Knotenblech – Wo ist das Problem?

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Sie begleiten uns seit Jahrhunderten und wenn Sie kein Statiker sind, werden Sie sie nie bemerken. Und gut, so sollten sie gemacht sein – unauffällig, bescheiden, aber unerschütterlich sicher.

Was müssen Sie tun, wenn Sie sehr schnell eine Knotenblechverbindung erstellen müssen? Sie fügen dem Hauptbauteil einfach ein rechteckiges Blech hinzu und verbinden das Nebenbauteil mit dieser Platte. Und es ist vollbracht. Also, wo ist das Problem?

Kein Problem, wenn Sie 1. ein Bauteil unter Zugbelastung verbinden, 2. genügend Platz für alle Anschlusskomponenten haben und 3. Sie sich nicht um die Ästhetik der Verbindung kümmern müssen. Der ganze Spaß beginnt mit der Komplexität der Verbindungen, mit der Druckbelastung in den Bauteilen und mit dem Druck auf die Kosten und der visuellen Seite der Aufgabe.

Grundtypen von Verbindungsanordnungen mit Knotenblechen

In der folgenden Abbildung sehen wir die typischen Queranordnungen der Knotenbleche in den Stahlanschlüssen. 

Die häufigste Anwendung von Knotenblechen findet sich in Fachwerkträgern und in seitlichen Aussteifungssystemen, wo die Diagonalen durch Knotenbleche verbunden werden.

Was ist ein Knotenblech und was nicht?

Für ein unerfahrenes Auge kann es schwierig sein, das Knotenblech (oder die Knotenbleche) unter allen Stahlkomponenten in der Verbindung zu finden. Man könnte fragen, ist es nicht nur eine weitere Steife? Nein, ist es nicht.

  •  Knotenbleche sind die entscheidenden Teile der Konstruktion, durch die alle Schnittgrößen der verbundenen Bauteile übertragen werden.
  • Während die Steifen wichtige Teile sind, die für die korrekte Verbindungssteifigkeit und zur Vermeidung von Plattenbeulen benötigt werden.
  • Besser gesagt, wenn das Knotenblech versagt, ensteht eine Katastrophe. Ohne die Steifen überlebt die Struktur (zumindest für einige Zeit).

Der Begriff Knotenblech tritt oft erst nach dem Einsturz eines Bauwerks oder eines Teils in den Blickpunkt. Der Einsturz der Interstate 35W Brücke im Jahr 2007 war eines dieser unglücklichen Ereignisse.

Als Hauptverursacher wurde in diesem Fall die nicht zufriedenstellende Konstruktion der Knotenbleche der Fachwerkträger und die fehlende Kontrolle dieser Verbindungsteile bei unzähligen Brückeninspektionen identifiziert. Es wurde einfach angenommen, dass Knotenbleche nicht der schwächste Punkt in der Konstruktion sind und dass die Knotenblechverbindungen stärker sind als die Balken, die in die Verbindung einmünden. Leider waren sie es nicht.

Die Bemessungsnormen geben uns einige Anleitungen für den Nachweis von Knotenblechverbindungen. Einige Beispiele für Bemessungsnormen mit Spezifikationen für Knotenbleche:

  • AISC 360-16 (Vereinigte Staaten)
  • CSA-S16-09 (Kanada)
  • EN 1993-1-8 (Europa)

Diese Anleitungen basieren auf einem analytischen Ansatz, der recht einfach anzuwenden ist, aber mit der zunehmenden Anzahl von Anschlussarten oder -alternativen sehr zeitaufwändig sein kann.

Zugbauteile

Verbindungen mit Zugbauteilen sind, sozusagen, die einfachen. Aber der Ingenieur muss noch einige Kontrollen an den Knotenblechen durchführen. Als Beispiel soll der Whitmore-Querschnitt auf die Zugkräfte überprüft werden.

So sieht es auf dem Papier aus:

Und in der wirklichen Struktur:

Ein weiterer Nachweis bezieht sich auf das Blockscherversagen in einer Verbindung, der sowohl Schub- als auch Zugkomponenten umfasst und in AISC 360 Abs. J4.3 festgelegt ist. Als Konstrukteur müssen Sie alle möglichen Schubversagenspfade in den Schrauben prüfen, wie im folgenden Beispiel zu sehen.

In diesem Artikel finden Sie ein gut vorbereitetes Beispiel für die Bewertung der Blockscherfestigkeit.

Druckbauteile 

Die Bemessung von Verbindungen mit Knotenblechen kann bei Druckbauteilen zu einer ganz anderen „Sportart“ führen. Wir müssen noch alle Schubversagensarten überprüfen, jedoch beginnt das Beulproblem eine viel wichtigere Rolle zu spielen.

Ein entscheidender Parameter bei der Bemessung von Verbindungen mit Druckbauteilen ist, ob das Bauteil aus der Ebene des Knotenblechs ausschwingen kann oder nicht. Dies beeinflusst das Verhalten des Versagensmechanismus und die Bildung von plastischen Gelenken in den Platten. In IDEA StatiCa Connection können Sie dieses Verhalten für jedes einzelne Bauteil einstellen, indem Sie einfach den richtigen Modelltyp auswählen.

Die Versagensarten für diese beiden unterschiedlichen Situationen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Dies könnte ebenfalls durch einen analytischen Ansatz gelöst werden, aber Sie werden wahrscheinlich viel Zeit mit jeder einzelnen Verbindungsanordnung verbringen. Wahrscheinlicher ist, dass der Ingenieur wertvolle Zeit spart, indem er diese Situation einfach vermeidet und einige Steifen hinzufügt. Eine verständliche, aber kostspielige Lösung.

Die Verwendung eines intelligenten Werkzeugs, das den Stabilitätsnachweis für solche Verbindungen bereitstellt, ist eine andere Möglichkeit. Die Beulanalyse ist ein elementarer Bestandteil der Anwendung IDEA StatiCa Connection und gibt Ihnen Beulformen und Lastfaktoren für eine benutzerdefinierte Anzahl von Formen aus.

Forschung

Bei der Entwicklung von IDEA StatiCa ist kein Platz für einen "Trial-and-Error" Ansatz. Alle in den Anwendungen verwendeten Methoden und Berechnungsmodelle werden an realen Strukturversuchen verifiziert und in Zusammenarbeit mit renommierten Universitäten weiter analysiert.

Eine dieser Untersuchungen war auch der Bemessung der Knotenblechverbindung gewidmet. Die Ergebnisse der Tests wurden mit einer sehr guten Korrelation mit der Modellierung mittels CBFEM verglichen. Hier finden Sie unseren Verifikationsartikel mit den Ergebnissen der Recherche.

Wie man effektiv und konkurrenzfähig ist

Welche Möglichkeiten haben Sie also, wenn es um eine normgerechte Verbindungsbemessung geht, aber auch, wenn Sie Ihre Auslegungen und Nachweise nicht in Monaten, sondern innerhalb von Wochen durchführen müssen? Darüber hinaus müssen Sie während des Projekts flexibel für Überarbeitungen sein und mehrere Anordnungen in angemessener Zeit vergleichen wollen. Sie möchten auch, dass Ihre Anschlüsse einfach montierten werden können und kein Vermögen kosten?

Sie kennen bereits die richtige Antwort, wir müssen einige Werkzeuge des 21. Jahrhunderts verwenden, die die meiste unkreative Arbeit für uns erledigen. Wenn wir bei der Bemessung wirklich die Hände frei haben wollen, schmälert sich die Zahl der Möglichkeiten deutlich.

Sie könnten einfach versuchen, IDEA StatiCa Connection zu verwenden, und Sie werden feststellen, dass dies alles ist, was Sie für die Arbeit benötigen. Oder Sie folgen dem Standard-Lernpfad:

  • Verwenden Sie zunächst einfach einige Excel-Tabellen, 
  • Dann versuchen Sie es mit einer hochentwickelten tabellenbasierten Verbindungssoftware,
  • Wenn Sie an der Grenze angekommen sind, verbringen Sie einige Zeit mit Experimenten an etwas noch anspruchsvollerem,
  • Erstellen Sie vielleicht einige detaillierte Schalenmodelle in Ihren FEA-Anwendungen
  •  und nach all diesen Versuchen sollten Sie sich trotzdem für die Anwendung IDEA StatiCa Connection entscheiden.

Nach diesem Weg werden Sie alle Vorteile voll und ganz zu schätzen wissen. 

Kurzes Video-Tutorial zur Verbindung mit Knotenblech

Bei der Kostenschätzung kann es heutzutage sehr knifflig sein, den Preis für jede Verbindung zu berechnen. In der IDEA StatiCa Anwendung kommen diese Informationen fast wie ein angenehmer Nebeneffekt heraus. In diesem Artikel  finden Sie alle notwendigen Tipps zur Verwendung dieser Funktion.

Ein weiterer typischer Einsatz von Knotenblechen

Dank des Einzugs der CNC-Bearbeitung auch in die Tiefbauwerkstätten sind die Knotenbleche eine der wichtigsten Möglichkeiten, nicht nur Stahlbauteile, sondern auch Holzbauteile zu verbinden. Anstatt die komplizierten Formen der Bauteilenden zuzuschneiden, können wir einfach eine Stahlplatte mit Löchern eingeben. Die Holzbauteile werden mit CNC-gefertigten Löchern und Nuten vorbereitet und die Verbindung kann schließlich mit Stahlstiften und -schrauben montiert werden.

Die nächste Stufe in der Evolution der Tragwerkskonstruktion besteht darin, Baumaterialien zu kombinieren und ihre besten Eigenschaften an der richtigen Stelle einzusetzen. So entstanden die hybriden Holz-Stahl-Konstruktionen. Neben seiner natürlichen optischen Schönheit gibt es viele weitere Gründe für ihren Einsatz, wie beispielsweise Kostensenkung, geringerer Brandschutzbedarf oder die Reduzierung der CO2-Bilanz.

Für diejenigen, die sich für Stahl-Holz-Konstruktionen interessieren: Lesen Sie mehr in unserem Support Zentrum mehr über die in IDEA StatiCa Connection gelösten Holzverbindungen.

IDEA StatiCa ist stolz darauf, bei der Verbindungs- und Tragwerkskonstruktion an vorderster Front zu stehen. Wenn Sie Ideen und Anregungen haben, wie die Bemessung von Knotenblechen verbessert werden könnte, lassen Sie es uns wissen.

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