Momentenwiderstand von Stahlanschlüssen mit offenen Querschnitten bei Träger-Stützen-Schweißverbindungen um die starke Achse

Dieser Bericht wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen ISISE (Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering) an der Universität Coimbra  und IDEA StatiCa entwickelt. Dieses Projekt wurde von beiden Einrichtungen gemeinsam finanziert und von folgenden Personen verfasst:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Zusammenfassung

Dieser Bericht präsentiert eine umfassende Analyse von geschweißten Träger-Stützen-Stahlanschlüssen mit besonderem Fokus auf die Komponente Stegblech der Stütze auf Querkraft, unter Verwendung validierter, hochwertiger 3D-FEM-Modelle. Die Studie umfasst momentenbeanspruchte geschweißte Träger-Stützen-Verbindungen mit offenen Querschnitten um die starke Achse, mit und ohne Quersteifen, und deckt einseitige und zweiseitige Verbindungen ab, die sich entweder in einem Zwischengeschoss (innen) oder im obersten Geschoss (Dach) befinden. Bei innenliegenden Verbindungen werden unterschiedliche Niveaus der Stützendruckkraft berücksichtigt. Die Studie umfasst ein breites Spektrum an Situationen hinsichtlich Stützenschlankheit, Verbindungsschlankheitsverhältnis, Verbindungskonfiguration, Steifen, Normalkraft und Momentenverhältnis (bei zweiseitigen Verbindungen). FE-relevante Aspekte wie Materialmodell, Analysetyp, Netzdichte, Anfangsimperfektionen usw. werden ebenfalls berücksichtigt.

Diese Studie umfasst ein Jahr Arbeit in den folgenden Bereichen:

1. Der Parametersatz enthält Fälle mit 30 %, 50 % und 70 % Normalkraftausnutzung.
2. Die Stahlgüten umfassen S235, S275 und S355.
3. Gewalzte Stützen sowie Stützen mit Kehlnaht- und Stumpfnahtschweißungen werden behandelt.
4. Eine umfassende Studie zu den Unterschieden zwischen GMNA und MNA wurde aufgenommen.
5. Eine umfassende Studie zum Einfluss des Materialgesetzes wurde aufgenommen.
6. Der Einfluss von Kehlnähten auf das Verbindungsverhalten wird untersucht.

Zielsetzung

Ziel dieser Studie ist die Bewertung des Biegemomentenwiderstands um die starke Achse von geschweißten Verbindungen in einseitigen und zweiseitigen Träger-Stützen-Konfigurationen mit Bauteilen mit offenem Querschnitt (Träger und Stützen), einschließlich des Einflusses von Quersteifen, unter Verwendung von: i) europäischen Bemessungsregeln, ii) FEA (3D-Volumenelemente) und iii) IDEA StatiCa; sowie dem Vergleich der mit jeder Methode erzielten Ergebnisse.

Methodik

1. Bewertung des Bemessungswiderstands der Stegfeldkomponente für ein breites Spektrum geschweißter Träger-Stützen-Verbindungen mittels hochwertiger 3D-FEM-Modelle, die anschließend als Referenzfälle verwendet werden.
2. Vergleich des Verbindungswiderstands mit CBFEM-Modellen (IDEA StatiCa) auf Basis von Schalenelementen.
3. Diskussion der Möglichkeit, die Funktionen und Standardoptionen von IDEA StatiCa zu verbessern, um einen realistischen und sicheren Widerstandswert zu gewährleisten.
4. Vergleich des Verbindungswiderstands mit Ergebnissen aus Bemessungsformeln des Eurocode 3, aktuelle und zukünftige Versionen.
5. Bewertung der Unterschiede im Momentenwiderstand, die durch das von IDEA StatiCa verwendete Kriterium der 5 % äquivalenten plastischen Dehnung zur Definition des „Bemessungswiderstands" auf der Momenten-Rotations-Kurve entstehen, im Vergleich zu anderen gängigen Kriterien (wie der Abminderung der Sekantensteifigkeit auf 1/3 der Anfangssteifigkeit).

Untersuchte Fragestellungen

• Wie groß ist die Streuung der Ergebnisse?
• Welchen Einfluss haben die verschiedenen Parameter (Schlankheit, Schlankheitsverhältnis, Biegemomentenverhältnis, Quersteifen, Normalkraft usw.) auf diese Ergebnisse?
• Welchen Einfluss haben die Stegkomponenten der Stütze auf diese Ergebnisse?

Ausschlüsse

Eine Zuverlässigkeitsbewertung der Programmergebnisse wird nicht durchgeführt, da dies außerhalb des Umfangs dieser Studie liegt.

Zusammenfassung der Schlussfolgerungen

Die Analyse der Abaqus-Ergebnisse hat folgende Schlussfolgerungen hervorgehoben:

1. Hinsichtlich des Kriteriums der 5 % äquivalenten plastischen Dehnung wurde gezeigt, dass es für diesen Verbindungstyp Widerstandsergebnisse liefert, die denen entsprechen, die aus demselben numerischen Modell mit einer Reduzierung der Sekantensteifigkeit auf 1/3 der Anfangssteifigkeit gewonnen werden.
2. Anfangsimperfektionen spielen eine untergeordnete Rolle im Verhalten der analysierten Verbindungen; geometrische Nichtlinearität (Berechnung nach Theorie 2. Ordnung) sollte jedoch berücksichtigt werden, insbesondere in Fällen, in denen eine Normalkraft vorhanden ist.
3. Die Berücksichtigung von Verfestigung führt zu einer geringen durchschnittlichen Widerstandssteigerung von 4 %, hat jedoch einen großen Einfluss von durchschnittlich etwa 44 % auf die Verbindungsrotation.

Die folgenden Anmerkungen sind für die Implementierung in IDEA StatiCa relevant:

1. IDEA StatiCa liefert mit dem Standard-Netz des Programms (Version 23.1) und MNA (materiell nichtlineare Analyse) Widerstände, die größer sind als die mit Abaqus ermittelten. Im Durchschnitt 6 % größer für gewalzte Stützen mit Stumpfnähten und etwa 11 % für geschweißte Stützen mit Stumpf- oder Kehlnähten. Für gewalzte Stützen mit Kehlnähten sind die Ergebnisse im Durchschnitt identisch mit denen von Abaqus. Die maximalen Abweichungen für einen Einzelfall betragen 22 % (gewalzte Stützen mit Stumpfnähten) und 53 % (geschweißte Stützen mit Stumpfnähten).
   Anmerkung IDEA StatiCa: Diese Situation wird durch zwei in Version 25.0 implementierte Änderungen behoben:
   - Geometrisch nichtlineare Analyse
   - Schweißnahtausbreitungsbereich – reduziert für Stumpfnähte, d. h. der Widerstand von Stützen mit Stumpfnahtschweißungen wird verringert
   
2. IDEA StatiCa mit einem verfeinerten Netz (Halbierung der Standard-Netzgröße) und GMNA (geometrisch und materiell nichtlineare Analyse) liefert Widerstände, die in guter Übereinstimmung (im Durchschnitt innerhalb von ±5 %) mit den Abaqus-Ergebnissen liegen. Die maximalen Abweichungen für einen Einzelfall betragen 15 % (gewalzte Stützen mit Stumpfnähten), 5 % (gewalzte Stützen mit Kehlnähten), 27 % (geschweißte Stützen mit Stumpfnähten) und 14 % (geschweißte Stützen mit Kehlnähten).
   Anmerkung IDEA StatiCa: Die Halbierung des Netzes ist mit den im vorherigen Punkt genannten Änderungen nicht mehr erforderlich.
   
3. Der Einfluss von Anfangsimperfektionen wurde für einseitige innenliegende Verbindungen untersucht und als vernachlässigbar befunden.
   Anmerkung IDEA StatiCa: Dies bedeutet, dass GMNA ausreichend ist und GMNIA für den untersuchten Verbindungsbereich nicht erforderlich ist.
   
4. Eine rein materiell nichtlineare Analyse ohne Effekte 2. Ordnung führt zu nicht konservativen Ergebnissen bei Normalkraft in der Stütze. Daher wird empfohlen, die geometrisch nichtlineare Analyse standardmäßig im Programm zu aktivieren.
   Anmerkung IDEA StatiCa: In Version 25.0 wird die geometrisch nichtlineare Analyse für jede Verbindung verfügbar gemacht. Im kommenden Patch wird ein Hinweis bereitgestellt.
   
5. Die Netzgröße spielt eine wesentliche Rolle für die Genauigkeit der Ergebnisse. Ein möglicher Ansatz zur Schätzung des konvergierten Wertes könnte auf einem automatisierten Prozess basieren, der die Netzgröße halbiert und die Richardson-Extrapolation auf den mit beiden Werten ermittelten Momentenwiderstand anwendet.
   Anmerkung IDEA StatiCa: Die Richardson-Extrapolation ist bei der Bestimmung der Lastwiderstände möglich. Bei bestandenen/nicht bestandenen Nachweisen ist sie jedoch nicht möglich. Mit den zuvor genannten Änderungen in Version 25.0 liefert das Standard-Netz bereits hinreichend genaue Ergebnisse. 
6. Das von IDEA StatiCa implementierte Materialmodell (mit einer Verfestigungssteigung von E/1000) führt im Vergleich zu den Ergebnissen mit einem ideal elastisch-plastischen Material zu einer durchschnittlichen Steigerung des Momentenwiderstands von 3 %.

Den vollständigen Bericht finden Sie im Anhang.

Anhänge zum Download

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)