Bemessung von Stahlanschlüssen beim Connection Workshop in Belgien

Kürzlich haben wir in Zusammenarbeit mit InfoSteel einen Connection Workshop in Belgien organisiert, der sich genau darauf konzentrierte.

In drei Teams aufgeteilt, bearbeiteten die Teilnehmer zwei anspruchsvolle Bemessungsaufgaben. Jedes Team hatte die Aufgabe, einen Stahlanschluss unter Berücksichtigung von Tragfähigkeit und Steifigkeit sowie Ausführbarkeit zu bemessen. Die Anwesenheit von Junior- und Senior-Profilen ermöglichte es ihnen, voneinander zu lernen, und war zugleich eine ausgezeichnete Gelegenheit, Kollegen zu treffen und sich auszutauschen.

Der erfahrene Tragwerksplaner Stijn Jespers war anwesend, um die Entwürfe zu bewerten und die Teams bei ihren Bemessungsentscheidungen zu unterstützen. Während des Prozesses konnten wir die Verbindungen direkt in IDEA StatiCa modellieren. Dies gab den Ingenieuren unmittelbaren Einblick in das 3D-Modell und die Ergebnisse, die wir anschließend gemeinsam analysieren und diskutieren konnten.

Neugierig auf die unterschiedlichen Bemessungsentscheidungen der Teams? Wir erläutern die Ergebnisse im Folgenden, beginnend mit Aufgabe 1.

Fall 1 – Momentensteif

In der ersten Aufgabe betrachten wir einen Knoten, an dem drei HEA300-Träger auf eine HEB300-Stütze treffen. Die Herausforderung lag in den drei HEA300-Trägern, die alle momentensteif angeschlossen werden mussten. Mit erheblichen Querkräften und Biegemomenten an den Trägern war dies eine ernsthafte Prüfung für Tragfähigkeit und Steifigkeit der Verbindung.

Während der Diskussionen ergaben sich mehrere Bemessungsüberlegungen. Zunächst stellte sich die Frage, ob die Stütze durchlaufend sein soll oder ob die Träger M1 und M2 durchlaufend sein sollen. Dieser Unterschied ist auch in den Entwürfen der Gruppen 1 und 2 im Vergleich zu Gruppe 3 erkennbar.

Gruppe 3 wählte diese Lösung unter anderem, um drei identische Verbindungen zu erzielen, was die Fertigung fördert und die Fehleranfälligkeit reduziert, insbesondere wenn mehrere solcher Knoten im Projekt vorkommen. Die Ergebnisse der CBFEM-Berechnung sind nachfolgend dargestellt. Alle drei Entwürfe erfüllen die Normnachweise. Die Abmessungen der Plattendicken, Schweißnähte und Vouten können weiter optimiert werden.

Während des Bemessungsprozesses wies ein erfahrener Ingenieur darauf hin, dass bei der Wahl eines durchlaufenden Trägers die Toleranzen der Stahlprofile berücksichtigt werden müssen. Wenn die Stütze geringfügig breiter als der Träger ist (oder umgekehrt), entsteht ein Versatz. Dadurch kann die Stirnplatte nicht bündig montiert werden, oder die Schweißnähte können nicht korrekt ausgeführt werden.

Eine weitere wichtige Überlegung beim Durchführen des Trägers über die Stütze ist, ob die Biegemomente bei M1 und M2 immer gleichzeitig auftreten. Wenn nicht, kann eine durchlaufende Stütze die konstruktiv sauberere Lösung sein und unvorhergesehene Spannungen im Knoten verhindern. Ein durchlaufender Träger über einer Stütze ist nur dann optimal, wenn die Kräfte (M1 und M2) stets gleichzeitig vorhanden sind.

Darüber hinaus war es eine Herausforderung, die Verbindungen momentensteif auszuführen, insbesondere für Träger L, da dieser in der schwachen Richtung der Stütze angeschlossen ist. Eine starre Verbindung erfordert in dieser Situation eine Voute. Dies erfordert jedoch auch Steifen in der Stütze, um eine ordnungsgemäße Kraftübertragung sicherzustellen. Diese Steifen beeinflussen die Herstellbarkeit der Verbindung. Wenn sowohl am Ober- als auch am Unterflansch eine Steife verwendet wird, ist es unmöglich, die Schrauben auf der Baustelle einzubauen.

Mit IDEA StatiCa Connection kann der Ingenieur die Steifigkeit einer Verbindung analysieren. Eine solche Analyse wurde für den Stahlanschluss der Gruppe 3 durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Verbindung als starr eingestuft werden kann. Das Momenten-Rotations-Diagramm wurde für diese Stützen-Träger-Verbindung erstellt, und die nachstehenden Ergebnisse zeigen, dass die Verbindung als starr eingestuft wird.

Fall 2 – Im Winkel

Im zweiten Fall betrachten wir einen Knoten, in dem vier Träger in einem Winkel von 30 Grad zusammentreffen. Die HEB240-Träger sind mit Normaldruck, Biegung und Querkraft belastet, während die Randstäbe aus RHS120/80/8 oder IPE120 Normaldruck- oder Normalzugkräfte übertragen.

Der Winkel zwischen den Bauteilen erzeugt einen engen Knoten. Auf den ersten Blick sind die Entwürfe der drei Gruppen sehr ähnlich, aber jede verfolgt einen etwas anderen Ansatz zur effizienten Kraftübertragung.

Alle Gruppen wählten eine effektive Verbindung, bei der die Träger mit einer Stirnplatte verbunden und die RHS-Bauteile über eine Fahnenblech-Verbindung an den Stirnplatten befestigt werden. Dies vermeidet zusätzliche Plattenarbeiten und schafft einen übersichtlichen Knoten, der auf der Baustelle mit relativ geringem Aufwand montiert werden kann.

Nachfolgend sind die Ergebnisse aus IDEA StatiCa Connection dargestellt. 100 % der Last wird übertragen und alle Normnachweise sind erfüllt.

Weitere Bemessungsüberlegungen, die während der Diskussionen aufkamen, sind die Anordnung der Schrauben und die Frage, ob die Lasche oben oder unten übersteht. Dies hängt häufig vom verfügbaren Platz ab. Konstruktiv kann eine zusätzliche Schraubenreihe oben effektiver sein, da dort Zugkräfte auftreten. Wenn das Biegemoment im HEB240-Träger jedoch auch in der anderen Richtung auftreten kann, ist der Effekt dieser Schraubenreihe begrenzt. Dies zeigt, wie viele Faktoren die Bemessung eines Stahlanschlusses beeinflussen und dass dies nicht einfach in einem einzigen Berechnungsbeispiel erfasst werden kann.

Gruppen 2 und 3 wählten zwei identische, aber gespiegelte Stirnplatten. Dies ist wirtschaftlicher für Fertigung, Zuschnitt und Schweißen sowie für die Montage. Beachten Sie außerdem, dass die Querkraft in den Schrauben möglicherweise nicht vollständig mit Ihrer ursprünglichen Handrechnung übereinstimmt, da die Randstäbe direkt an den Stirnplatten angeschlossen sind. In IDEA StatiCa können wir die Richtung der Querkräfte in den Schrauben erkennen und feststellen, dass diese sowohl von der Querkraft in den HEB240-Trägern als auch von der Zugkraft in den RHS-Bauteilen beeinflusst werden.

Bei der Bemessung solch kompakter Verbindungen ist die 3D-Modellierung sehr hilfreich, da sofort überprüft werden kann, ob die Schrauben passen und auf der Baustelle montiert werden können. So kann unmittelbar entschieden werden, ob eine Platte verlängert oder eine Schraubenreihe verschoben werden muss.

Abschließende Bemerkung

Die Bemessung von Stahlanschlüssen hängt von vielen Faktoren ab: der Durchlaufwirkung von Trägern oder Stützen, der Anordnung von Schrauben und Platten, der Wahl der Profile und der effizienten Kraftübertragung. Jede Entscheidung beeinflusst sowohl die Herstellbarkeit als auch die konstruktive Klarheit der Verbindung. Mit IDEA StatiCa Connection können Sie all diese Aspekte schnell bewerten: Steifigkeit berechnen, Normnachweise führen und prüfen, ob der Entwurf praktisch umsetzbar ist. So erhalten Sie eine Verbindung, die technisch einwandfrei ist und auf der Baustelle effizient realisiert werden kann.