AISC 358 Normnachweis für vorqualifizierte Momentenverbindungen

Beginnen wir mit dem Ursprung der vorqualifizierten Verbindungen. Nach dem Northridge-Erdbeben 1994 in Kalifornien nahm die Forschung zum seismischen Verhalten von Stahlbausystemen erheblich zu, da das SAC Joint Venture mit dem Ziel gegründet wurde, „zuverlässige, praxistaugliche und kosteneffiziente Leitlinien und Normen für die Instandsetzung oder Ertüchtigung beschädigter Stahlrahmengebäude mit Momentenverbindungen, die Bemessung neuer Stahlgebäude sowie die Identifizierung und Sanierung gefährdeter Stahlgebäude zu entwickeln."
Das SAC Joint Venture wurde von der US-Bundesbehörde für Katastrophenschutz (FEMA) finanziert (https://www.sacsteel.org/project/mission.html) 

Die Erkenntnisse aus dem Northridge-Erdbeben zeigten, dass mehrere Stahlrahmengebäude mit Momentenverbindungen Sprödbrüche erlitten, die an den geschweißten Träger-Flansch-zu-Stützen-Flansch-Verbindungen der Momentenverbindungen begannen. Die Brüche zeigten verschiedene Muster und erstreckten sich manchmal in die Stützenknotenbleche und quer durch diese hindurch.

Diese unerwarteten Sprödbrüche unterschieden sich erheblich vom erwarteten Verhalten der duktilen Biegestreckung des Trägers in plastischen Gelenkzonen. Wo sie auftraten, verhinderten diese Sprödbrüche die Ausbildung duktiler plastischer Gelenkzonen. Sie führten zu einem Rahmenverhalten, das erheblich von dem abwich, auf dem die Bemessungsanforderungen für diese Systeme basierten.

Das Connection Prequalification Review Panel (CPRP) wurde von AISC im Jahr 2001 gegründet, um einen Standard zur Vorqualifizierung von Verbindungen zu entwickeln. Das Gremium, bestehend aus Ingenieuren, Forschern, Herstellern und Baubehörden, wertete Versuchsdaten und andere Forschungsergebnisse von SAC und anderen aus, um die erste Ausgabe von AISC 358 im Jahr 2005 zu veröffentlichen.

Diese erste Ausgabe enthielt Vorqualifizierungsdaten und Bemessungsverfahren für drei Verbindungstypen. Seit dieser Veröffentlichung von 2005 hat das CPRP weiterhin Daten für zusätzliche Verbindungstechnologien ausgewertet, und der aktuelle AISC 358 enthält nun zehn Typen vorqualifizierter Verbindungen, darunter mehrere patentierte Verbindungen:

1. Reduced Beam Section (RBS)
2. Bolted Unstiffened and Stiffened Extended End-plate 
3. Bolted Flange Plate (BFP)
4. Welded Unreinforced Flange-Welded Web (WUF-W)
5. Kaiser Bolted Bracket (Patentiert)
6. ConXtech ConXL (Patentiert)
7. Sideplate (Patentiert)
8. Simpson Strong-tie Strong Frame (Patentiert)
9. Double-Tee
10. Slotted Web (Patentiert)

Was sind diese besonderen Verbindungen?

Basierend auf den Erkenntnissen des SAC Joint Venture waren die Hauptursachen für Sprödbrüche, dass die Verbindungsgeometrien hohe Spannungskonzentrationen und eine begrenzte Fähigkeit zur Streckung aufwiesen, die verwendeten Schweißzusatzwerkstoffe eine begrenzte Duktilität besaßen, unterschiedliche Streckgrenzen von Trägern und Stützen zu unerwarteten Schwachstellen in den Verbindungsanordnungen führten und die Schweißpraktiken nicht dem AWS-Schweißcode für Stahlkonstruktionen entsprachen.

„Entsprechend den Empfehlungen des SAC Joint Venture verlangen die AISC Seismic Provisions, dass Momentenverbindungen, die in speziellen oder mittleren Stahlmomentrahmen verwendet werden, durch Versuche nachweislich in der Lage sein müssen, die erforderliche Duktilität bereitzustellen. 

Zwei Nachweismethoden sind zulässig. Eine Methode besteht aus projektspezifischen Versuchen, bei denen eine begrenzte Anzahl von maßstabsgetreuen Probekörpern, die die im Bauwerk zu verwendenden Verbindungen repräsentieren, hergestellt und nach einem in Kapitel K der AISC Seismic Provisions vorgeschriebenen Protokoll geprüft werden. Da solche Versuche kostspielig und zeitaufwendig sind, sehen die AISC Seismic Provisions auch die Vorqualifizierung von Verbindungen vor, die ein rigoroses Programm aus Versuchen, analytischer Bewertung und Überprüfung durch ein unabhängiges Gremium, das Connection Prequalification Review Panel (CPRP), umfasst. 

Verbindungen, die in diesem Standard enthalten sind, haben die Kriterien für die Vorqualifizierung erfüllt, wenn sie auf Tragwerke angewendet werden, die den hierin enthaltenen Einschränkungen entsprechen, und wenn sie gemäß diesem Standard bemessen und konstruiert werden." (AISC 358 Kommentar, Einleitung)

Zusammenfassend lässt sich sagen: Verbindungen, die nach dem AISC 358 Standard vorqualifiziert sind, sollen inelastische Verformungen hauptsächlich durch kontrolliertes Fließen in bestimmten Verhaltensmodi aufnehmen. Um Verbindungen zu erhalten, die sich in der angegebenen Weise verhalten, ist eine korrekte Bestimmung der Tragfähigkeit der Verbindung in verschiedenen Grenzzuständen erforderlich. Die im LRFD-Verfahren enthaltenen Tragfähigkeitsformulierungen sind mit diesem Ansatz konsistent."

Wie sieht der aktuelle Bemessungsprozess einer AISC-vorqualifizierten Verbindung aus? 

AISC 358 enthält ein Kapitel für jeden Typ vorqualifizierter Verbindung sowie alle erforderlichen Details zur Einhaltung der Norm. In jedem Kapitel werden alle Bemessungseinschränkungen angegeben und ein Bemessungsverfahren vorgestellt.

Die Bemessung einer Verbindung ist ein schrittweiser Prozess, bei dem je nach Verbindungstyp zunächst die Geometrie durch Versuch und Irrtum gewählt wird. Anschließend sind Berechnungen des plastischen Widerstandsmomentes, des maximalen wahrscheinlichen Moments am erwarteten plastischen Gelenk, der Querkraft sowie des plastischen Moments des Trägers erforderlich, die mit der Tragfähigkeit des Trägers verglichen werden müssen.

Der Grundgedanke des Bemessungsverfahrens ist die Auslegung eines Systems mit starker Stütze und schwachem Träger. Daher muss das maximale Moment an der kontrollierten plastischen Gelenkstelle berechnet werden, um sicherzustellen, dass der Träger vor der Verbindung und der Stütze versagt, wenn ein Seismusereignis eintritt.

Die patentierten Verbindungen haben unterschiedliche Bemessungsmethoden, und ein Ingenieur, der diese Verbindungen verwenden möchte, muss sich an den Patentinhaber wenden, um zu verstehen, wie die Bemessung durchgeführt wird. 

Studie zu vorqualifizierten Verbindungen

Im Jahr 2023 führte die Ohio State University (OSU) eine Studie durch, um die Zuverlässigkeit der CBFEM in der IDEA StatiCa-Software bei der Analyse verschiedener Typen seismisch vorqualifizierter Stahlanschlüsse zu überprüfen. 

Ziel dieses Projekts war es, das Verhalten seismischer Momentenverbindungen, die mit der IDEA StatiCa-Software ermittelt wurden, zu bewerten – unter Berücksichtigung von Lasttragfähigkeit, Rotationskapazität und Momenten-Rotations-Verhalten. 

Die Ergebnisse wurden mit bewährten Methoden verglichen: AISC-Gleichungen, ABAQUS (FEA-Software) und den Ergebnissen von Laborversuchen im Originalmaßstab.

Die Studie zeigte, dass IDEA StatiCa ein zuverlässiges Werkzeug zur Berechnung von Momenttragfähigkeiten und zur Vorhersage von Versagensformen bei verschiedenen Stahlanschlüssen ist. 

Lesen Sie hier mehr über die OSU-Studie zu vorqualifizierten Verbindungen.

Wie IDEA StatiCa in den Bemessungsprozess vorqualifizierter Verbindungen integriert wird

In IDEA StatiCa war es stets möglich, vorqualifizierte Verbindungen zu modellieren, und die Modellierung war nicht besonders aufwendig, da es einfache Operationen gibt, die die Modellierung erleichtern, zum Beispiel:

Öffnungen (zur Modellierung der Flanschausschnitte):

Anschlusswinkel-Operation zum Hinzufügen von T-Profilen auf beiden Seiten:

Stirnplatte, Steifen, Verbreiterungen: 

Sobald die Verbindung modelliert wurde, wird der Analysetyp Capacity Design verwendet, um zu bestätigen, dass das geplante plastische Gelenk dort entsteht, wo es bemessen wurde. Beim RBS-Anschluss beispielsweise soll das plastische Gelenk im reduzierten Querschnitt des Trägers entstehen; bei einer verschraubten Flanschplatte ist die Absicht, das plastische Gelenk nahe dem Ende der Flanschplatten zu haben. 

Wenn Sie also die Capacity-Design-Analyse in IDEA StatiCa auswählen, muss ein dissipatives Bauteil zugewiesen werden, in dem das plastische Gelenk entstehen soll. Die Verbindung und die Stütze sind nicht-dissipative Elemente, die ohne wesentliche Verformungen bleiben müssen. Der Träger wird so belastet, dass das plastische Gelenk im Träger mit der wahrscheinlichen Streckgrenze und der entsprechenden Querkraft entsteht.

Während der Analyse wird die Materialfestigkeit des dissipativen Elements um den Überfestigkeitsfaktor (Ry) und den Verfestigungsfaktor (CPr) erhöht.

IDEA StatiCa Connection überprüft die Verbindung für die aufgebrachte Bemessungslast, die ein plastisches Gelenk im ausgewählten dissipativen Element erzeugen soll. Die plastische Dehnung im dissipativen Element sollte etwa 5 % betragen. Dies kann bestätigen, dass Größe und Position der Lasten korrekt bestimmt wurden. 

Alle nicht-patentierten vorqualifizierten Verbindungen sind abgedeckt. Sie müssen jedoch prüfen, ob die Vorqualifizierungsgrenzen eingehalten wurden. Dies macht den Modellierungsprozess sehr aufwendig, da es in einigen Fällen mehr als 50 Konstruktionsnachweise für jede Verbindung geben kann. 

IDEA StatiCa Connection enthält die Vorqualifizierungs-Konstruktionsnachweise für die folgenden aufgeführten Verbindungen, und wir haben Verbindungsvorlagen hinzugefügt, die Ihnen mit einem bereits erstellten Modell helfen.

Im Verbindungsmenü können Sie zwischen Special Moment Frame und Intermediate Moment Frame sowie dem Verbindungstyp wählen, den Sie bemessen möchten. Dies ist wichtig und hängt von den Konstruktionsnachweisen ab, die Sie im Bericht erhalten:

Konstruktionsnachweise werden auf dem Modellbildschirm angezeigt, während Sie an dem Stahlanschluss arbeiten, sodass Sie erkennen, was geändert werden muss, bevor Sie die Analyse starten. Abschließend können die Nachweise im Bericht ausgegeben werden. 

Weitere Ressourcen

Lesen Sie unseren theoretischen Hintergrund zum Capacity Design für detailliertere Informationen zu den Funktionen, die den Zeitaufwand für den Normnachweis vorqualifizierter Stahlanschlüsse reduzieren.

Sehen Sie sich ein kurzes Einführungsvideo zur Bemessung vorqualifizierter Verbindungen an. 

Wenn Sie diese Verbindungen bemessen und die Iterationszeit reduzieren möchten, entdecken Sie die Vorteile über unsere kostenlose Testversion über den untenstehenden Link.