Geschweißte Rahmenecke eines Portaltragwerks

Beschreibung

In diesem Kapitel wird die komponentenbasierte Methode der finiten Elemente (CBFEM) für eine geschweißte Rahmenecke eines Portaltragwerks anhand der Komponentenmethode (CM) verifiziert. Ein Träger mit offenem Querschnitt ist an eine Stütze mit offenem Querschnitt geschweißt. Die Stütze ist mit zwei horizontalen Steifen gegenüber den Trägerflanschen ausgesteift. Druckbeanspruchte Platten, z. B. horizontale Steifen der Stütze, das Stützenstegfeld auf Querkraft und der gedrückte Trägerflansch, sind auf Querschnittsklasse 3 begrenzt, um Beulen zu vermeiden. Der Rafter wird durch Querkraft und Biegemoment beansprucht.

Analytisches Modell

In der Studie werden fünf Komponenten untersucht: das Stegfeld auf Querkraft, den Stützensteg auf Querdruck, den Stützensteg auf Querzug, den Stützenflansch auf Biegung und den Trägerflansch auf Druck. Alle Komponenten werden gemäß EN 1993-1-8:2005 bemessen. Kehlnähte werden so bemessen, dass sie nicht die schwächste Komponente der Verbindung darstellen. Die Verifikationsstudie einer Kehlnaht in einem ausgesteiften Träger-Stützen-Anschluss ist in Kapitel 4.4 enthalten.

Stegfeld auf Querkraft

Die Dicke des Stützenstegs ist durch die Schlankheit begrenzt, um Stabilitätsprobleme zu vermeiden; siehe EN 1993‑1‑8:2005, Abschn. 6.2.6.1(1). Ein Stützenstegfeld auf Querkraft der Querschnittsklasse 4 wird in Kapitel 6.2 untersucht. Zwei Beiträge zur Tragfähigkeit werden berücksichtigt: der Widerstand des Stützenstegfeldes auf Querkraft und der Beitrag aus dem Rahmenmechanismus der Stützenflansche und horizontalen Steifen; siehe EN 1993‑1‑8:2005, Abschn. 6.2.6.1 (6.7 und 6.8).

Stützensteg auf Querdruck

Der Einfluss der Interaktion mit der Querkraftbeanspruchung wird berücksichtigt; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Der Einfluss der Längsspannung im Stützenstegfeld wird berücksichtigt; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.2(2). Die horizontalen Steifen sind in der Tragfähigkeit dieser Komponente enthalten.

Stützensteg auf Querzug

Der Einfluss der Interaktion mit der Querkraftbeanspruchung wird berücksichtigt; siehe EN 1993-1-8:2005, Abschn. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Die horizontalen Steifen sind in der Tragfähigkeit dieser Komponente enthalten.

Stützenflansch auf Biegung

Horizontale Steifen stützen den Stützenflansch; diese Komponente wird nicht berücksichtigt.

Trägerflansch auf Druck

Der horizontale Träger wird so bemessen, dass er mindestens Querschnittsklasse 3 aufweist, um Beulen zu vermeiden.

Eine Übersicht der betrachteten Beispiele und des Materials ist in Tab. 9.1.1 angegeben. Die Geometrie der Verbindung mit Abmessungen ist in Abb. 9.1.1 dargestellt. Die in der Studie betrachteten Parameter sind der Trägerquerschnitt, der Stützenquerschnitt und die Dicke des Stützenstegfeldes.

Tab. 9.1.1 Übersicht der Beispiele

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

Numerisches Modell

In jeder Schicht eines Integrationspunkts wird der nichtlinear elastisch-plastische Materialzustand untersucht. Die Bewertung basiert auf der maximalen Dehnung, die gemäß EN 1993-1-5:2006 mit einem Wert von 5 % festgelegt ist.

Globales Verhalten

Der Vergleich des globalen Verhaltens einer Momentenverbindung eines Portaltragwerks, beschrieben durch das Momenten-Rotations-Diagramm, wird dargestellt. Die wesentlichen Kenngrößen des Momenten-Rotations-Diagramms sind die Anfangssteifigkeit, der elastische Widerstand und der Bemessungswiderstand. Im Beispiel ist ein Träger mit offenem Querschnitt IPE 330 an eine Stütze HEB 260 geschweißt. Eine Momentenverbindung eines Portaltragwerks mit horizontalen Steifen in der Stütze wird nach der Komponentenmethode als starrer Anschluss mit S_j,ini = ∞ betrachtet. Daher wird ein Anschluss ohne horizontale Steifen in der Stütze analysiert. Das Momenten-Rotations-Diagramm ist in Abb. 9.1.2 dargestellt, und die Ergebnisse sind in Tab. 9.1.2 zusammengefasst. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung bei der Anfangssteifigkeit und dem globalen Verhalten des Anschlusses.

Tab. 9.1.2 Rotationssteifigkeit einer Momentenverbindung eines Portaltragwerks in CBFEM und CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

Verifikation des Widerstands

Die mit CBFEM berechneten Ergebnisse werden mit der CM verglichen. Der Vergleich konzentriert sich auf den Bemessungswiderstand und die maßgebende Komponente. Die Studie wird für drei verschiedene Parameter durchgeführt: Trägerquerschnitt, Stützenquerschnitt und Dicke des Stützenstegfeldes.

Im Beispiel, bei dem der Parameter der Trägerquerschnitt ist, wird eine Stütze mit offenem Querschnitt HEB 260 verwendet. Die Stütze ist mit zwei horizontalen Stützensteife der Dicke 10 mm gegenüber den Trägerflanschen ausgesteift. Die Breite der Steifen entspricht der Breite des Trägerflansches. Die Träger-IPE-Querschnitte werden von IPE 140 bis IPE 500 ausgewählt. Die Ergebnisse sind in Tab. 9.1.3 dargestellt. Der Einfluss des Trägerquerschnitts auf den Bemessungswiderstand einer geschweißten Momentenverbindung eines Portaltragwerks ist in Abb. 9.1.4 dargestellt. Maßgebende Komponenten in CBFEM waren Trägerflansche, Stützenflansch und Stützensteg. Abb. 9.1.3 zeigt das Modell eines der Beispiele mit Beschriftung der Flansche.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

Tab. 9.1.3 Bemessungswiderstände und maßgebende Komponenten in CBFEM und CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

Im Beispiel, bei dem der Parameter der Stützenquerschnitt ist, wird ein Träger mit offenem Querschnitt IPE330 verwendet. Die Stütze ist mit zwei horizontalen Stützensteife der Dicke 10 mm gegenüber den Trägerflanschen ausgesteift. Die Breite der Steifen entspricht der Breite des Trägerflansches. Die kombinierte Breite der Steifen beträgt 160 mm. Die Stützenquerschnitte werden von HEB 160 bis HEB 500 ausgewählt. Die Ergebnisse sind in Tab. 9.1.4 dargestellt. Der Einfluss des Stützenquerschnitts auf den Bemessungswiderstand einer geschweißten Momentenverbindung eines Portaltragwerks ist in Abb. 9.1.5 dargestellt.

Tab. 9.1.4 Bemessungswiderstände und maßgebende Komponenten einer Momentenverbindung in CBFEM und CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

Das dritte Beispiel zeigt eine Momentenverbindung eines Portaltragwerks aus einem Träger mit offenem Querschnitt IPE 330 und einer Stütze HEA 320. Der Parameter ist die Dicke des Stützenstegs. Die Stütze ist mit zwei horizontalen Stützensteife der Dicke 10 mm und Breite 160 mm ausgesteift. Die Stützenstegdicke wird von 4 bis 16 mm gewählt. Die Ergebnisse sind in Tab. 9.1.5 zusammengefasst. Der Einfluss der Stützenstegdicke auf den Bemessungswiderstand einer geschweißten Momentenverbindung eines Portaltragwerks ist in Abb. 9.1.6 dargestellt.

Tab. 9.1.5 Bemessungswiderstände und maßgebende Komponenten einer Momentenverbindung in CBFEM und CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

Um die Genauigkeit des CBFEM-Modells zu veranschaulichen, werden die Ergebnisse der Parameterstudien in einem Diagramm zusammengefasst, das die Widerstände von CBFEM und Komponentenmethode vergleicht; siehe Abb. 9.1.7. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abweichung zwischen den beiden Berechnungsmethoden weniger als 5 % beträgt, was einen allgemein akzeptablen Wert darstellt. Die Studie mit dem Parameter Stützenstegdicke ergibt für das CBFEM-Modell einen höheren Widerstand im Vergleich zur Komponentenmethode. Diese Abweichung ist auf die Berücksichtigung geschweißter Querschnitte zurückzuführen. Die Übertragung der Querkraftbeanspruchung wird in der Komponentenmethode nur im Steg berücksichtigt, während der Beitrag der Flansche vernachlässigt wird.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

Benchmark-Beispiel

Eingaben

Stütze

• Stahl S235
• HEB260

Träger

• Stahl S235
• IPE330

Stützensteife

• Dicke t_s = 19 mm
• Breite 80 mm
• Gegenüber den Trägerflanschen

Schweißnaht

• Trägerflansch: Kehlnaht-Nahtdicke a_f  = 8 mm
• Trägersteg: Kehlnaht-Nahtdicke a_w  = 8 mm
• Stumpfnaht um die Steifen

Ergebnisse

• Bemessungswiderstand auf Biegung M_Rd = 146 kNm
• Maßgebende Komponente: Trägerflansch 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]