Tragfähigkeitsbemessung von Stahlanschlüssen (AISC)
1 Neues Projekt
Starten Sie IDEA StatiCa (laden Sie die neueste Version herunter) und öffnen Sie die Quellprojektdatei. Die Verbindungsbemessung ist abgeschlossen und für die standardmäßige Spannungs-/Dehnungsanalyse vorbereitet.
2 Berechnung und Nachweis
Starten Sie die Spannungs-/Dehnungsanalyse über die Schaltfläche Berechnen in der Menüleiste. Das Analysemodell wird automatisch generiert, die Berechnung wird durchgeführt, und die Gesamtnachweisergebnisse sind in der oberen linken Ecke der Szene zu sehen.
Anhand der Spannungs-/Dehnungsanalyse ist ersichtlich, dass die Verbindung gut bemessen ist und alle Nachweise erfüllt.
Um diese Ergebnisse zu behalten, kopieren Sie dieses Projektelement in der oberen linken Ecke unter „Projektelemente".
3 Tragfähigkeitsnachweis
Ändern Sie im neuen Projektelement (CON2) die folgenden Eingaben, um die Vorqualifizierungsgrenzwertprüfungen gemäß AISC 358 zu aktivieren:
- Analysetyp: Capacity Design
- Vorqualifizierte Verbindung: Aktiv
- System: Special moment frame
- Verbindungstyp: Reduced beam section (RBS)
Das dissipative Bauteil muss ausgewählt werden. Als dissipatives Bauteil sollte ein Bauteil oder eine Platte gewählt werden, in dem bzw. der ein plastisches Gelenk erwartet wird. Der Werkstoffüberfestigkeitsfaktor und der Verfestigungsfaktor werden auf das gewählte Bauteil angewendet. Wählen Sie in diesem Beispiel das Bauteil W16x31 als dissipatives Bauteil. Es kann über den Befehl in der oberen Menüleiste hinzugefügt werden; bestätigen Sie die Auswahl mit der Leertaste/Eingabetaste/Rechtsklick.
In den Eigenschaften unter Bauteile müssen die Parameter von W16x31 angepasst werden: Setzen Sie den Modelltyp auf N-Vz-My, da die Verbindung nur das Biegemoment in der vertikalen Ebene aufnimmt und die Biegung um die schwache Trägerachse gesperrt sein muss.
Nachdem das dissipative Bauteil ausgewählt wurde, werden die Vorqualifizierungsgrenzwerte oben links im Modellbereich angezeigt:
Die erste Warnung bezieht sich auf AISC 341-16: Kapitel D.1.1b und Tabelle D1.1. Grenzwerte für Breite-zu-Dicke-Verhältnisse. Um die erste Warnung zu beheben, ändern Sie das Stützenprofil auf W14X68, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Stütze klicken und dann auf das Plus-Symbol klicken:
Wählen Sie den Breitflanschquerschnitt, scrollen Sie nach unten bis Sie W (AISC 15.0) finden, verwenden Sie das Suchfeld, klicken Sie auf W14X68 und bestätigen Sie mit OK.
Ändern Sie den Namen des Bauteils auf „Stütze", indem Sie auf den Namen W12X65 klicken und F2 drücken oder mit der rechten Maustaste klicken und „Umbenennen" wählen:
Die folgende zu behebende Warnung betrifft die Schweißnaht des Stegs des Trägers an den Stützenflansch:
Die Schweißnaht kann in der Operation CUT1 geändert werden; ändern Sie die Schweißnaht von der Doppelkehlnaht auf die Option Stumpfnaht:
Die nächste Warnung betrifft eine Anforderung an die Schubplatte gemäß AISC 358 Kapitel 5.6 (2) für Special moment frames.
Klicken Sie auf „Neue Operation" und wählen Sie die Fahnenblech-Operation und geben Sie die Details wie gezeigt ein:
Die letzte Warnung betrifft die Anforderung an Schweißnahtzugangslöcher gemäß AISC 358 5.5 (2). Um diesen Konstruktionsnachweis zu erfüllen, fügen Sie eine Öffnungsoperation hinzu, wählen Sie die folgende Eingabe und verwenden Sie die Vorentwurfsoption für Ausklinkungen:
Nach dieser Operation erfüllt die Verbindung die Vorqualifizierungsgrenzwerte gemäß AISC 358 und 341.
Wechseln Sie den Parameter Kräfte in auf Position, da dann die genaue Angriffspunktposition der wirkenden Kraft definiert werden kann. Die Position des plastischen Gelenks entspricht in etwa der Position der wirkenden Kraft: X = 17 Zoll.
Wie bestimmt man die richtige Position des plastischen Gelenks? Der Ingenieur muss entscheiden, wo es auftreten wird. In der Regel wird das plastische Gelenk im Träger angesetzt. In diesem Beispiel tritt es in der Mitte der Dog-Bone-Operation auf. Es ist praktisch, die Position aus der Anwendung (Drahtgitteransicht) abzulesen.
Im nächsten Schritt müssen die Lasteffekte definiert werden. Lasten für die Erdbebenanalyse sind normabhängig (Werkstoffüberfestigkeitsfaktor, Verfestigungsfaktor) und werden auch durch die Streckgrenze, geometrische Querschnittseigenschaften usw. beeinflusst.
Die Lasten für dieses Beispiel wurden nach folgendem Verfahren berechnet:
My = Cpr .Ry .Fy .Zpl,y(RBS) und die zugehörige Querkraft Vz = –2 My / Lh, wobei:
- Ry – Verhältnis der wahrscheinlichen zur minimalen Streckgrenze – AISC 341-16 – Tabelle A3.1; für A992 – Ry = 1,1
- \( C_{pr}=\frac{F_y+F_u}{2\cdot F_y} \le 1.2 \) – Verfestigungsfaktor; für A992 – Cpr = 1,15
- Fy – charakteristische Streckgrenze; für A992 – Fy = 50,0 ksi
- Fu – charakteristische Zugfestigkeit; für A992 – Fu = 65,0 ksi
- Zpl,y(RBS) – plastisches Widerstandsmoment; Wert für den reduzierten Trägerquerschnitt – Zpl,y,(RBS) = 44,80 in3
- Lh – Abstand zwischen den plastischen Gelenken am Träger; Lh = 250 - (2 . 17) = 216 in
My = 1,15 x 1,1 x 50 x 44,80 = 2834 kip.in = 236,17 kip-ft
\[ V_{\textrm{Ed}} = \frac{2 \cdot M_{\textrm{y}}}{L_{h}} = 2 \cdot \frac{2834}{216} = 26,2 \, \textrm{kip} \]
Fügen Sie die berechnete Querkraft und das Biegemoment als neuen Lasteffekt (LE) hinzu.
Die Querkraft und das Biegemoment müssen mit den entsprechenden Vorzeichen eingegeben werden, sodass das Biegemoment am Träger in Richtung weg vom Knoten abnimmt.
Nun kann die Tragfähigkeitsanalyse über den Befehl Berechnen gestartet werden.
Wie in den Ergebnissen und der Ansicht der plastischen Dehnungen zu sehen ist, weist die Stütze eine extreme plastische Dehnung auf. Das Hauptziel des Capacity Design in Verbindung mit vorqualifizierten Verbindungen gemäß dem AISC 358-Bemessungsverfahren ist die Auslegung eines Systems mit starker Stütze und schwachem Träger. Daher soll das Fließen und die Bildung plastischer Gelenke im dissipativen Bauteil (gewählter Träger) auftreten. Bei der Verbindung vom Typ „Reduced beam section" ist die maximale plastische Dehnung im mittleren Bereich des reduzierten Querschnitts des Trägers beabsichtigt.
Der Bemessungsansatz besteht darin, das Versagen in den Träger zu verlagern. Die folgenden Schritte dienen dazu, die Tragfähigkeit der Stützenstegzone zu erhöhen.
Zunächst können vier Steifen in die Stütze eingefügt werden, die auf die Trägerflansche ausgerichtet sind. Setzen Sie die Dicke der Steifen auf 5/8".
Um die Traglast der Stütze zu erhöhen, fügen Sie auf beiden Seiten des Stegs eine Stegverdoppelung hinzu (fügen Sie die Fertigungsoperation Verstärkungsplatte hinzu).
Die Steifen am Stützensteg müssen durch die Fertigungsoperation Plattenschnitt zugeschnitten und mit den Stegverdoppelungen verschweißt werden.
Wiederholen Sie die Plattenschnitt-Operation viermal, um die anderen vorderen/hinteren Steifen mit den Stegverdoppelungen zu verbinden.
*Tipp: Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die erste Schnittoperation, kopieren Sie sie nach Bedarf und fahren Sie mit der Maus über die Platten, um die Namen der zu schneidenden Platten zu sehen.
Alle Bemessungsänderungen sind nun abgeschlossen. Führen Sie Berechnen im Reiter Nachweis aus. Sie können sehen, dass alle Komponenten (wie Schweißnähte und Schrauben) den Normnachweis bestehen. Die plastische Dehnung der dissipativen Bauteilplatten beeinflusst die Gesamtergebnisse nicht.
Das Auftreten des plastischen Gelenks kann im Analysefenster Plastische Dehnung untersucht werden.
Das plastische Gelenk ist an der erwarteten Stelle aufgetreten, und diese Verbindung hat die vom Capacity Design geforderten Nachweise erfüllt.
Für ein besseres Verständnis der Ergebnisse siehe den theoretischen Hintergrund.
4 Bericht
Abschließend können Sie den Bericht einsehen. IDEA StatiCa bietet einen vollständig anpassbaren Bericht zum Ausdrucken oder Speichern in einem bearbeitbaren Format.
Am Ende des detaillierten Berichts befindet sich eine Liste der Konstruktionsnachweise für vorqualifizierte Verbindungen mit Referenz und Status:
Sie haben einen Tragfähigkeitsnachweis einer vorqualifizierten tragwerksbezogenen Verbindung gemäß AISC 358 und AISC 341 durchgeführt.
Widerstandsbeiwerte
Da die Bemessungsanforderungen für „vorqualifizierte" Verbindungen erfüllt sind und die verfügbaren Tragfähigkeiten gemäß AISC 358-16 berechnet werden, sind die Widerstandsbeiwerte ϕ wie folgt anzusetzen:
Für duktile Grenzzustände ϕd = 1,00
Für nicht-duktile Grenzzustände ϕn = 0,90
Diese Faktoren können in IDEA StatiCa Connection unter „Normeinstellungen" bearbeitet werden:
