Verlängerte Stirnplatten-Momentenverbindungen (AISC)

Dieses Verifikationsbeispiel wurde von Mark D. Denavit und Kayla Truman-Jarrell in einem gemeinsamen Projekt der University of Tennessee und IDEA StatiCa erstellt.

1 Beschreibung

In dieser Studie wird ein Vergleich zwischen den Ergebnissen der komponentenbasierten Methode der finiten Elemente (CBFEM) und traditionellen Berechnungsmethoden der US-amerikanischen Praxis für verlängerte Stirnplatten-Momentenverbindungen (Abb. 1) vorgestellt.

Abb. 1 Schematische Darstellung der in dieser Studie untersuchten verlängerten Stirnplatten-Momentenverbindung

Die in dieser Arbeit verwendeten traditionellen Berechnungsmethoden für nicht-seismische Verbindungen basieren auf den Empfehlungen des AISC Design Guide 4 (Murray und Sumner 2003) sowie den Anforderungen für das Last- und Widerstandsfaktordesign (LRFD) gemäß der AISC Specification (2016a). Die traditionellen Berechnungsmethoden für seismische (d. h. kapazitätsbemessene) Verbindungen basieren auf AISC Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (2016b), im Folgenden als AISC 358 bezeichnet. Für seismische und nicht-seismische Verbindungen enthalten diese Referenzen Mindestdickenanforderungen für Stirnplatten und Stützenflansche, die nicht direkt auf den aufgebrachten Lasten basieren. Diese Grenzwerte sollen Abhebekräfte vermeiden und sicherstellen, dass die Verbindung vollständig eingespannt ist. Bei nicht-seismischen Verbindungen ist es zulässig, dünnere Platten und Stützenflansche zu verwenden, wenn Abhebekräfte berücksichtigt werden, beispielsweise unter Verwendung der Empfehlungen von Dowswell (2011). Für alle traditionellen Berechnungen in dieser Studie wurden jedoch die Mindestdickenanforderungen eingehalten.

Die in den traditionellen Berechnungen bewerteten Grenzzustände umfassen Zugriss der Schrauben, Biegefließen der Stirnplatte und des Stützenflansches (über Dickenbeschränkungen), Schubfließen und Schubriss der Stirnplatte, lokale Grenzzustände der Stütze (d. h. lokales Stegfließen, lokales Stegbeulen und Stegdruckknicken), Fließen der Stützensteg-Schubzone sowie Schrauben-Querkraft-Grenzzustände (d. h. Schraubenabscherung, Lochleibung, Ausreißen – es wurde nur die Querkrafttragfähigkeit der Druckschrauben berücksichtigt). Der Einfachheit halber wurden alle Schweißnähte als Stumpfnähte modelliert und ihre Tragfähigkeit wurde in den traditionellen Berechnungen nicht bewertet.

Die CBFEM-Ergebnisse wurden mit IDEA StatiCa Version 21.0 ermittelt. Beispielmodelle sind in Abb. 2 dargestellt. Die maximal zulässigen Lasten wurden iterativ bestimmt, indem die aufgebrachte Last auf einen Wert eingestellt wurde, den das Programm als sicher einstuft, der jedoch bei einer geringfügigen Erhöhung (z. B. um 1 kip-in.) als unsicher eingestuft würde. Im Gegensatz zu den traditionellen Berechnungen wurden Abhebekräfte in IDEA StatiCa berücksichtigt, und die dargestellten Ergebnisse umfassen Fälle mit Abhebekräften. Die Steifigkeit der Verbindung wurde mittels Steifigkeitsanalysen (d. h. Analysetyp „ST") bewertet.

Abb. 2 In IDEA StatiCa modellierte verlängerte Stirnplatten-Momentenverbindungen.

2 Stirnplattendicke

Zunächst wird der Einfluss der Stirnplattendicke auf das Verhalten und die Tragfähigkeit der Verbindung untersucht. Für diese Vergleiche ist der Träger ein W21×68 und die Stütze ein W14×193. Beide entsprechen ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). Die Stütze wurde groß gewählt (t_f = 1,44 in.) und mit 5/8 in. dicken Steifen (d. h. Durchlaufplatten) versehen, um sicherzustellen, dass der maßgebende Grenzzustand nicht in der Stütze liegt. Die Stirnplatte hat eine Höhe von 29 in., eine Breite von 9,5 in., und die Dicke variiert von 3/8 in. bis 2,5 in. Alle Plattenwerkstoffe (d. h. Stirnplatte und Steifen) entsprechen ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). Die Verbindung hat vier Schrauben in der Nähe jedes Trägerflansches (insgesamt 8 Schrauben), und die Stirnplatte ist nicht ausgesteift. Diese Konfiguration wird üblicherweise als vierbolzige, nicht ausgesteifte 4E-Konfiguration bezeichnet. Die Schrauben haben einen Durchmesser von 1-1/8 in. (A325) mit einem horizontalen Rastermaß von g = 5,5 in. und einem vertikalen Abstand von c = 4,5 in. Der vertikale Abstand von der Schraubenmittellinie zum Rand der Stirnplatte beträgt l_ev = 2 in.

In IDEA StatiCa wurden die Lasten mit der Option „Lasten im Gleichgewicht" aufgebracht. Die an der Ober- und Unterseite der Stütze aufgebrachten Momente betrugen jeweils die Hälfte des am Träger aufgebrachten Moments. Eine Querkraft von 25 kips wurde ebenfalls auf die Stütze aufgebracht (V_column = 25 kips, Abb. 1). Der Einfachheit halber wurde keine Querkraft auf den Träger aufgebracht (V_beam = 0 kips, Abb. 1).

Die Variation des maximalen aufgebrachten Moments mit der Stirnplattendicke ist in Abb. 3 dargestellt. Der maßgebende Grenzzustand für jede Dicke ist in Tabelle 1 aufgeführt. Für die traditionellen Berechnungen werden keine Ergebnisse für Stirnplattendicken unter 1 in. gezeigt, da dünnere Platten die Mindestdickenanforderungen zur Vermeidung von Abhebekräften nicht erfüllten. Der maßgebende Grenzzustand aus den traditionellen Berechnungen für Verbindungen, die die Stirnplattendickenanforderung erfüllten, war der Zugriss der Schrauben. Daher variiert das maximale aufgebrachte Moment nicht mit der Stirnplattendicke.

In den IDEA StatiCa-Ergebnissen ist eine Variation des maximalen aufgebrachten Moments mit der Stirnplattendicke zu beobachten. Bei sehr dünnen Platten (t ≤ 0,5 in.) ist die plastische Dehnung in der Stirnplatte maßgebend für die Bemessung. Andernfalls ist die Schraubenzugkraft maßgebend. Das maximale aufgebrachte Moment nimmt mit zunehmender Stirnplattendicke über den gesamten untersuchten Bereich zu. Der Anstieg des maximalen aufgebrachten Moments ist bei dünnen Platten schnell, da eine zunehmende Dicke die Biegefließtragfähigkeit der Stirnplatte direkt erhöht. Der Anstieg des maximalen aufgebrachten Moments ist moderater, wenn die Schraubenzugkraft maßgebend ist. Für Stirnplattendicken von 1,25 in. und mehr übersteigt das maximale aufgebrachte Moment aus IDEA StatiCa das der traditionellen Berechnungen. Der Grund dafür ist, dass die traditionellen Berechnungen annehmen, dass die Kontaktkraft an der Schnittstelle zwischen Stützenflansch und Stirnplatte auf den Trägerflansch zentriert ist, während IDEA StatiCa den Kontaktdruck explizit modelliert. Mit zunehmender Stirnplattendicke ist der über den Trägerflansch hinausragende Teil der Stirnplatte steifer und besser in der Lage, Kontaktdruck aufzunehmen, wodurch die Druckkraft unterhalb des unteren Trägerflansches verschoben wird (Abb. 4). Obwohl die Zugtragfähigkeit der Schrauben zwischen IDEA StatiCa und den traditionellen Berechnungen gleich ist, ist der Hebelarm des Kräftepaars bei IDEA StatiCa größer, was zu einer größeren Momenttragfähigkeit führt. 

Für jede Stirnplattendicke wurden das Vorhandensein von Abhebekräften und die Steifigkeit der Verbindung durch IDEA StatiCa bestimmt. Es wurde angenommen, dass eine Verbindung Abhebekräfte aufweist, wenn auf der Zugseite der Verbindung Kontaktspannungen vorhanden sind. Wie in Abb. 4 dargestellt, wurden beispielsweise Abhebekräfte für die Verbindung mit einer 7/8 in. dicken Platte beobachtet, nicht jedoch für die Verbindung mit der 2-1/2 in. dicken Platte. Bei Stirnplattendicken von 1 in. und mehr traten keine Abhebekräfte auf. Dies stimmt mit der entsprechenden Mindestdickenanforderung der traditionellen Berechnungen überein. Verbindungen mit Stirnplattendicken von 7/8 in. und mehr wurden durch eine Steifigkeitsanalyse in IDEA StatiCa als vollständig eingespannt (d. h. starr) eingestuft, was darauf hindeutet, dass die Mindestdickenanforderung der traditionellen Berechnungen auch eine gute indirekte Überprüfung der Steifigkeit der Verbindung für diesen Fall liefert.

Abb. 3 Maximales aufgebrachtes Moment vs. Stirnplattendicke

Tabelle 1. Maßgebender Grenzzustand für die in Abb. 3 dargestellten Ergebnisse

Abb. 4 Kontaktspannung für die in Abb. 3 dargestellten Ergebnisse

Abb. 5 Kontaktspannung für die in Abb. 6 dargestellten Ergebnisse (mit Stirnplattensteife)

Das Hinzufügen von Steifen zur Stirnplatte verändert das Verhalten der Verbindung. Die Variation des maximalen aufgebrachten Moments mit der Stirnplattendicke ist in Abb. 6 für dieselben zuvor untersuchten Verbindungen, jedoch mit hinzugefügten Stirnplattensteifen, dargestellt. Die in Abb. 3 dargestellten IDEA StatiCa-Ergebnisse für Verbindungen ohne Steifen sind in Abb. 6 zum Vergleich enthalten. Die Steifen waren 1/2 in. dick, 3,5 in. breit, 6,5 in. lang und wurden an beiden Flanschen des Trägers angeordnet. Das Plattenmaterial für die Steifen entsprach ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi).

Bei den traditionellen Berechnungen ändert das Hinzufügen von Steifen das Fließlinienmuster für die Biegetragfähigkeit der Stirnplatte und verringert die Mindestdicke. Das Hinzufügen von Steifen änderte jedoch nicht die Tragfähigkeit der Verbindung, die weiterhin durch den Zugriss der Schrauben bestimmt wurde, da die Druckkraft unabhängig von der Stirnplattensteifigkeit als auf den Flansch zentriert angenommen wird. Eine Überprüfung aktueller Forschungsergebnisse hat bestätigt, dass sich die Druckkraft mit dem Hinzufügen von Stirnplattensteifen unterhalb des Unterflansches verschiebt, und eine Methode zur Berücksichtigung dieser Verschiebung in der Bemessung wurde vorgeschlagen (Landolfo et al. 2018).

Bei IDEA StatiCa erhöhte das Hinzufügen von Steifen die maximale aufgebrachte Last. Die maßgebenden Grenzzustände waren dieselben wie in Tabelle 1 dargestellt. Der Anstieg der maximalen aufgebrachten Lasten war am größten für Stirnplattendicken zwischen 5/8 in. und 1 in., bei denen die Schraubenzugkraft maßgebend war und die Steifen dazu beitrugen, Abhebekräfte zu reduzieren und den Hebelarm des Kräftepaars zu vergrößern.

Abb. 6 Maximales aufgebrachtes Moment vs. Stirnplattendicke

Die vorangegangenen Analysen verwendeten alle eine relativ große Stütze, um sicherzustellen, dass Stützengrenzzustände nicht maßgebend wurden. Die Stütze für die folgenden Analysen war kleiner, ein W14×109. Andere Aspekte der Verbindungen, einschließlich Stützensteifendicke, Träger, Stirnplatte und Schrauben, blieben gleich. Die Stirnplatte für diese Analysen war nicht ausgesteift.

Die Variation des maximalen aufgebrachten Moments mit der Stirnplattendicke ist in Abb. 8 dargestellt. Der maßgebende Grenzzustand für jede Dicke ist in Tabelle 2 aufgeführt. In dieser Abbildung sind mehrere Linien sowohl für IDEA StatiCa als auch für die traditionellen Berechnungen dargestellt.

Für die traditionellen Berechnungen werden Ergebnisse dargestellt für den Fall, dass der Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Tragwerksanalyse nicht berücksichtigt wird, und für den Fall, dass dieser Einfluss in der Tragwerksanalyse berücksichtigt wird. Das Fließen der Schubzone beeinflusst die Gesamtsteifigkeit des Tragwerks und kann die Effekte zweiter Ordnung erheblich vergrößern. Wenn die Inelastizität der Schubzone in der Analyse zur Bestimmung der erforderlichen Tragfähigkeiten des Tragwerks nicht berücksichtigt wird, begrenzt die AISC Specification (2016a) das Verhalten der Schubzone auf den elastischen Bereich. Wenn die Inelastizität der Schubzone bei der Bestimmung der erforderlichen Tragfähigkeiten des Tragwerks berücksichtigt wird, wird eine zusätzliche inelastische Querkrafttragfähigkeit der Schubzone anerkannt.

In dem Fall, in dem die Inelastizität der Schubzone in der Analyse nicht berücksichtigt wird, bestimmt die Querkrafttragfähigkeit der Schubzone die Tragfähigkeit der Verbindung mit einem maximalen aufgebrachten Moment von 4.649 kip-in. In dem Fall, in dem die Inelastizität der Schubzone in der Analyse berücksichtigt wird, bestimmt die Zugtragfähigkeit der Schrauben die Tragfähigkeit der Verbindung mit einem maximalen aufgebrachten Moment von 5.490 kip-in. (das maximale aufgebrachte Moment für das Fließen der Schubzone liegt mit 5.495 kip-in. nur geringfügig höher).

Der maßgebende Grenzzustand für IDEA StatiCa ist der plastische Dehnungsgrenzwert in der Stirnplatte bei sehr dünnen Stirnplatten (t ≤ 0,5 in.) und andernfalls die Schraubenzugkraft. Das maximale aufgebrachte Moment ist bei IDEA StatiCa größer als bei den traditionellen Berechnungen. Da sich auch die maßgebenden Grenzzustände unterscheiden, wurden zusätzliche Analysen durchgeführt, um das aufgebrachte Moment zu quantifizieren, bei dem der plastische Dehnungsgrenzwert für den Stützensteg in der Schubzone erreicht wird, wie in Abb. 7 für eine Plattendicke von 1,25 in. dargestellt. Diese Werte sind als gestrichelte Linie in Abb. 8 eingetragen (die Schraubentragfähigkeitsgrenzen wurden bei diesen Analysen überschritten).

Abb. 7 Plastische Dehnung in der Schubzone für t_p = 1,25 in.

IDEA StatiCa erfasst den Grenzzustand des Fließens der Schubzone, jedoch mit einer größeren Tragfähigkeit als von der AISC Specification (2016a) zugelassen, wenn der Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Analyse berücksichtigt wird. Verbindungen können in IDEA StatiCa so bemessen werden, dass das Fließen der Schubzone begrenzt wird, indem einfach ein plastischer Dehnungsgrenzwert von weniger als 5 % vorgegeben wird. Beispielsweise beträgt die maximale aufgebrachte Last für die Verbindung mit einer 1,75 in. dicken Stirnplatte bei nahezu elastischem Verhalten (d. h. Grenzwert von 0,1 % plastischer Dehnung) des Stützenstegs 4.418 kip-in., was gut mit dem maximalen aufgebrachten Moment von 4.649 kip-in. aus den traditionellen Berechnungen übereinstimmt, wenn der Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Analyse nicht berücksichtigt wird.

Interessanterweise werden Abhebekräfte identifiziert und die Verbindung wird in IDEA StatiCa für Stirnplattendicken bis zu 1,5 in. als teilweise eingespannt (halbstarr) eingestuft. Die traditionellen Berechnungen erlauben Stirnplattendicken von bis zu 1 in. unter der Annahme, dass keine Abhebekräfte auftreten.

Abb. 8 Maximales aufgebrachtes Moment vs. Stirnplattendicke

Tabelle 2. Maßgebender Grenzzustand für die in Abb. 8 dargestellten Ergebnisse

¹ Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Analyse nicht berücksichtigt

² Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Analyse berücksichtigt

3 Vertikaler Schraubenabstand

Die Dicke ist nicht der einzige Parameter, der das Verhalten der Stirnplatte beeinflusst. Mit zunehmendem vertikalen Abstand zwischen den Schraubenmittellinien nimmt auch der Randabstand (Abstand von der Trägerflanschfläche zur Mittellinie der nächstgelegenen Schraube) zu. Im Allgemeinen ist der kleinstmögliche Randabstand am wirtschaftlichsten (Murray und Sumner 2003), jedoch können größere Werte aus Gründen der Ausführbarkeit oder aus anderen Gründen erforderlich sein.

Eine Reihe von Analysen wird mit variierendem vertikalen Schraubenabstand durchgeführt. Für diese Vergleiche ist der Träger ein W21×55 und die Stütze ein W14×109. Beide entsprechen ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). Die Stirnplatte hat eine Höhe von 28,5 in., eine Breite von 9,0 in., eine Dicke von 1 in. und entspricht ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). Die Verbindung hat vier Schrauben in der Nähe jedes Trägerflansches (insgesamt 8 Schrauben) und die Stirnplatte ist nicht ausgesteift. Die Schrauben haben einen Durchmesser von 1 in. (A325) mit einem horizontalen Rastermaß von 5,5 in. Der vertikale Abstand zwischen den Schrauben variiert von 3,5 in. bis 6 in. und der Abstand von der Schraubenmittellinie zum Rand der Stirnplatte variiert von 2,5 in. bis 1,25 in. Der Schwerpunkt der Schraubengruppe wurde konstant gehalten. Die Lasten wurden wie im vorherigen Abschnitt beschrieben aufgebracht, einschließlich einer Querkraft von 25 kips in der Stütze.

Die Variation des maximalen aufgebrachten Moments mit dem vertikalen Schraubenabstand ist in Abb. 9 dargestellt. Der maßgebende Grenzzustand war sowohl bei den traditionellen Berechnungen als auch bei IDEA StatiCa in allen Fällen der Zugriss der Schrauben. Für vertikale Schraubenabstände von 5 in. oder weniger besteht eine gute Übereinstimmung zwischen den traditionellen Berechnungen und IDEA StatiCa. Bei größeren vertikalen Schraubenabständen nimmt die maximale aufgebrachte Last aus IDEA StatiCa ab. Die maximale aufgebrachte Last aus den traditionellen Berechnungen ist über den gesamten Bereich konstant. Der Grund für die Abweichung sind Abhebekräfte. Die Plattendicke erfüllt die Mindestdickenanforderung der traditionellen Berechnungen, um keine Abhebekräfte anzunehmen. Jedoch werden in den IDEA StatiCa-Ergebnissen für vertikale Schraubenabstände von 5,5 in. und 6 in. Abhebekräfte beobachtet, die das maximale aufgebrachte Moment verringern.

Abb. 9 Maximales aufgebrachtes Moment vs. vertikaler Schraubenabstand

4 Kapazitätsbemessung

Verlängerte Stirnplatten-Momentenverbindungen sind einer der Verbindungstypen, die für die Verwendung in speziellen und mittleren Stahlmomentenrahmen vorqualifiziert sind (AISC 2016b). Sie sind jedoch nur vorqualifiziert, wenn sie die Einschränkungen erfüllen und gemäß dem hochgradig präskriptiven Verfahren von AISC 358 bemessen wurden. Die Bemessungskriterien von AISC 358 sollen sicherstellen, dass die inelastische Verformung der Verbindung durch Trägerfließen erreicht wird.

Die Verwendung von IDEA StatiCa anstelle des in AISC 358 festgelegten Bemessungsverfahrens ist nicht zulässig, um die Konformität mit den Anforderungen für Träger-Stützen-Verbindungen in speziellen und mittleren Stahlmomentenrahmen nachzuweisen. IDEA StatiCa verfügt jedoch über die Möglichkeit, eine Kapazitätsbemessung durchzuführen und vergleichbare Ergebnisse zu liefern.

Bei der Kapazitätsbemessung in IDEA StatiCa werden bestimmte Bauteile als dissipative Komponenten ausgewiesen. Das Spannung-Dehnung-Verhalten dieser Komponenten wird überschrieben, sodass es auf den erwarteten Werkstofftragfähigkeiten basiert und Verfestigung einschließt. Anschließend werden Lasten aufgebracht, die den maximal wahrscheinlichen Lasteffekten entsprechen. Bei der verlängerten Stirnplatten-Momentenverbindung ist der Träger die dissipative Komponente, und die maximal wahrscheinlichen Lasteffekte werden gemäß AISC 358 berechnet.

In dieser Untersuchung wird eine Reihe von Verbindungen gemäß dem AISC 358-Verfahren und IDEA StatiCa kapazitätsbemessen, um die Ergebnisse zu vergleichen. Es ist zu beachten, dass die Standard-Widerstandsbeiwerte in IDEA StatiCa überschrieben wurden, um mit den in AISC 358 festgelegten Werten übereinzustimmen. Der Träger variiert von einem W18×35 bis zu einem W18×60, die Stütze ist ein W14×211. Alle Breitflanschprofile entsprechen ASTM A992 (F_y = 50 ksi, R_y = 1,1, F_u = 65 ksi). Die Stirnplatte entspricht ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) und hat eine Höhe von 28 in. Die Breite der Platte betrug 7 in. für die Träger W18x35, W18x40 und W18x46 sowie 8,5 in. für die Träger W18x50, W18x55 und W18x60. Die Dicke der Stirnplatte wurde im Rahmen des Bemessungsprozesses festgelegt. Es wurde eine vierbolzige, nicht ausgesteifte 4E-Konfiguration mit A490-Schrauben verwendet. Der Schraubendurchmesser wurde im Rahmen des Bemessungsprozesses festgelegt. Das horizontale Rastermaß betrug 5,5 in., der vertikale Schraubenabstand 5,5 in. und der vertikale Abstand von der Schraubenmittellinie zum Rand der Stirnplatte l_ev = 2 in.

Das aufgebrachte Moment und die aufgebrachte Trägerquerkraft für jeden Trägerquerschnitt sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die aufgebrachte Trägerquerkraft basierte auf einer angenommenen Trägerquerkraft aus ständigen Lasten von 30 kips und einer Trägerlänge (zwischen den Stützenmittellinien) von 30 ft. Die Lasten wurden an der „X-Position" aufgebracht (d. h. dem Abstand von der Stützenmittellinie zum angenommenen plastischen Gelenkort). Eine Querkraft von 30 kips wurde ebenfalls auf die Stütze aufgebracht. Interessanterweise erreichten die plastischen Dehnungen im Träger in diesen Analysen ein Maximum von etwa 10 %. Dieses hohe Maß an plastischer Dehnung überschreitet jedoch keine Grenzwerte, da der Träger als dissipative Komponente eingestuft ist.

Tabelle 3. Aufgebrachte Lasten für das Kapazitätsbemessungsbeispiel

Die bemessene Stirnplattendicke und der Schraubendurchmesser sind als Funktion des Trägergewichts in Abb. 10 bzw. Abb. 11 dargestellt. Für die traditionellen Berechnungen wird für jede Trägergröße eine Bemessung gezeigt, da das AISC 358-Verfahren Abhebekräfte verhindert und zu einer einzigen effizienten Bemessung führt. Für IDEA StatiCa werden für jede Trägergröße zwei Bemessungen gezeigt. Mit der Möglichkeit, Abhebekräfte in IDEA StatiCa explizit zu berücksichtigen, ist je nach relativer Priorität von Schraubendurchmesser und Plattendicke eine Reihe effizienter Bemessungen möglich. Eine informelle Optimierung wurde durchgeführt, um eine Bemessung zu ermitteln, bei der die Plattendicke minimiert wurde, und eine weitere, bei der der Schraubendurchmesser minimiert wurde.

Wenn der Schraubendurchmesser minimiert wird, ist der resultierende Schraubendurchmesser zwischen den traditionellen Berechnungen und IDEA StatiCa gleich, aber die Plattendicke ist bei der IDEA StatiCa-Bemessung größer. Die dickeren Platten werden in IDEA StatiCa benötigt, um den Einfluss von Abhebekräften zu eliminieren und die Beanspruchung der Schrauben zu minimieren.

Wenn die Plattendicke minimiert wird, ist die resultierende Plattendicke der IDEA StatiCa-Bemessung annähernd gleich wie bei den traditionellen Berechnungen, wobei einige Bemessungen gleich sind, einige eine Größe dickere Platte aufweisen und einige eine Größe dünnere Platte. Die Schrauben der IDEA StatiCa-Bemessung sind in diesen Fällen größer als nach den traditionellen Berechnungen erforderlich, da die erhöhten Beanspruchungen durch Abhebekräfte berücksichtigt werden.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die in IDEA StatiCa integrierten Modellierungsannahmen zu einer konservativeren Bewertung der Abhebekräfte führen als die traditionellen Berechnungen, und dementsprechend liefert IDEA StatiCa eine konservative Bemessung dieser beiden Komponenten der verlängerten Stirnplatten-Momentenverbindung.

Abb. 10 Plattendicke vs. Trägergewicht

Abb. 11 Schraubendurchmesser vs. Trägergewicht

5 Zusammenfassung

In dieser Studie wurde die Bemessung verlängerter Stirnplatten-Momentenverbindungen mit traditionellen Berechnungsmethoden der US-amerikanischen Praxis und IDEA StatiCa verglichen. Wesentliche Erkenntnisse aus der Studie umfassen:

• IDEA StatiCa liefert für verlängerte Stirnplatten-Momentenverbindungen verfügbare Tragfähigkeiten, die den traditionellen Berechnungen ähnlich sind.
• Unterschiede in der Tragfähigkeit sind hauptsächlich auf Abhebekräfte und die Verteilung der Lochleibungsspannung zurückzuführen, die beide in den traditionellen Berechnungen mit vereinfachten Annahmen berücksichtigt, in IDEA StatiCa jedoch explizit modelliert werden.
• Bei Verwendung der Standardparameter ist die Schubzonentragfähigkeit aus IDEA StatiCa ähnlich wie die Tragfähigkeit aus der AISC Specification, wenn der Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Analyse zur Bestimmung der erforderlichen Tragfähigkeiten berücksichtigt wird. Die geringere Tragfähigkeit gemäß der AISC Specification für den Fall, dass der Einfluss inelastischer Schubzonenverformungen auf die Tragwerksstabilität in der Analyse zur Bestimmung der erforderlichen Tragfähigkeiten nicht berücksichtigt wird, kann durch Anpassen des plastischen Dehnungsgrenzwerts in IDEA StatiCa erreicht werden.
• Die Kapazitätsbemessungsmöglichkeiten von IDEA StatiCa ermöglichen die Auswahl von Schraubendurchmesser und Plattendicke, die gegenüber dem in AISC 358 definierten Verfahren konservativ sind.

6 Literatur

AISC. (2016a). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

AISC. (2016b). Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

AISC. (2017). Steel Construction Manual, 15th Edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

Dowswell, B. (2011). „A Yield Line Component Method for Bolted Flange Connections." Engineering Journal, AISC, (2. Quartal), 93–116.

Landolfo, R., D'Aniello, M., Costanzo, S., Tartaglia, R., Demonceau, J., Jaspart, J., Stratan, A., Jakab, D., Dubina, D., Elghazouli, A., und Bompa, D. (2018). Equaljoints PLUS – Volume with information brochures for 4 seismically qualified joints, European Convention for Constructional Steelwork (ECCS), Brüssel, Belgien.

Murray, T. M. und Sumner, E. A. (2003). Extended End-Plate Moment Connections: Seismic and Wind Applications, Second Edition. Design Guide 4, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.