Flanschplatten sollten daher mindestens eine ähnliche Breite und Dicke wie die Trägerflansche haben und sich auf beiden Seiten der Verbindung über einen Mindestabstand erstrecken, der der Flanschbreite oder 225 mm entspricht. Die Mindestanforderungen an die Festigkeit sind in BS EN 1993-1-8 Abschnitt 6.2.7.1 (13) und (14) angegeben. Konstrukteure sollten auch die SCI Advisory Desk Note AD393 beachten.
Konstruktionsverfahren
Der Konstruktionsprozess für einen Balkenstoß beinhaltet die Wahl der Größe der Deckplatten und der Konfiguration der Schrauben, die eine ausreichende Konstruktionsfestigkeit der Verbindung gewährleisten. Das Verfahren besteht aus einer Reihe von Stufen, die im Folgenden beschrieben werden.
| STUFE 1 | Berechnen Sie die Bemessungszug- und -druckkräfte in den beiden Flanschen aufgrund des Biegemoments und der Axialkraft (falls vorhanden) an der Verbindungsstelle. Diese Kräfte können auf der Grundlage einer elastischen Spannungsverteilung im Trägerquerschnitt oder konservativ unter Vernachlässigung des Beitrags des Stegs bestimmt werden.
Berechnen Sie die Querkräfte, Axialkräfte und das Biegemoment in den Stegabdeckplatten. Das Biegemoment in den Deckblechen ist der Teil des Moments auf den gesamten Querschnitt, der vom Steg getragen wird (unabhängig von einer konservativen Umverteilung auf die Flansche – siehe BS EN 1993-1-8, 6.2.7.1(16)), zuzüglich des Moments aufgrund der Exzentrizität der Schraubengruppe, die der Scherung von der Mittellinie des Verbinders aus widersteht. |
| STEP 2 | Bestimmen Sie die Schraubenwiderstände und überprüfen Sie deren Angemessenheit in den Flanschen und im Steg. |
| STEP 3 | Überprüfen Sie die Angemessenheit des Zugflansches am Spleiß und der Deckplatten. |
| STEP 4 | Überprüfen Sie die Angemessenheit des Druckflansches an der Verbindung und den Abdeckplatten. |
| STEP 5 | Stellen Sie sicher, dass ein Mindestwiderstand für die Kontinuität des Trägers vorhanden ist. |
Die obigen Schritte umfassen die Bestimmung der Widerstandswerte von 11 verschiedenen Komponenten einer Schraubverbindung, wie in der Abbildung rechts dargestellt und in der beigefügten Tabelle unten aufgeführt.
| Zone | Ref | Komponente | Schritt |
|---|---|---|---|
| Zug | a | Flanschabdeckplatte(n) | 3 |
| b | Schraube Schere | 2 | |
| c | Bolzenlager | 2 | |
| d | Flansch | 3 | |
| Kompression | e | Flansch | 4 |
| f | Flansch-Abdeckplatte(n) | 4 | |
| g | Schraube | 2 | |
| h | Schraubenlager | 2 | |
| Schere | j | Webabdeckplatte(n) | 1 |
| k | Bolzenschere | 1 | |
| l | Bolzenlager | 1 |
Die Berechnungen, die den oben genannten Konstruktionsschritten entsprechen, sind in SCI P398 Abschnitt 4 ausführlich beschrieben.2.
Geschraubte Endplattenverbindungen
Verbindungsdetails
Geschraubte Endplattenverbindungen, als Verbindungen oder als Scheitelverbindungen in Portalrahmen, sind praktisch die Balkenseite der Balken-Stützen-Verbindungen, die zu einem Paar gespiegelt werden. Diese Form der Verbindung hat den Vorteil, dass vorgespannte Schrauben (und die damit verbundene Vorbereitung der Kontaktflächen) nicht erforderlich sind. Sie sind jedoch weniger steif als Abdeckplattenverbindungen.
Die „Portalscheitelvoute“ wird regelmäßig in eingeschossigen Portalrahmen verwendet und wird für die Zwecke der elastischen Gesamtanalyse üblicherweise als „starr“ angenommen.
Bemessungsmethode
Die Bemessungsmethode ist im Wesentlichen die, die für Balken-Stützen-Verbindungen beschrieben wird, wobei die Bewertung der Stützenwiderstände weggelassen wird. Die relevanten Schritte und die entsprechenden Berechnungen sind in SCI P398 Abschnitt 4.3 beschrieben.
Träger-Durch-Träger-Momentanschlüsse
Anschlussdetails
Träger-Durch-Träger-Verbindungen werden in der Regel unter Verwendung von Endplattenanschlüssen mit nicht vorgespannten Schrauben hergestellt; typische Details sind in der Abbildung unten dargestellt. Nicht vorgespannte Schrauben können verwendet werden, wenn nur Endplatten vorhanden sind, aber wenn auch eine Deckplatte verwendet wird, sollten vorgespannte Schrauben verwendet werden, um Schlupf am ULS zu verhindern.
- Typische Träger-über-Träger-Verbindungen
-
-
-
Bemessungsverfahren
Wenn keine Deckplatte vorhanden ist, kann die Bemessungsmethode für Endplattenverbindungen angewendet werden. Wenn eine Deckplatte verwendet wird, sollte sie wie eine Deckplattenverbindung bemessen werden; es kann vorsichtshalber angenommen werden, dass die Endplattenbolzen nur vertikale Schubkräfte übertragen.
Die Verbindung zwischen der Deckplatte und dem Tragbalken ist in der Regel nur nominal, da das auf den Tragbalken übertragene Torsionsmoment normalerweise sehr gering ist.
Die relevanten Schritte und die entsprechenden Berechnungen sind in SCI P398 Abschnitt 4.4 beschrieben.
Schweißverbindungen
Verbindungsdetails
Schweißverbindungen in Werkstätten werden oft verwendet, um kürzere Längen zu verbinden, die von den Werken oder Lagern geliefert werden. Unter diesen Umständen werden die Schweißnähte immer durch Stumpfschweißen der Flansche und des Stegs hergestellt. Um das Schweißen der Flansche zu erleichtern, können kleine Löcher in den Steg gebohrt werden.
Wenn die zu verbindenden Abschnitte nicht aus der gleichen „Walzung“ stammen und folglich aufgrund von Walztoleranzen geringfügig in der Größe variieren, wird in der Regel eine Trennplatte zwischen den beiden Abschnitten angebracht. Beim Verbinden von Bauteilen unterschiedlicher Seriengröße mit dieser Methode ist eine Stegversteifung im größeren Abschnitt erforderlich (ausgerichtet auf den Flansch des kleineren Abschnitts), oder es kann eine Voute vorgesehen werden, die der Tiefe des größeren Abschnitts entspricht.
Eine Baustellenverbindung kann mit kehlnahtgeschweißten Deckblechen als Alternative zu einem stumpfgeschweißten Detail ausgeführt werden. Für die temporäre Verbindung während der Montage können Bolzen in den Stegdeckplatten vorgesehen werden.
Bemessungsgrundlage
Für geschweißte Verbindungen gilt die allgemeine Bemessungsgrundlage:
- Für statisch unbestimmte Rahmen, ob plastisch oder elastisch bemessen, sollten vollfeste Schweißnähte an den Flanschen und am Steg vorgesehen werden
- In statisch bestimmten Rahmen können Verbindungen so bemessen werden, dass sie einem Bemessungsmoment widerstehen, das geringer ist als der Momentenwiderstand des Bauteils, in welchem Fall:
- Die Flanschschweißnähte sollten so ausgelegt sein, dass sie einer Kraft widerstehen, die dem Bemessungsmoment geteilt durch den Abstand zwischen den Flanschmittelpunkten entspricht.
- Die Stegschweißnähte sollten so ausgelegt sein, dass sie der Bemessungsscherung widerstehen.
- Wenn eine Axialkraft vorhanden ist, sollte sie zwischen den Flanschen und den Schweißnähten aufgeteilt werden, die für diese Kraft zusätzlich zu der Kraft aufgrund des Bemessungsmoments ausgelegt sind.
Die volle Festigkeitsanforderung für unbestimmte Verbindungen wird benötigt, um sicherzustellen, dass eine Verbindung stark genug ist, um jegliche Ungenauigkeit des Bemessungsmoments auszugleichen, die z. B. aus Rahmenfehlern, Modellierungsannäherungen oder Setzungen von Stützen resultiert.
Stützenfüße
Ein Beispiel für einen Stützenfuß, der in der Lage ist, Momente und Axialkräfte zwischen Stahlbauteilen und Betonunterkonstruktionen am Fuß von Stützen zu übertragen, ist in der Abbildung links dargestellt. Das Beispiel zeigt einen Stützenfuß mit einer unversteiften Grundplatte. Versteifte Fußplattenverbindungen und in Taschen gegossene Stützenfüße sind weitere Möglichkeiten. Starre Fußverbindungen werden jedoch wegen der damit verbundenen Gründungskosten in der Regel nicht verwendet.
Konstruktionsgrundlage
Konstruktiv ist eine Säulenfußverbindung im Wesentlichen eine geschraubte Endplattenverbindung mit einigen Besonderheiten:
- Die Axialkräfte sind wichtiger als im Allgemeinen bei Endplattenverbindungen.
- Bei der Kompression wird die Bemessungskraft über eine Kontaktfläche zwischen Stahl und Beton verteilt, die durch die Festigkeit des Betons und des Füllmörtels oder Einpressmörtels bestimmt wird.
- Auf Zug wird die Kraft durch Haltebolzen übertragen, die in der Betonunterkonstruktion verankert sind.
Daher ist eine unversteifte Bodenplatte im Vergleich zu Endplatten von Balken-Stützen-Verbindungen meist sehr dick.
In den meisten Fällen kann das Moment in beide Richtungen wirken und es werden symmetrische Details gewählt. Es kann jedoch Umstände geben, z. B. einige Portalrahmen, in denen asymmetrische Details angemessen sein können.
Die Verbindung muss in der Regel horizontale Schubkräfte übertragen, entweder durch Reibung oder über die Bolzen. Es ist nicht sinnvoll, dass die horizontale Schubkraft gleichmäßig auf alle Schrauben verteilt wird, die durch die Durchgangslöcher in der Grundplatte hindurchgehen, es sei denn, es werden Unterlegscheiben über die Schrauben in der endgültigen Position geschweißt. Ist die horizontale Schubkraft groß, kann ein an der Unterseite der Grundplatte angeschweißter Scherstummel sinnvoller sein. In allen Fällen ist das Verpressen des Bodens ein kritischer Vorgang und erfordert besondere Aufmerksamkeit.
Bemessungsmethode
Der Bemessungsprozess erfordert einen iterativen Ansatz, bei dem eine Probegröße der Bodenplatte und eine Schraubenkonfiguration ausgewählt werden und dann die Widerstände gegen den Bereich der kombinierten Axialkraft und des Moments bewertet werden.Die relevanten Schritte und die entsprechenden Berechnungen sind in SCI P398 Abschnitt 5.5 beschrieben.
Klassifizierung von Stützenfußanschlüssen
Die Steifigkeit des Fußanschlusses hat im Allgemeinen eine größere Bedeutung für die Leistungsfähigkeit des Rahmens als andere Anschlüsse in der Struktur. Die meisten unversteiften Bodenplatten sind wesentlich steifer als ein typisches Endplatten-Detail. Die Dicke der Bodenplatte und die Vorkompression durch die Stütze tragen dazu bei, aber kein Bodenanschluss ist steifer als das Fundament und damit der Boden, auf den das Moment übertragen wird. Oftmals ist dies bei einer Inspektion erkennbar.
Weitere Literatur
- Steel Designers‘ Manual 7th Edition. Editors B Davison & G W Owens. The Steel Construction Institute 2012, Kapitel 28
- Architectural Design in Steel – Trebilcock P and Lawson R M published by Spon, 2004
Resources
- SCI P358 Joints in Steel Construction – Simple Joints to Eurocode 3, 2014
- SCI P398 Joints in Steel Construction – Moment-resisting Joints to Eurocode 3, 2013
- National Structural Steelwork Specification (6th Edition), Publication No. 57/17, BCSA 2017
- Stahlbauten in Europa. Eingeschossige Stahlbauten; Teil 11: Momentverbindungen.
- Bemessung von Schweißverbindungen – Celsius®355 und Hybox®355, 2013, Tata Steel
Siehe auch
- Multi-geschossige Bürogebäude
- Durchgehende Rahmen
- Modellierung und Analyse
- Einfache Verbindungen
- Portalrahmen
- Fertigung
- Schweißen
- Konstruktion
- Vorgespannte Verschraubung
Schreibe einen Kommentar