Vorqualifizierte Verbindungen für seismische Anwendungen

12.1 EQUALJOINTS-Projekt

Das europäische Forschungsprojekt EQUALJOINTS liefert Vorqualifizierungskriterien für Stahlanschlüsse für die nächste Version von EN 1998-1. Die Forschungsaktivitäten umfassten die Standardisierung von Bemessungs- und Herstellungsverfahren für eine Reihe von geschraubten Verbindungstypen sowie einen geschweißten reduzierten Trägerquerschnitt mit schweren Profilen, die für unterschiedliche Leistungsniveaus ausgelegt sind. Darüber hinaus wurde ein neues Belastungsprotokoll für die europäische Vorqualifizierung entwickelt, das die europäische seismische Beanspruchung repräsentiert. Die experimentelle Kampagne zur zyklischen Charakterisierung sowohl von europäischem Baustahl als auch von hochfesten Schrauben erreichte das erforderliche Verhalten für vier Typen vorqualifizierter Verbindungen: Voutenverbindungen mit Schrauben, unversteiften verlängerten Stirnplattenverbindungen mit Schrauben, versteiften verlängerten Stirnplattenverbindungen mit Schrauben und geschweißten Verbindungen mit reduziertem Trägerquerschnitt; siehe Abb. 12.1.1. Die im Rahmen des EQUALJOINTS-Projekts experimentell erzielten Ergebnisse sind in (Stratan et al. 2017) und (Tartaglia und D'Aniello, 2017) zusammengefasst.

Abb. 12.1.1 Im EQUALJOINTS-Projekt vorqualifizierte Tragwerksverbindungen

12.2 Stirnplattenverbindungen

Verlängerte versteifte Stirnplattenverbindungen mit Schrauben sind in der europäischen Stahlbauindustrie am weitesten verbreitet und werden in der europäischen Praxis als momentensteife Verbindungen in niedrigen und mittelhohen Stahlrahmen eingesetzt, da sie einfach und wirtschaftlich herzustellen und zu montieren sind. Die Bemessungskriterien und zugehörigen Anforderungen für geschraubte verlängerte versteifte Stirnplatten-Träger-Stützen-Verbindungen wurden eingehend untersucht und kritisch diskutiert und sind derzeit in EN 1998-1:2005 auf Basis einer parametrischen Studie mit Finite-Elemente-Analysen kodifiziert. Leider wurde das Kapazitätsbemessungsverfahren nur im Rahmen der Komponentenmethode entwickelt. Es berücksichtigt auch das Vorhandensein von Rippen und ist in der Lage, das Verbindungsverhalten für unterschiedliche Leistungsniveaus zu steuern.

Unversteiften verlängerten Stirnplattenverbindungen werden im Stahlbau häufig verwendet, um Stahl-I- oder H-Träger mit Stahl-I- oder H-Stützen zu verbinden, wenn erhebliche Biegemomente übertragen werden müssen. Diese Konfiguration ermöglicht eine einfache Montage durch Verschrauben, während das Schweißen der Stirnplatte an den Träger in der Werkstatt automatisiert erfolgt. Die Biegetragfähigkeit der Verbindung ist meist geringer als die Biegetragfähigkeit der angeschlossenen Bauteile. Daher gelten solche Verbindungen als teilweise tragfähig. Eine Situation gleicher Tragfähigkeit, bei der die plastische Tragfähigkeit der Verbindung in etwa der plastischen Tragfähigkeit des Trägerquerschnitts entspricht, kann durch geeignete Bemessung erreicht werden. Ihre Duktilität in Biegung hängt stark von der konstruktiven Durchbildung der Verbindungen ab, die die Versagensform beeinflusst (Jaspart, 1997). Wenn das die Versagensform bestimmende Verbindungsbauteil ein duktiles ist und die Tragfähigkeit der spröden aktiven Bauteile deutlich höher ist, kann ein duktiles Verbindungsverhalten erreicht werden. Im entgegengesetzten Fall sollte nicht auf die Fähigkeit der Verbindung vertraut werden, plastische Gelenke zu bilden und innere Kräfte umzuverteilen, um in einem Erdbebengebiet Energie zu absorbieren.

Für geschweißte momentensteife Verbindungen mit reduziertem Trägerquerschnitt, auch als Dog-Bone bezeichnet, wurden zwei Hauptstrategien verfolgt: die Verstärkung der Verbindung oder die Schwächung des Trägers. Von diesen beiden Optionen für das Profil der Querschnittsreduzierung neigt der Radiusschnitt dazu, ein relativ duktileres Verhalten zu zeigen und den endgültigen Bruch zu verzögern (Jones et al. 2002). Die Arbeit zeigte jedoch, dass Bauteile mit reduziertem Trägerquerschnitt aufgrund der verringerten Fläche ihrer Flansche anfälliger für Biegedrillknicken sind. Weitere experimentelle und analytische Untersuchungen mit Schwerpunkt auf der Anwendung tiefer Stützen (Zhang und Ricles, 2006) zeigten, dass das Vorhandensein einer Verbunddecke die in der Stütze entstehende Verdrehung erheblich reduzieren kann, da sie den Träger aussteift und die seitliche Verschiebung des Untergurts verringert.

Gemäß dem im Rahmen des Projekts EQUALJOINTS entwickelten Bemessungsverfahren besteht die Verbindung aus drei Makrokomponenten: dem Stegfeld der Stütze, der Anschlusszone und der Trägerzone; siehe Abb. 12.2.1. Jede Makrokomponente wird individuell nach spezifischen Annahmen bemessen, und anschließend werden Kapazitätsbemessungskriterien angewendet, um drei verschiedene Bemessungsziele zur Bewertung der Verbindung zu erhalten: volltragende, gleichtragende und teiltragende Verbindungen. Volltragende Verbindungen sind so bemessen, dass alle plastischen Verformungen im Träger entstehen, was den Kapazitätsbemessungsregeln von EN 1998-1:2005 (starke Stütze – schwacher Träger) entspricht. Gleichtragende Verbindungen sind theoretisch durch das gleichzeitige Fließen aller Makrokomponenten gekennzeichnet, d. h. Anschluss, Stegfeld und Träger. Teiltragende Verbindungen sind so bemessen, dass die plastische Verformung nur im Anschluss oder im Stegfeld der Stütze entsteht. Entsprechend der Tragfähigkeit der Anschluss- und Stegfeld-Makrokomponenten kann für gleichtragende und teiltragende Verbindungen eine zusätzliche Klassifizierung eingeführt werden. Bei einem starken Stegfeld konzentriert sich die plastische Beanspruchung bei teiltragenden Verbindungen im Anschluss oder bei gleichtragenden Verbindungen im Anschluss und im Träger. Bei einem ausgeglichenen Stegfeld verteilt sich die plastische Beanspruchung bei teiltragenden Verbindungen zwischen Anschluss und Stegfeld der Stütze und bei gleichtragenden Verbindungen auf Anschluss, Stegfeld und Träger. Bei einem schwachen Stegfeld konzentriert sich die plastische Beanspruchung bei teiltragenden Verbindungen im Stegfeld der Stütze oder bei gleichtragenden Verbindungen im Stegfeld und im Träger.

Abb. 12.2.1 Aufteilung der Verbindung in Makrokomponenten

Die Duktilität der Verbindung hängt von der Art der Versagensform und der entsprechenden plastischen Verformungskapazität der aktivierten Komponente ab. Die Verformungskapazität kann durch Erfüllung der entwickelten Kriterien für die Komponentenmethode (CM) näherungsweise vorhergesagt oder durch CBFEM genauer berechnet werden. Die nachfolgend dargestellten Beispiele zur Bemessung zweier vorqualifizierter Verbindungskonfigurationen, die in den EQUALJOINTS-Projektunterlagen und in der Norm ANSI/AISC358-16 beschrieben sind, berücksichtigen das Verhalten der Makrokomponenten separat.

12.2.1 Validierung

Die CBFEM-Modelle für Steifigkeit, Tragfähigkeit und Verformungskapazität vorqualifizierter Verbindungen wurden von Montenegro (2017) anhand einer Reihe von Versuchen aus dem EQUALJOINTS-Projekt validiert. Beispiele für konstruktive Lösungen sind in Abb. 12.2.2 dargestellt. Die Ergebnisse der Validierung der Versagensform sind in Abb. 12.2.3 dargestellt. Die Zusammenfassung der Validierung von Tragfähigkeit und Verformungskapazität für 15 % Dehnung ist in Abb. 12.2.4 und 12.2.5 dargestellt.

Abb. 12.2.2 Für Validierung und Verifikation verwendete Verbindungen: a) EH2-TS-35-M und EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M und ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M und E2-TS-E-M

Abb. 12.2.3 Validierung der Versagensform von CBFEM an verlängerten Stirnplattenverbindungen mit Voute E1-TS-F-C2 (Tartaglia und D'Aniello, 2017)

Abb. 12.2.4 Validierung der Tragfähigkeit von CBFEM anhand von Versuchen aus dem EQUALJOINTS-Projekt

Abb. 12.2.5 Validierung der Rotationskapazität von CBFEM anhand von Versuchen aus dem EQUALJOINTS-Projekt

12.2.2 Verifikation

Das CBFEM-Modell wurde gemäß Kap. 6 in EN 1993-1-8:2006 mit der CM verifiziert. Eine Auswahl der Ergebnisse ist in Tab. 12.2.1 und Abb. 12.2.6 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen den Genauigkeitsverlust der CM bei größeren Verbindungen, bei denen die grobe Annahme des Hebelarms die Genauigkeit bestimmt.

Tab. 12.2.1 Verifikation von CBFEM mit CM

Abb. 12.2.6 Verifikation der Tragfähigkeit von CBFEM mit CM

Drei einseitige Voutenverbindungen werden in (Landolfo et al. 2017) und (Equaljoints application) ausführlicher beschrieben. Die Verbindungen werden sowohl durch positive als auch negative Biegemomente und entsprechende Querkraftbelastung beansprucht. Die Stegfelder der Stützen sind durch Stegbleche verstärkt, sodass die maßgebenden Komponenten die T-Stücke der Stirnplatte oder des Stützenflansches sind. Die Rotationsachsen werden für positive Biegemomente in der Mitte des oberen Trägerflansches und für negative Biegemomente in der Mitte der Voute angenommen. Die Position des plastischen Gelenks wird an der Vorderkante der Versteifungsplatte am Ende der Voute angenommen. Das Biegemoment an der Stützenvorderkante, das für den Nachweis der Verbindung verwendet wird, wird durch die entsprechende Querkraftbelastung erhöht; siehe Abb. 12.2.7.

Abb. 12.2.7 Position des plastischen Gelenks, Verlauf des Biegemoments in der Voutenverbindung

Tab. 12.2.2 Tragfähigkeit der Komponenten nach CM für Voutenverbindungen

Der Verfestigungsfaktor wurde entsprechend dem Vorschlag von EN 1993-1-8:2006 und dem Abschlussbericht des EQUALJOINTS-Projekts mit 1,2 gewählt (EN 1998-1:2005 empfiehlt den Wert 1,1). Der Überfestigkeitsfaktor wurde mit 1,25 angenommen (Landolfo et al. 2017). Alle Stähle waren der Güte S355. Die Tragfähigkeiten der einzelnen Komponenten sind in Tab. 12.2.2 zusammengefasst. Die fett gedruckten Nachweise sind nicht erfüllt. Es ist zu beachten, dass die Voutentraglast die plastische Tragfähigkeit des Trägerquerschnitts mit der Voute an der Stirnplatte ist. Die Tragfähigkeit des Trägers wird am Ort des plastischen Gelenks mit dem Überfestigkeitsfaktor erhöht, nicht jedoch an der Stirnplatte. Wenn der Überfestigkeitsfaktor auch an der Stirnplatte angewendet würde, wäre diese Tragfähigkeit höher. Daher wurde die nächstniedrigere Tragfähigkeit, das T-Stück – Stirnplatte, als maßgebend für die Verbindungstragfähigkeit von Verbindung Nr. 267 angenommen. Keine der untersuchten Verbindungen erfüllt die Anforderung für eine volltragende Verbindung. Die Tragfähigkeit ist jedoch sehr nahe daran, und die Verbindungen sind gleichtragende Verbindungen. Das Stegfeld der Stütze ist in allen Fällen stark.

Die maßgebende Versagensform nach CBFEM ist das Versagen der Schrauben mit Fließen der Bleche, hauptsächlich Stirnplatte, Stützenflansch und Voute. Gemäß CBFEM sind die Verbindungen Nr. 4.2 und Nr. 264 volltragende und Verbindung Nr. 267 eine gleichtragende Verbindung. Die Stegfelder der Stützen sind in allen Fällen stark.

Abb. 12.2.8 Dehnungen bei der Tragfähigkeit für a) die gesamte Verbindung, b) nur die Makrokomponente geschraubte Stirnplattenverbindung, c) nur die Makrokomponente Stützenstegfeld auf Querkraft mit Stegblechen, d) nur die Makrokomponente Träger

12.2.3 Unversteiften verlängerte Stirnplattenverbindungen

Für eine Sensitivitätsstudie wurde eine vorqualifizierte unversteiften verlängerte Stirnplattenverbindung ausgewählt. Der Träger IPE 450 wird mit der Stütze HEB 300 durch eine verlängerte Stirnplatte von 25 mm Dicke mit zwölf Schrauben M30 10.9 verbunden, mit und ohne Stegblech von 10 mm Dicke. Für alle Bleche wurde Stahlgüte S 355 verwendet. Um den Beitrag jeder Makrokomponente separat zu bestimmen, war das Werkstoffdiagramm der ausgewählten Makrokomponente elastoplastisch, während der Rest der Verbindung nur ein elastisches Werkstoffdiagramm aufwies. Die Dehnungen bei der Tragfähigkeit der gesamten Verbindung, des Stützenstegfelds auf Querkraft mit Stegblechen und der geschraubten Stirnplattenverbindung werden in Abb. 12.2.8 mit der Makrokomponente Träger verglichen. Der Einfluss jeder Makrokomponente auf das Verhalten der Verbindung ist in Abb. 12.2.9 dargestellt, wo das Stützenstegfeld mit und ohne Stegbleche gezeigt wird. Das Verbindungsverhalten zeigt eine höhere Tragfähigkeit der Anschluss-Makrokomponente.

Abb. 12.2.9 Einfluss der Makrokomponenten – Stützenstegfeld mit Stegblechen auf Querkraft,
die geschraubte Stirnplattenverbindung und Träger – auf das Verhalten der gesamten Verbindung

12.2.4 Lage des Druckmittelpunkts

Für Stirnplattenverbindungen legt EN 1993-1-8:2006 fest, dass der Druckmittelpunkt in der Mitte der Dicke des Trägerflansches liegt, oder bei Voutenverbindungen an der Spitze der Voute. Experimentelle und numerische Ergebnisse zeigten, dass die Lage des Druckmittelpunkts sowohl vom Verbindungstyp als auch von der Rotationsbeanspruchung abhängt, bedingt durch die Ausbildung plastischer Versagensmodi mit unterschiedlicher Aktivierung der einzelnen Verbindungskomponenten (Landolfo et al. 2017). Gemäß dem vorgeschlagenen CM-Bemessungsverfahren und auf Basis sowohl experimenteller als auch numerischer Ergebnisse wird für versteifte Stirnplattenverbindungen ein Kontakt etwa im Schwerpunkt des Querschnitts aus Trägerflansch und Rippensteifern erwartet, oder bei Voutenverbindungen bei etwa 0,5 der Voutenhöhe. Diese grobe Annahme wird durch das CBFEM-Verfahren präzisiert, das korrekte Werte während der Belastung und des anfänglichen Fließens von Teilen einer Verbindung liefert.

Die dargestellten Ergebnisse zeigen die gute Genauigkeit von CBFEM, das mit ROFEM verifiziert und an EQUALJOINTS-Versuchen sowie der CM validiert wurde. Es bietet die Möglichkeit, das Verhalten der Makrokomponenten separat und die Lage der Nulllinien entsprechend der Belastung/Plastifizierung genau zu berücksichtigen.

12.3 Geschweißte Verbindung mit reduziertem Trägerquerschnitt

Für diese Studie wurde eine vorqualifizierte geschweißte Verbindung mit reduziertem Trägerquerschnitt gemäß ANSI/AISC 358-16 ausgewählt. Der Träger IPE 450 wird mit der Stütze HEB 300 durch Stumpfnähte an den Flanschen und ein Fahnenblech von 12 mm Dicke mit drei vorgespannten Schrauben M30 10.9 verbunden, mit und ohne Stegblech von 10 mm Dicke; siehe Abb. 12.3.1. Alle verwendeten Stähle sind der Güte S355.

Die Dehnungen bei der Grenztragfähigkeit der gesamten Verbindung und der Makrokomponente Stützenstegfeld auf Querkraft mit Stegblechen sind in Abb. 12.3.2 dargestellt. Der Einfluss jeder Makrokomponente auf das Verhalten der Verbindung ist in Abb. 12.3.3 dargestellt, wo das Stützenstegfeld mit und ohne Stegbleche gezeigt wird. Die Verbindung zeigt, dass die Tragfähigkeiten der Verbindungs-Makrokomponenten gut optimiert sind.

Abb. 12.3.1 Verbindung mit reduziertem Trägerquerschnitt, a) Träger mit reduziertem Querschnitt, b) das Stützenstegfeld mit Stegblechen auf Querkraft, die geschraubte Stirnplattenverbindung,

Abb. 12.3.2 Dehnungen bei der Tragfähigkeit für a) die gesamte Verbindung und b) nur die Makrokomponente Stützenstegfeld mit Stegblechen auf Querkraft 

Abb. 12.3.3 Einfluss der Makrokomponenten auf das Verhalten der gesamten Verbindung im M-φ-Diagramm

Literatur

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen, CEN, Brüssel, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.