Vergleichende Analyse der Tragfähigkeit von KHP-Verbindungen: CBFEM vs. Bemessungsnormen (EN, FprEN und AISC)

Beschreibung 

In dieser Studie wurde die Normalkrafttragfähigkeit von Verbindungen aus kreisförmigen Hohlprofilen (KHP) untersucht, indem Ergebnisse der komponentenbasierten Methode der finiten Elemente (CBFEM) mit den maßgebenden europäischen und amerikanischen Bemessungsnormen (EN 1993-1-8 und AISC 360-22) verglichen wurden. Zusätzlich wurden Vergleiche mit dem Entwurf der neuen europäischen Bemessungsnorm (FprEN 1993-1-8) durchgeführt, der den aktuellen Stand der Technik enthält.

Die Studie überprüfte den vollständigen Gültigkeitsbereich, der in den Bemessungsnormen definiert ist. Dieser Bereich legt das Spektrum der Verbindungsquerschnitte fest, die von den Normen abgedeckt werden, basierend auf geometrischen und materialbezogenen Eigenschaften, die durch Forschung und experimentelle Untersuchungen ermittelt wurden. Für kreisförmige Hohlprofile (KHP) umfassen diese Eigenschaften Durchmesser, Wanddicke und Stahlgüte. Der Gültigkeitsbereich stellt sicher, dass nur die vorgesehenen Versagensmodi das Verbindungsverhalten bestimmen; er schließt beispielsweise Fälle aus, bei denen lokales Beulen die Verbindungstragfähigkeit beeinflussen würde.

Die Studie wertete eine große Anzahl von Querschnittspaaren sowohl mit normbasierten Verfahren als auch mit der komponentenbasierten Methode der finiten Elemente (CBFEM) aus. Die Analysen umfassten Variationen geometrischer und materialbezogener Parameter wie Querschnittsabmessungen, Stahlgüte, Gurtvorbelastung und Strebenwinkel. Alle Berechnungen wurden mit Python-Skripten implementiert und in einer Python-Umgebung ausgeführt. CBFEM-Analysen wurden über die IDEA StatiCa Connection REST API durchgeführt.

Ergebnisse

EN 1993-1-8 und AISC 360-22 liefern nahezu identische Ergebnisse, da sie auf derselben Methodik basieren. Der Normentwurf FprEN 1993-1-8 führt jedoch Verbesserungen für Verbindungen aus kreisförmigen Hohlprofilen (KHP) ein. Der Entwurf prognostiziert eine im Allgemeinen weniger konservative Tragfähigkeit als EN 1993-1-8 – um bis zu 55 % für die gewählten Parameter – und seine Ergebnisse korrelieren besser mit der komponentenbasierten Methode der finiten Elemente (CBFEM).

Beispiel eines X-Knotenvergleichs von CBFEM mit FprEN 1993-1-8 mit Normalspannung im Gurt

CBFEM-Ergebnisse für Fälle ohne Gurtvorbelastung stimmen im Allgemeinen mit den Normvorschriften überein. Wenn das Gurtbauteil jedoch vorbelastet ist, weichen die CBFEM-Ergebnisse von den Normen ab. Es werden weitere Untersuchungen durchgeführt, um festzustellen, ob die in den Normen enthaltene Tragfähigkeitsabminderungsfunktion für vorbelastete Gurte einer Verbesserung bedarf.

Nachweisbeispiele:

• Komponentenbasierter Finite-Elemente-Entwurf von Stahlanschlüssen: Buchkapitel CHS 
• Komponentenbasierter Finite-Elemente-Entwurf von Stahlanschlüssen: Buchkapitel RHS 

Die vollständige Abschlussarbeit ist hier abrufbar: Bemessung von Hohlprofilknoten: Vergleich von Bemessungsmethoden

GitHub mit dem gesamten Projekt: Bemessung von Hohlprofilknoten: Vergleich von Bemessungsmethoden