CTICM-Bericht: Unterschiede in den Verbindungsergebnissen verstehen

Komponentenmethode

Bei der traditionellen Komponentenmethode wird ein Stahlanschluss in einzelne mechanische Komponenten zerlegt, von denen jede eine bestimmte Verformungsform repräsentiert (z. B. Schraube auf Zug, Stirnplattenbiegung, Stützenflanschbiegung, Stützensteg auf Zug oder Druck).

Jeder Komponente wird eine analytisch geschlossene Steifigkeit und eine einfache Kraft-Verformungs-Beziehung zugewiesen. Das globale Verbindungsverhalten wird anschließend durch die Zusammensetzung dieser Komponenten ermittelt.

Komponentenbasierte Methode der finiten Elemente

CBFEM (Component-based finite element method) kombiniert die Genauigkeit der Finite-Elemente-Analyse mit der Klarheit und der normbasierten Philosophie der Komponentenmethode.
Das Prinzip ist einfach:

• Bleche und Schweißnähte → als Schalen-Finite-Elemente modelliert
• Schrauben, Anker und ähnliche Befestigungselemente → als Komponenten im Sinne der Komponentenmethode beibehalten

Unabhängige Bewertung durch CTICM

Das CTICM, das französische technische Institut für den Stahlbau, führte eine Überprüfung von IDEA StatiCa durch, indem es CBFEM-Ergebnisse mit der Eurocode-Komponentenmethode verglich, die in der von CTICM entwickelten Software Platinex angewendet wird. Die Studie untersuchte mehrere typische Stahlanschlüsse mit Schwerpunkt auf Verbindungstragfähigkeit, Schraubenkräften und dem allgemeinen Tragverhalten. Durch die vergleichende Bewertung aller Ansätze konnte CTICM feststellen, woher die Unterschiede stammen, und die Zuverlässigkeit sowie Konsistenz der Ergebnisse von IDEA StatiCa bestätigen.

Geschraubte Blech-an-Blech-Verbindung

Bei der Träger-an-Träger-Verbindung unter Zugbeanspruchung zeigen die obere und untere Schraubenreihe in beiden Ansätzen nahezu identische Kräfte, mit Abweichungen unter 1%. 

Die mittlere Reihe weicht jedoch um etwa 2–5 % ab. In IDEA StatiCa sind die Schraubenkräfte nicht gleichmäßig verteilt, da sich plastische Dehnungen in den Blechbereichen um die Schrauben entwickeln, was die durch die mittlere Reihe übertragene Kraft geringfügig reduziert.

Beim Vergleich momentenbeanspruchter Verbindungen ist die Tragfähigkeit der Schraubenreihe, die am weitesten von der Druckzone entfernt ist (die Zugseite), in beiden Methoden sehr ähnlich, und beide prognostizieren dieselbe Versagensart in der Zugschraube. Unterschiede zeigen sich in den verbleibenden Schraubenreihen, wo sich die Kräfte unterschiedlich umlagern. 

Dieses Verhalten erklärt sich durch den Unterschied zwischen einem nichtlinearen 3D-Modell in IDEA StatiCa und dem idealisierten 2D-Ansatz der Komponentenmethode. Das CBFEM-Modell erfasst die realistische Blechverformung und Spannungsverteilung über den Anschluss, was naturgemäß zu einer anderen Kraftverteilung zwischen den Schraubenreihen führt.

Winkel geschraubt an Knotenblech

Bei der Winkel-an-Knotenblech-Verbindung unter Zugbeanspruchung prognostizieren beide Methoden nahezu identische Tragfähigkeiten und denselben Versagensmechanismus. IDEA StatiCa identifiziert plastische Verformungen im Winkelschenkel, die den 5%-Dehnungsgrenzwert überschreiten, während die Komponentenmethode Versagen im Winkel anzeigt. Die von IDEA StatiCa berechnete Tragfähigkeit ist geringfügig niedriger (6 %).

Geschraubte Winkel-Querkraftverbindung

Für die meisten Querkraftverbindungsfälle liegen die Ergebnisse von IDEA StatiCa und der Komponentenmethode sehr nahe beieinander, typischerweise innerhalb von 3 %. Die einzige nennenswerte Ausnahme ist Konfiguration 3, bei der ein Träger an den Steg einer Durchlaufstütze angeschlossen wird. In dieser Situation prognostiziert IDEA StatiCa eine etwas höhere Tragfähigkeit als die Eurocode-Methode.

Ein wesentlicher Aspekt von Querkraftverbindungen in IDEA StatiCa ist das Auftreten unerwarteter Zugkräfte. Obwohl nur Querkraft aufgebracht wird, verformt sich die Verbindung so, dass eine kleine Biegedrehung entsteht, wie im Verformungsmodell sichtbar. Diese Verformung verschiebt das innere Kräftegleichgewicht und erzeugt Zugkräfte in einigen Schrauben, da Schrauben als nichtlineare Federn definiert sind, die auf Zug und Querkraft aktiviert werden.

Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass die prognostizierten Kräfte empfindlich auf die Definition der Position des Momentennullpunkts reagieren. Kleine Unterschiede in diesem Bezugspunkt können zu merklichen Änderungen der resultierenden Schraubenkräfte führen.

Fazit

Die CTICM-Überprüfung bestätigte, dass die Ergebnisse von IDEA StatiCa durchgehend nahe an den Platinex-Berechnungen liegen, mit Abweichungen typischerweise innerhalb von ±15 %. In den meisten Fällen liefert IDEA StatiCa geringfügig konservativere Ergebnisse, was aus Sicherheitsperspektive vorteilhaft ist. Die verbleibenden Unterschiede sind vollständig durch den Gegensatz zwischen der nichtlinearen 3D-Finite-Elemente-Modellierung in IDEA StatiCa und den analytischen Vereinfachungen der Eurocode-Komponentenmethode erklärbar. Insgesamt zeigte die Bewertung, dass IDEA StatiCa gut mit der französischen Ingenieurpraxis übereinstimmt und zuverlässige, transparente tragwerksbezogene Bewertungen liefert.