Geschraubte Rahmeneckenverbindung eines Portaltragwerks

Beschreibung

Ziel dieser Studie ist die Verifikation einer geschraubten Rahmeneckenverbindung eines Portaltragwerks, wie in Abb. 9.2.1 dargestellt. Der Dachriegel ist mittels Stirnplatte an den Stützenflansch geschraubt. Die Stütze ist mit zwei horizontalen Steifen auf Höhe der Trägerflansche ausgesteift. Druckbeanspruchte Platten, z. B. horizontale Steifen der Stütze, das Stegfeld auf Querkraft oder Druck sowie der gedrückte Trägerflansch, werden als Querschnittsklasse 3 bemessen. Der horizontale Träger ist 6 m lang und wird durch eine gleichmäßig verteilte Last über die gesamte Länge beansprucht.

Abb. 9.2.1 Geschraubte Rahmeneckenverbindung eines Portaltragwerks

Analytisches Modell

Acht Komponenten werden untersucht: Kehlnaht, Stegfeld auf Querkraft, Stützensteg auf Querdruck, Stützensteg auf Querzug, Trägerflansch auf Druck und Zug, Stützenflansch auf Biegung, Stirnplatte auf Biegung und Schrauben. Alle Komponenten werden gemäß EN 1993-1-8:2005 bemessen. Die Bemessungslasten der Komponenten hängen von ihrer Position ab. Das Stegfeld auf Querkraft wird durch Bemessungslasten auf der vertikalen Achse der Stütze beansprucht. Die übrigen Komponenten werden durch reduzierte Bemessungslasten im Stützenflansch beansprucht, an dem der horizontale Träger angeschlossen ist.

Kehlnaht

Die Schweißnaht wird um den gesamten Querschnitt des Trägers umlaufend ausgeführt. Die Nahtdicke an den Flanschen kann von der Nahtdicke am Steg abweichen. Die vertikale Querkraft wird ausschließlich durch die Nähte am Steg übertragen, wobei eine plastische Spannungsverteilung angesetzt wird. Das Biegemoment wird durch die gesamte Nahtgeometrie übertragen, wobei eine elastische Spannungsverteilung zugrunde gelegt wird. Die effektive Nahtbreite in Abhängigkeit von der horizontalen Steifigkeit der Stütze wird berücksichtigt (infolge der Biegung des unausgesteiften Stützenflansches). Die Bemessung der Schweißnaht erfolgt gemäß EN 1993-1-8:2005, Abschn. 4.5.3.2(6). Der Normnachweis wird an zwei maßgebenden Punkten geführt: an der Ober- oder Unterkante des Flansches (maximale Biegespannung) und im Schnittpunkt von Flansch und Steg (Kombination aus Querkraft- und Biegespannungen).

Stegfeld auf Querkraft

Die Dicke des Stützenstegs wird auf maximal Klasse 3 bemessen; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.1(1). Zwei Anteile zur Tragfähigkeit werden berücksichtigt: der Widerstand der Stützenwand auf Querkraft und der Beitrag aus dem Rahmentragverhalten der Stützenflansche und der horizontalen Steifen; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.1 (6.7 und 6.8).

Stützensteg auf Querdruck oder Querzug

Der Einfluss der Interaktion mit der Querkraftbeanspruchung wird berücksichtigt; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.2 und Tab. 6.3. Der Einfluss der Längsspannung in der Stützenwand wird berücksichtigt; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.2(2). Horizontale Steifen verhindern das Beulen und werden mit der effektiven Fläche in die Tragfähigkeit dieser Komponente einbezogen.

Trägerflansch auf Druck

Der horizontale Träger wird auf maximal Querschnittsklasse 3 bemessen.

Stützenflansch oder Stirnplatte auf Biegung

Effektive Längen für kreisförmige und nicht kreisförmige Versagensmuster werden gemäß EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6 berücksichtigt. Drei Versagensmodi gemäß EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.4.1 werden berücksichtigt.

Schrauben

Schrauben werden gemäß EN 1993-1-8:2005, Abschn. 3.6.1 bemessen. Der Bemessungswiderstand berücksichtigt den Durchstanzwiderstand und das Versagen des Schraubenschafts.

Numerisches Bemessungsmodell

Der T-Stummel wird durch 4-Knoten-Schalenelemente modelliert, wie in Kapitel 3 beschrieben und nachfolgend zusammengefasst. Jeder Knoten hat 6 Freiheitsgrade. Die Verformungen des Elements setzen sich aus Membran- und Biegeanteilen zusammen. Ein nichtlinear elastisch-plastischer Materialzustand wird in jeder Schicht des Integrationspunkts untersucht. Der Normnachweis basiert auf der maximalen Dehnung, die gemäß EN 1993-1-5:2006 mit einem Wert von 5 % festgelegt ist. Schrauben werden in drei Teilkomponenten unterteilt. Die erste ist der Schraubenschaft, der als nichtlineare Feder modelliert wird und nur Zug überträgt. Die zweite Teilkomponente überträgt die Zugkraft in die Flansche. Die dritte Teilkomponente löst die Querkraftübertragung.

Globales Tragverhalten

Der Vergleich des globalen Tragverhaltens der Verbindung, beschrieben durch Momenten-Rotations-Diagramme für beide oben genannten Bemessungsverfahren, wurde durchgeführt. Das Augenmerk lag auf den wesentlichen Kenngrößen des Momenten-Rotations-Diagramms: Anfangssteifigkeit, Bemessungswiderstand und Verformungskapazität. Träger IPE 330 ist mit Stütze HEB 300 über eine verlängerte Stirnplatte mit 5 Schraubenreihen M24 8.8 verbunden. Die Ergebnisse beider Bemessungsverfahren sind im Diagramm in Abb. 9.2.2 und in Tab. 9.2.1 dargestellt. Die Komponentenmethode (CM) liefert im Allgemeinen eine höhere Anfangssteifigkeit im Vergleich zu CBFEM. CBFEM ergibt in allen Fällen einen geringfügig höheren Bemessungswiderstand im Vergleich zur CM, wie in Kapitel 9.2.5 gezeigt. Die Abweichung beträgt bis zu 10%. Die Verformungskapazität wird ebenfalls verglichen. Die Verformungskapazität wurde gemäß (Beg et al. 2004) berechnet, da EC3 nur begrenzte Grundlagen für die Verformungskapazität von Stirnplattenverbindungen bereitstellt.

Abb. 9.2.2 Momenten-Rotations-Diagramm

Tab. 9.2.1 Übersicht des globalen Tragverhaltens

Verifikation des Widerstands

Der mit CBFEM berechnete Bemessungswiderstand wurde im nächsten Schritt mit den Ergebnissen der Komponentenmethode verglichen. Der Vergleich konzentrierte sich sowohl auf den Widerstand als auch auf die maßgebende Komponente. Die Studie wurde für den Parameter des Stützenquerschnitts durchgeführt. Träger IPE 330 ist mit der Stütze über eine verlängerte Stirnplatte mit 5 Schraubenreihen verbunden. Es werden Schrauben M24 8.8 verwendet. Die Abmessungen der Stirnplatte P15 mit Randabständen und Schraubenabständen in Millimetern sind: Höhe 450 (50-103-75-75-75-73) und Breite 200 (50-100-50). Die Außenkante des Obergurts liegt 91 mm vom Rand der Stirnplatte entfernt. Die Trägerflansche sind mit der Stirnplatte durch Schweißnähte mit einer Nahtdicke von 8 mm verbunden. Der Trägersteg ist mit einer Nahtdicke von 5 mm angeschlossen. Die Stütze ist mit horizontalen Steifen gegenüber den Trägerflanschen ausgesteift. Die Steifen sind 15 mm dick, und ihre Breite entspricht der Stützenbreite. Die Dicke der Stirnplattensteife beträgt 10 mm, ihre Breite 90 mm. Die Ergebnisse sind in Tab. 9.2.2 und Abb. 9.2.3 dargestellt.

Tab. 9.2.2 Bemessungswiderstand für Parameter – Stützenprofil

Abb. 9.2.3 Bemessungswiderstand in Abhängigkeit vom Stützenquerschnitt

Zur Veranschaulichung der Genauigkeit des CBFEM-Modells sind die Ergebnisse der Parameterstudien in einem Diagramm zusammengefasst, das die von CBFEM und CM vorhergesagten Widerstände vergleicht; siehe Abb. 9.2.4. Die Ergebnisse zeigen, dass CBFEM in nahezu allen Fällen einen geringfügig höheren Bemessungswiderstand im Vergleich zur CM liefert. Die Abweichung zwischen beiden Methoden beträgt bis zu 10%.

Abb. 9.2.4 Verifikation von CBFEM gegenüber CM

Benchmark-Beispiel

Eingaben

• Stahl S235
• Träger IPE 330
• Stütze HEB 300
• Stirnplattenhöhe h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Stirnplattenbreite b_p = 200 (50-100-50) mm
• Stirnplatte P15
• Stützensteifen 15 mm dick und 300 mm breit
• Stirnplattensteife 10 mm dick, 90 mm Breite und Höhe, Fasen 20 mm 
• Nahtdicke der Flanschnaht a_f = 8 mm
• Nahtdicke der Steg- und Stirnplattensteifennaht a_w = 5 mm
• Schrauben M24 8.8

Ergebnisse

• Bemessungswiderstand auf Biegung M_Rd = 206 kNm
• Zugehörige vertikale Querkraft V_Ed= –206 kN
• Versagensmodus: Fließen der Trägersteife am Obergurt
• Ausnutzung der Schrauben 90,2 %
• Ausnutzung der Schweißnähte 99,0 %