Lange geschraubte und geschweißte Verbindungen (AISC)

Mark D. Denavit und Rick Mulholland haben dieses Verifikationsbeispiel in einem gemeinsamen Projekt der University of Tennessee und IDEA StatiCa erarbeitet.

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 lange, endseitig belastete geschraubte und geschweißte Verbindungen vorgestellt. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf den Grenzzuständen der Schraubenabscherung bei langen geschraubten Verbindungen sowie dem Schweißnahtbruch bei langen geschweißten Verbindungen. Besondere Beachtung wird dem Einfluss der Dehnungsdifferenz geschenkt, die eine ungleichmäßige Lastverteilung zwischen den Befestigungselementen und eine ungleichmäßige Spannung in langen Kehlnähten erzeugt. Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen werden ebenfalls vorgestellt.

Traditionelle Berechnungen werden gemäß den Bestimmungen für das Last- und Widerstandsfaktordesign (LRFD) der AISC-Norm (AISC 2022) durchgeführt. Die CBFEM-Ergebnisse wurden mit IDEA StatiCa Version 23.0 ermittelt. Die maximal zulässigen Lasten wurden iterativ bestimmt, indem die aufgebrachte Last auf einen Wert angepasst wurde, den das Programm als sicher einstuft, der jedoch bei einer geringfügigen Erhöhung (0,1 kip) als unsicher eingestuft würde, da entweder die 5%-Grenze der plastischen Dehnung oder eine 100%ige Ausnutzung der Schraube oder Schweißnaht überschritten wird. DR-Analysen können dabei helfen, die maximal zulässigen Lasten zu ermitteln. Da jedoch bei der Bewertung des Bemessungswiderstands der Verbindung gewisse Näherungen vorgenommen werden, basieren alle Ergebnisse in diesem Bericht auf der EPS-Analyse.

Anforderungen an lange geschraubte und geschweißte Verbindungen in der AISC-Norm

Experimente und Analysen langer, endseitig belasteter geschraubter und geschweißter Verbindungen haben gezeigt, dass die Spannung in den Schrauben und Schweißnähten nicht gleichmäßig verteilt ist (Kulak et al. 2001, Miller 2003). Die Spannung in den Schrauben und Schweißnähten nahe den Enden der Verbindung ist größer als in der Mitte. Die Spannungsverteilung entlang der Länge hängt von der Steifigkeit der Schrauben oder Schweißnähte im Verhältnis zur Steifigkeit der verbundenen Bauteile ab. Die AISC-Norm erfasst dieses Verhalten durch einfache Festigkeitsabminderungen.

Geschraubte Verbindungen

Die Bemessungstragfähigkeit, \(\phi R_n\), für den Grenzzustand der Schraubenabscherung ist in AISC-Norm Abschnitt J3.7 wie folgt definiert:

\[ \phi R_n = \phi F_{nv} A_{b} \]

wobei:

• \(\phi=0.75\)
• \(F_{nv}\) – Nennschubspannung der Schraube
• \(A_b\) – Nennquerschnittsfläche des ungewindeten Schafts der Schraube

AISC-Norm Tabelle J3.2 listet Werte für die Nennschubspannung von Befestigungselementen und Gewindeteilen, F_nv, auf. Fußnote [c] der Tabelle besagt: „Bei endseitig belasteten Verbindungen mit einer Befestigungsmusterlänge von mehr als 38 in. (950 mm) ist F_nv auf 83,3 % der tabellierten Werte zu reduzieren", und definiert die Befestigungslänge als „den maximalen Abstand parallel zur Kraftlinie zwischen den Mittellinien der Schrauben, die zwei Teile mit einer Kontaktfläche verbinden."

Die Nennschubspannung, F_nv, ist ein Prozentsatz der Zugfestigkeit der Schraube, ­F_u, und wird gemäß dem Kommentar zur AISC-Norm wie folgt berechnet:

• Wenn Gewinde aus den Scherflächen ausgeschlossen sind,

\[ F_{nv} = 0.563 F_u \]

• Wenn Gewinde nicht aus der Scherfläche ausgeschlossen sind,

\[ F_{nv} = 0.45 F_u \]

Der Faktor 0,563 entspricht 0,625, dem Verhältnis von Scher- zu Zugfestigkeit, multipliziert mit 0,90, einem Längenabminderungsfaktor. Der Faktor 0,45 beträgt 80 % von 0,563 und berücksichtigt die reduzierte Fläche des Gewindebereichs. Der Längenabminderungsfaktor von 0,90 berücksichtigt die Dehnungsdifferenz in Verbindungen bis zu 38 in., danach wird der zusätzliche Längenabminderungsfaktor von 0,833 angewendet, was zu einem kombinierten Abminderungsfaktor von 0,90 × 0,833 = 0,75 für Längeneffekte führt. Diese Abminderungsfaktoren basieren auf einer statistischen Analyse von Versuchsdaten aus 79 geschraubten und genieteten Verbindungen aus 11 verschiedenen experimentellen Untersuchungen (Tide, 2010).

Geschweißte Verbindungen

Die Bemessungstragfähigkeit, \(\phi R_n\), für den Grenzzustand des Schweißnahtbruchs ist in AISC-Norm Abschnitt J2.4 wie folgt definiert:

\[ \phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} k_{ds} \]

wobei:

• \(\phi\) – Widerstandsbeiwert
• \(F_{nw}\) – Nennspannung des Schweißguts
• \(A_{we}\) – wirksame Nennfläche der Schweißnaht
• \(k_{ds}\) – Richtungsfestigkeitserhöhungsfaktor

Der Richtungsfestigkeitserhöhungsfaktor, k_ds, wird berechnet als:

\[ k_{ds} = (1.0+0.5 \sin^{1.5} \theta ) \]

wobei \(\theta\) der Winkel zwischen der Wirkungslinie der erforderlichen Kraft und der Längsachse der Schweißnaht ist. Für die in dieser Studie untersuchten Verbindungen gilt \(\theta = 0\) und somit \(k_{ds} = 1\) für die traditionellen Berechnungen. In IDEA StatiCa wird \(\theta\) aus den resultierenden Kräften in jedem Schweißnahtsegment bestimmt und kann von null abweichen (z. B. aufgrund des Poisson-Effekts).

AISC-Norm Tabelle J2.5 gibt Werte für \(\phi\) und F_nw für auf Schub beanspruchte Schweißnähte mit 0,75 bzw. 0,60F_EXX­ an, wobei F­_EXX die Klassifizierungsfestigkeit des Zusatzwerkstoffs ist.

Die wirksame Nennfläche der Schweißnaht, A_we, ist für Kehlnähte in AISC-Norm Abschnitt J2.2a als wirksame Länge multipliziert mit der wirksamen Nahtdicke definiert, wobei die wirksame Nahtdicke der kürzeste Abstand von der Wurzel zur Oberfläche der Schweißnaht ist und die wirksame Länge die Länge der Mittellinie der Schweißnaht entlang der Mitte der Ebene durch die Nahtdicke ist.

AISC-Norm Abschnitt J2.2b(d) enthält folgende Einschränkungen für die wirksame Länge endseitig belasteter Kehlnähte:

• Bei Kehlnähten mit einer Länge bis zum 100-fachen der Nahtgröße darf die wirksame Länge gleich der tatsächlichen Länge angesetzt werden
• Wenn die Länge der Kehlnaht das 100-fache der Nahtgröße überschreitet, ist die wirksame Länge durch Multiplikation der tatsächlichen Länge mit dem Abminderungsfaktor β zu bestimmen, der wie folgt ermittelt wird:

\[ \beta = 1.2-0.002 (l/w) \le 1.0 \]

wobei:

\( l \) – tatsächliche Länge der endseitig belasteten Schweißnaht

\(w\) – Nahtschenkelgröße

• Wenn die Länge der Schweißnaht das 300-fache der Schenkellänge w überschreitet, ist die wirksame Länge mit 180w anzusetzen.

Gemäß dem Kommentar zur AISC-Norm (AISC 2022) ist der Abminderungsfaktor β eine vereinfachte Näherung exponentieller Formeln, die auf langjährigen Versuchen und Finite-Elemente-Modellen basieren, und entspricht der Abminderung im Eurocode (CEN 2005).

Lange geschraubte Verbindungen

Zur Untersuchung des Einflusses der Dehnungsdifferenz auf die Gesamttragfähigkeit langer geschraubter Verbindungen wird eine einfache Zuglaschverbindung verwendet. Die Verbindung besteht aus einer Prüfplatte, die mit zwei Reaktionsplatten über eine einzelne Reihe von Schrauben mit 3/4 in. Durchmesser A325 in Normallöchern verschraubt ist, wobei die Gewinde nicht aus der Scherfläche ausgeschlossen sind. Um den Einfluss der Plattensteifigkeit auf die Kraftverteilung auf die einzelnen Schrauben zu untersuchen, wurden Prüfplattendicken von 1/2 in., 1 in. und 2 in. analysiert. Die Dicke jeder Reaktionsplatte wurde als die Hälfte der Dicke der Prüfplatte angenommen. Die Breite aller Platten betrug 12 in. Eine dreidimensionale Ansicht der Verbindung mit einer Prüfplattendicke von 1 in. und einer Verbindungslänge von 27 in. ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 Dreidimensionale Ansicht der Zuglaschverbindung (Prüfplattendicke = 1 in., Verbindungslänge = 27 in.)

Die Verbindung wurde so bemessen, dass sie durch Schraubenabscherung versagt. Um sicherzustellen, dass die Abschertragfähigkeit der Schraube gegenüber dem Fließen und dem Bruch der Platte maßgebend ist, wurde ein hochfestes Material mit F_y = 100 ksi wurde für die Platten gewählt. Lochleibung und Ausreißen an den Schraubenlöchern wurden überprüft, jedoch durch Materialauswahl sowie ausreichende Schraubenabstände und Randabstände so bemessen, dass diese Versagensmodi nicht maßgebend werden. Der Randabstand in Kraftrichtung betrug 2-1/2 in., und der Schraubenabstand betrug 3 in. für alle Verbindungen.

Siebzehn Verbindungen wurden untersucht, wobei die Länge in 3-in.-Schritten zwischen 3 in. und 51 in. zunahm. Da der Schraubenabstand stets 3 in. betrug, entspricht die Verbindungslänge der Anzahl der verwendeten Schrauben (z. B. haben die 27 in. langen Verbindungen 10 Schrauben). Ein Vergleich der Tragfähigkeit in Abhängigkeit von der Verbindungslänge ist in Abbildung 2 dargestellt, und die Verteilungen der Schraubenabscherkraft (in jeder Scherfläche) für Verbindungslängen von 12 in., 24 in., 36 in. und 48 in. sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die Tragfähigkeit gemäß AISC-Norm steigt linear bis zu einer Verbindungslänge von 36 in. an, danach tritt ein starker Abfall der Tragfähigkeit aufgrund des Längenabminderungsfaktors von 0,833 auf. Nach diesem Punkt steigt die Tragfähigkeit wieder linear an. Die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten stimmen gut mit den AISC-Tragfähigkeiten für kürzere Verbindungslängen überein, aber im Gegensatz zu den AISC-Tragfähigkeiten ist der Tragfähigkeitszuwachs für längere Verbindungen in IDEA StatiCa nichtlinear. Der Grad der Nichtlinearität hängt von der Steifigkeit der Platte ab, da die Steifigkeit der Schrauben und der Platte in IDEA StatiCa realistisch modelliert wird und die ungleichmäßige Verteilung der Schraubenkräfte erfasst.

Die Schraubenabscherkraftverteilungen in Abbildung 3 zeigen den Einfluss der Dehnungsdifferenz auf die Kraft in den einzelnen Schrauben, wie er durch die IDEA StatiCa-Analysen erfasst wird, und wie dieser Effekt durch die Plattensteifigkeit beeinflusst wird. Die Kraft in den Schrauben an den Enden der Verbindung ist am größten und nimmt mit zunehmendem Abstand vom Ende der Verbindung zur Position der Schraube ab. Dieser Effekt ist bei steiferen Platten geringer. 

Bei der expliziten Modellierung der Schrauben- und Plattensteifigkeit in IDEA StatiCa hängt das Ausmaß der Tragfähigkeitsminderung aufgrund von Längeneffekten neben der Verbindungsgeometrie auch von der Größe der Schrauben im Verhältnis zur Größe der Platten ab. Die tatsächliche Tragfähigkeitsminderung hängt ebenfalls von diesen Parametern ab (Kulak et al. 2001). Die vereinfachten Abminderungen in der AISC-Norm hängen nur von der Verbindungslänge ab. IDEA StatiCa zeigt Abminderungen, die größer sind als die in der AISC-Norm angegebenen, wie bei der Verbindung mit der 1/2 in. dicken Prüfplatte gezeigt, sowie Abminderungen, die kleiner sind als die in der AISC-Norm angegebenen, wie bei der Verbindung mit den 1 und 2 in. dicken Prüfplatten für einen Bereich von Verbindungslängen größer als 38 in. Aus diesen Ergebnissen ist klar, dass IDEA StatiCa die Absicht der Längeneffektabminderung aus Fußnote [c] der AISC-Norm Tabelle J3.2 erfasst. Es ist zu beachten, dass der Abminderungsfaktor von 0,9 für Längeneffekte, der in F_nv enthalten ist, in IDEA StatiCa konservativ verwendet wird. Daher werden bei Verbindungen mit einer Länge von weniger als 38 in. die Längeneffekte in IDEA StatiCa im Wesentlichen doppelt berücksichtigt: einmal mit dem Abminderungsfaktor 0,9 und erneut durch die explizite Modellierung der ungleichmäßigen Kraftverteilung in der Schraubengruppe. Der Abminderungsfaktor von 0,9 kann jedoch auch andere Effekte berücksichtigen und sollte ohne weitere Untersuchungen nicht ausgeschlossen werden.

Abbildung 2 Vergleich der Tragfähigkeit in Abhängigkeit von der Verbindungslänge für eine geschraubte Zuglaschverbindung

Abbildung 3 Schraubenabscherkraftverteilungen für Verbindungslängen von 12 in., 24 in., 36 in. und 48 in., für Prüfplattendicken von 1/2 in., 1 in. und 2 in.

Vergleich mit experimentellen Ergebnissen

Um die Untersuchung langer geschraubter Verbindungen zu erweitern, enthält dieser Abschnitt Vergleiche mit zuvor veröffentlichten experimentellen Ergebnissen. Für diese Vergleiche wurden die von den Experimentatoren gemessenen Material- und Geometrieeigenschaften in den Berechnungen und Analysen verwendet. Die von den Experimentatoren ermittelte Schraubenabschertragfähigkeit wurde durch Abscherversuche an einer einzelnen Schraube aus demselben Los wie die Versuchsproben bestimmt. Daher wird für die traditionellen Berechnungen F_nv gleich dem 0,9-fachen der gemeldeten Schraubenabschertragfähigkeit angesetzt, wenn die Verbindungslänge kleiner oder gleich 38 in. ist, und gleich dem 0,833-fachen dieses Wertes (d. h. dem 0,75-fachen der gemeldeten Schraubenabschertragfähigkeit), wenn die Verbindungslänge größer als 38 in. ist. Für die IDEA StatiCa-Analysen wird das Modell so definiert, dass der in den Schraubentragfähigkeitsberechnungen verwendete Wert von F_nv gleich dem 0,9-fachen der gemeldeten Schraubenabschertragfähigkeit ist.

Für die traditionellen Berechnungen wurden keine Widerstandsbeiwerte angewendet. Für die IDEA StatiCa-Analysen wurden die Widerstandsbeiwerte für Material, Schrauben und Schweißnähte in der Normeinstellung auf 1,0 gesetzt.

Bendigo et al. 1963

Bendigo et al. (1963) führten Zugversuche an geschraubten Laschverbindungen durch. Sechzehn Platten unterschiedlicher Breiten und Dicken wurden zwischen zwei Reaktionsplatten auf Zug durch zwei Reihen von Schrauben mit 7/8 in. Durchmesser A325 in Normallöchern mit 15/16 in. Durchmesser belastet. Vier Probekörper, D31, D41, D51 und D61, versagten durch Zugriss der Platte, und die übrigen versagten durch Schraubenabscherung bei mindestens einer Schraube. Die typische Verbindungskonfiguration für die Probekörper in der Studie ist in Abbildung 4(a) dargestellt, und eine dreidimensionale Ansicht des IDEA StatiCa-Modells für Probekörper D101 ist in Abbildung 4(b) dargestellt. Die geometrischen und materialbezogenen Eigenschaften der Versuchsproben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 4 (a) Verbindungskonfiguration für die experimentelle Untersuchung von Bendigo et al. (Bendigo et al., 1963); (b) dreidimensionale Ansicht des IDEA StatiCa-Modells für Probekörper D101

Die sechzehn Probekörper wurden in IDEA StatiCa modelliert. Die Tragfähigkeit jeder Verbindung wurde auch nach traditionellen Berechnungen unter Verwendung der AISC-Normgleichungen mit gemessenen Material- und Geometrieeigenschaften, jedoch ohne Widerstandsbeiwerte, berechnet. Die Ergebnisse des Vergleichs zwischen der experimentellen Tragfähigkeit, P_exp, der IDEA StatiCa-Tragfähigkeit, P_IDEA, und der AISC-Normtragfähigkeit, P_AISC, sind in Tabelle 2 und Abbildung 5 dargestellt.

Die 5%-Grenze der plastischen Dehnung war maßgebend für die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten, und Zugfließen war maßgebend für die AISC-Tragfähigkeiten bei allen Probekörpern. Sowohl die IDEA StatiCa- als auch die AISC-Tragfähigkeiten liegen deutlich unter den experimentellen Tragfähigkeiten. Dies liegt daran, dass bei den experimentellen Versuchen die Versagensmodi Zugriss und Schraubenabscherung bei Lasten auftraten, die weit nach dem Fließen der Platte lagen. Die Versuche von Bendigo et al. (1963) wurden in die Analyse zur Entwicklung der Abminderungsfaktoren für Längeneffekte einbezogen, die in der AISC-Norm erscheinen (Tide 2010). Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, nimmt der Unterschied in der Schraubenkraft zwischen Endschrauben und mittleren Schrauben mit abnehmender Dicke (d. h. abnehmender Plattensteifigkeit) zu. Probekörper, bei denen Schraubenversagen weit nach dem Fließen der Platte auftritt, können übertriebene Längeneffekte aufweisen.

Tabelle 1 Geometrische und materialbezogene Eigenschaften der Versuchsproben für die experimentelle Untersuchung von Bendigo et al. (1963)

Tabelle 2 Vergleich mit der experimentellen Untersuchung von Bendigo et al. (1963)

Abbildung 5 Vergleich mit der experimentellen Untersuchung von Bendigo et al. (1963)

Kulak und Fisher 1968

Kulak und Fisher (1968) führten Zugversuche an langen geschraubten Laschverbindungen durch, bestehend aus einer Prüfplatte, die zwischen zwei Reaktionsplatten mit einer Reihe von A490-Schrauben mit einem Durchmesser von entweder 7/8 in. oder 1-1/8 in. verschraubt war. Diese Versuche wurden ebenfalls in die Analyse zur Entwicklung der Abminderungsfaktoren für Längeneffekte einbezogen, die in der AISC-Norm erscheinen (Tide 2010), verwendeten jedoch im Gegensatz zu den Versuchen von Bendigo et al. (1963) hochfeste Platten.

Die acht Versuchsproben wurden so dimensioniert, dass sie entweder durch Schraubenabscherung oder Plattenriss versagen. Probekörper J071, J131 und J171 versagten durch Plattenriss, und Probekörper J072, J132, J172, J251 und J252 versagten durch Schraubenabscherung. Die typische Verbindungskonfiguration für die Probekörper in der Studie ist in Abbildung 6(a) dargestellt, und eine dreidimensionale Ansicht des IDEA StatiCa-Modells für Probekörper J171 ist in Abbildung 6(b) dargestellt. Die geometrischen und materialbezogenen Eigenschaften der Versuchsproben sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Abbildung 6 Verbindungskonfiguration für die experimentelle Untersuchung von Kulak und Fisher (Kulak und Fisher, 1968); (b) dreidimensionale Ansicht des IDEA StatiCa-Modells für Probekörper J171

Die Probekörper wurden in IDEA StatiCa modelliert. Die Tragfähigkeit jeder Verbindung wurde auch nach traditionellen Berechnungen unter Verwendung der AISC-Normgleichungen mit gemessenen Material- und Geometrieeigenschaften berechnet. Die Ergebnisse des Vergleichs zwischen der experimentellen Tragfähigkeit, P_exp, der IDEA StatiCa-Tragfähigkeit, P_IDEA, und der AISC-Normtragfähigkeit, P_AISC, sind in Tabelle 4 und Abbildung 7 dargestellt.

Die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten sind im Vergleich zu den experimentellen Versuchen in allen Fällen konservativ. Die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten stimmen gut mit den AISC-Tragfähigkeiten für die Probekörper J071, J072, J131 und J171 überein und sind größer als die AISC-Tragfähigkeiten für die Probekörper J132, J172, J251 und J252. Die Verbindungslänge ist für die Probekörper J071 und J072 kürzer als 38 in., daher wird die 83,3%ige Abminderung der Schraubenabschertragfähigkeit nicht angewendet. Für die Probekörper J131 und J171 ist die Verbindungslänge größer als 38 in., aber die Plattensteifigkeit (d. h. die Querschnittsfläche) ist relativ gering. Daher stimmen die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten für diese Fälle mit den AISC-Tragfähigkeiten überein oder liegen leicht darunter. Für die Probekörper J132, J172, J251 und J252 sind die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten größer als die AISC-Tragfähigkeiten, da die Platten steifer sind (d. h. größere Querschnittsflächen aufweisen).

Tabelle 3 Geometrische und materialbezogene Eigenschaften der Versuchsproben für die experimentelle Untersuchung von Kulak und Fisher (1968)

Tabelle 4 Vergleich mit der experimentellen Untersuchung von Kulak & Fisher (1968)

Abbildung 7 Vergleich mit der experimentellen Untersuchung von Kulak und Fisher (1968)

Lange geschweißte Verbindungen

Zur Untersuchung des Einflusses der ungleichmäßigen Spannungsverteilung entlang der Verbindungslänge bei einer auf Zug beanspruchten Schweißnaht wird eine einfache geschweißte Laschverbindung verwendet. Die Verbindung besteht aus einer Prüfplatte, die zwischen zwei Reaktionsplatten mit Kehlnähten an jeder Kante der Reaktionsplatten geschweißt ist. Diese Konfiguration ermöglicht eine zentrisch belastete Schweißnahtgruppe mit insgesamt vier Schweißnahtlinien in der Verbindung. Es ist zu beachten, dass bei der Bewertung der wirksamen Schweißnahtlänge die tatsächliche Schweißnahtlänge der Verbindung gleich der Länge einer einzelnen Schweißnahtlinie in der Gruppe ist.

Schweißnahtgrößen von 3/16 in. (Verbindung A) und 3/8 in. (Verbindung B) wurden untersucht. Die Verbindungen wurden dimensioniert und die Materialeigenschaften so gewählt, dass der Grenzzustand des Schweißnahtbruchs gegenüber dem Zugfließen der Platten bei den traditionellen Berechnungen maßgebend war. Die für die Verbindungen verwendeten geometrischen und materialbezogenen Eigenschaften sind in Tabelle 5 aufgeführt, und eine dreidimensionale Ansicht der Verbindung A mit einer Schweißnahtlänge von 18 in. ist in Abbildung 8 dargestellt.

Tabelle 5 Geometrische und materialbezogene Eigenschaften für geschweißte Verbindungen

Abbildung 8 Dreidimensionale Ansicht einer geschweißten Laschverbindung

Für Verbindung A wurden vierzehn Schweißnahtlängen untersucht, die in 4-in.-Schritten zwischen 10 in. und 62 in. zunahmen. Für Verbindung B wurden dreizehn Schweißnahtlängen untersucht, die in 10-in.-Schritten zwischen 10 in. und 130 in. zunahmen. Ein Vergleich der Tragfähigkeit in Abhängigkeit von der Schweißnahtlänge ist in Abbildung 9 für Verbindung A und in Abbildung 11 für Verbindung B dargestellt. Spannungsverteilungen entlang der Schweißnahtlänge sind für verschiedene Schweißnahtlängen in Abbildung 10 für Verbindung A und in Abbildung 12 für Verbindung B dargestellt.

Verbindung A und Verbindung B zeigen ähnliches Verhalten. Bei kürzeren Schweißnahtlängen stimmen die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten gut mit den traditionellen Berechnungen überein. Mit zunehmender Schweißnahtlänge werden die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten jedoch im Vergleich zu den traditionellen Berechnungen konservativer. Die Tragfähigkeiten aus den traditionellen Berechnungen erreichen ein Plateau bei einer Schweißnahtlänge von 300w, dargestellt durch eine vertikale gestrichelte Linie in Abbildung 9 und Abbildung 11. Die Spannungsverteilung entlang der Schweißnahtlänge ist nichtlinear, da IDEA StatiCa die Steifigkeit der Schweißnaht und der Platte explizit modelliert. Aufgrund dessen und aufgrund der relativ konservativen Last-Verformungs-Beziehung, die in IDEA StatiCa für in Längsrichtung beanspruchte Schweißnähte verwendet wird, erreichen die IDEA StatiCa-Tragfähigkeiten ein Plateau bei Schweißnahtlängen, die deutlich kürzer als 300w sind. Wie in Abbildung 10 und Abbildung 12 gezeigt, weisen kürzere Schweißnähte eine relativ gleichmäßige Spannungsverteilung auf, wobei leicht höhere Spannungen in den Segmenten an den Enden der Schweißnahtlinie auftreten. Mit zunehmender Schweißnahtlänge wird die Spannungsverteilung entlang der Schweißnahtlinie deutlich ungleichmäßiger, mit hohen Spannungen in den Endsegmenten und minimalen Spannungen nahe der Mitte. Der starke Wechsel in der Spannungsverteilung, der in Abbildung 10 und Abbildung 12 für die längeren Schweißnähte zu sehen ist, liegt an der Grenze zwischen Schweißnahtsegmenten, die elastisch bleiben, und Schweißnahtsegmenten, die plastische Verformungen erfahren. Der IDEA StatiCa-Grenzwert für die Schweißnahttragfähigkeit wird festgelegt, wenn die Ausnutzung des am stärksten beanspruchten Schweißnahtsegments 100 % erreicht. Daher kann es bei längeren Schweißnähten große Bereiche der Schweißnahtlinie geben, die bei der Last, die einer 100%igen Ausnutzung des am stärksten beanspruchten Schweißnahtsegments entspricht, geringe Spannungen aufweisen. Das Spannungsverteilungsprofil im IDEA StatiCa-Normnachweis zeigt dieses nichtlineare Verhalten und sollte bei ingenieurtechnischen Beurteilungen der Schweißnahttragfähigkeit in IDEA StatiCa untersucht werden.

Abbildung 9 Tragfähigkeit in Abhängigkeit von der Schweißnahtlänge für Verbindung A

Abbildung 10 Spannungsverteilungen entlang der Schweißnahtlänge für Verbindung A mit Schweißnahtlängen von 18 in., 30 in., 42 in. und 54 in., Einheiten in ksi

Abbildung 11 Tragfähigkeit in Abhängigkeit von der Schweißnahtlänge für Verbindung B

Abbildung 12 Spannungsverteilungen entlang der Schweißnahtlänge für Verbindung B mit Schweißnahtlängen von 20 in., 40 in., 60 in. und 80 in., Einheiten in ksi

Zusammenfassung

Diese Studie bewertet die Tragfähigkeit langer geschraubter und geschweißter Verbindungen anhand traditioneller Berechnungsmethoden der US-amerikanischen Praxis und IDEA StatiCa. Wesentliche Erkenntnisse aus der Studie umfassen:

Für geschraubte Verbindungen:

• IDEA StatiCa modelliert die Steifigkeit der Schrauben und Platten explizit; daher werden Längeneffekte auf natürliche Weise durch die unterschiedlichen erforderlichen Tragfähigkeiten für jede Schraube erfasst und nicht durch Anwendung des einfachen, nur auf der Verbindungslänge basierenden Abminderungsfaktors der AISC-Norm.
• Die Tragfähigkeit in IDEA StatiCa erwies sich in den meisten Fällen als konservativ im Vergleich zur Tragfähigkeit nach traditionellen Berechnungen.
• Die Tragfähigkeit in IDEA StatiCa erwies sich in einigen Fällen als höher als die Tragfähigkeit nach traditionellen Berechnungen, wenn die Verbindungslänge 38 in. überschritt und dickere Platten verwendet wurden.
• Die Tragfähigkeiten aus IDEA StatiCa erwiesen sich im Vergleich zu den physikalischen Versuchen von Bendigo et al. (1963) und Kulak und Fisher (1968) als konservativ.

Für geschweißte Verbindungen:

• IDEA StatiCa modelliert die Steifigkeit der Schweißnähte und Platten explizit; daher werden Längeneffekte auf natürliche Weise durch die unterschiedlichen erforderlichen Tragfähigkeiten für jedes Schweißnahtsegment erfasst und nicht durch Anwendung der einfachen Abminderungsfaktoren, die nur auf dem Verhältnis von Schweißnahtlänge zu Schweißnahtgröße in der AISC-Norm basieren.
• Die Tragfähigkeit in IDEA StatiCa erwies sich im Vergleich zur Tragfähigkeit nach traditionellen Berechnungen für die untersuchten Fälle als konservativ.
• Die Tragfähigkeit in IDEA StatiCa erwies sich bei längeren Schweißnahtlängen als konservativer aufgrund des Einflusses der nichtlinearen Spannungsverteilung zwischen den Schweißnahtsegmenten und der relativ konservativen Last-Verformungs-Beziehung für längsbelastete Schweißnähte, die in den IDEA StatiCa-Analysen verwendet wird.

Literatur

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bendigo, R. A., Hansen, R. M., and Rumpf, J. L. (1963). "Long Bolted Joints." Journal of the Structural Division, ASCE, 89(6), 187–213.

CEN (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures, Comité Européen de Normalisation, Brussels, Belgium.

Kulak, G. L. and Fisher, J. W. (1968). "A514 Steel Joints Fastened by A490 Bolts." Journal of the Structural Division, ASCE, 94(10), 2303-2324.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., Struik, J. H. A. (2001) "Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints" Second Edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Miller, D. K. (2003). "Fillet Welds that are 'Too Long.'" Modern Steel Construction, March.

Tide, R. H. (2010). "Bolt Shear Design Considerations." Engineering Journal, AISC, 47(1), 47-63.