Vorqualifizierte Stahlanschlüsse (AISC) – Zusammenfassung, Fazit und Empfehlungen

Die Reihe von Verifikationsbeispielen wurde in einem gemeinsamen Projekt zwischen der Ohio State University und IDEA StatiCa erarbeitet. Die Autoren sind nachfolgend aufgeführt:

• Baris Kasapoglu, Doktorand
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Momentenverbindung mit reduziertem Trägerquerschnitt (RBS)

Eine geprüfte RBS-Momentenverbindung wurde aus einer experimentellen Studie (Uang et al., 2000) ausgewählt und fünf weitere Variationen wurden erstellt. Die Momententragsicherheiten von sechs Prüfkörpern mit Versagensformen wurden nach dem AISC-Verfahren und mithilfe von IDEA StatiCa abgeschätzt. Die Abweichungen zwischen den berechneten Tragfähigkeiten (1 – Momentenkapazität nach IDEA StatiCa / Momentenkapazität nach AISC-Verfahren) variieren von -3 % bis +7 %, während die durchschnittliche Abweichung etwa 4 % beträgt (Tabelle 6.1). Außerdem wurde die von IDEA StatiCa mithilfe der Steifigkeitsanalyse berechnete Momenten-Rotations-Beziehung mit der im Prüfbericht angegebenen verglichen (Abbildung 6.1). Es zeigt sich, dass IDEA StatiCa in der Lage ist, die Versagensform zu identifizieren, die Momententragsicherheit zu berechnen und die Momenten-Rotationskurve von RBS-Momentenverbindungen zu ermitteln.

Tabelle 6.1: Biegemomenttragsicherheit von RBS-Momentenverbindungen, berechnet nach IDEA StatiCa und AISC-Verfahren (bezogen auf die Stützenoberfläche)

Abbildung 6.1: Vergleich der plastischen Rotation des Moments (bezogen auf die Stützenmittelachse) der RBS-Momentenverbindung (Basismodell)

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Stirnplatten-Momentenverbindung (EPM)

Sechs geprüfte EPM-Verbindungen wurden nach dem AISC-Bemessungsverfahren und mithilfe von IDEA StatiCa bewertet. Ihre Momentenkapazitäten und Versagensformen wurden berechnet und mit den Beobachtungen aus dem Experiment (Sumner et al., 2000) verglichen. Die Abweichungen zwischen den Ergebnissen variieren von -7 % bis +11 %, während die durchschnittliche Abweichung etwa 2 % beträgt (Tabelle 6.2). Es ist zu beachten, dass das Fließen der Stirnplatte der maßgebende Grenzzustand für Variation 3 ist, bei der eine Abweichung von 11 % berechnet wird, während die unzureichende Schweißnahtfestigkeit zwischen Stirnplatte und Trägersteg die von IDEA StatiCa ermittelte Versagensform ist. Wenn die Schweißnaht ihre Festigkeitsgrenze erreicht, wird eine plastische Dehnung von 1,9 % in der Stirnplatte berechnet, was unter dem Grenzwert von 5 % plastischer Dehnung für Platten liegt. Aus diesem Beispiel lässt sich schließen, dass das in AISC 358 beschriebene Verfahren für den Grenzzustand des Stirnplattenfließens ein konservativeres Ergebnis liefert als IDEA StatiCa. Für das Basismodell wurde die mit IDEA StatiCa ermittelte Momenten-Rotationskurve mit der experimentell gemessenen verglichen. IDEA StatiCa zeigt seine Fähigkeit, die Schraubenbruchkapazität einschließlich der Auswirkungen der Abhebekraft auf die Tragfähigkeit der Schrauben sowie den Beitrag der Stirnplattensteife auf die Biegetragfähigkeit der EPM-Prüfkörper abzuschätzen. Die Abweichung zwischen den Steigungen nach dem Fließen und die Differenz zwischen den erreichten Momentenspitzenwerten können auf die Steifigkeitsdegradation des Prüfkörpers bzw. auf das bilineare Werkstoffmodell von IDEA StatiCa zurückgeführt werden.

Abbildung 6.2: Vergleich der plastischen Rotation des Moments (bezogen auf die Stützenmittelachse) der EPM-Verbindung (Basismodell)

Tabelle 6.2: Biegemomenttragsicherheit von EPM-Verbindungen, berechnet nach IDEA StatiCa und AISC-Verfahren (bezogen auf die Stützenoberfläche)

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Geschweißte Momentenverbindung mit unversteiftem Flansch und geschweißtem Steg (WUF-W) 

Die Momentenkapazitäten und Versagensformen von sechs geprüften WUF-W-Prüfkörpern wurden mithilfe von IDEA StatiCa und nach dem AISC-Bemessungsverfahren berechnet, und die Beobachtungen wurden mit den Ergebnissen der von Ricles et al. (2000) durchgeführten Versuche verglichen. Die aus drei Quellen ermittelten Versagensformen sind bei allen Verbindungen ähnlich, während die mit IDEA StatiCa berechneten Momentenkapazitäten mit Ausnahme des Basismodells etwa 8 % größer sind als die nach dem AISC-Bemessungsverfahren ermittelten (Tabelle 6.3). Der Grund, warum IDEA StatiCa für die Variationen größere Momentenkapazitäten berechnet als das AISC-Verfahren, kann mit der Annahme der Lage des plastischen Gelenks zusammenhängen. Gemäß AISC 358 wird für WUF-W-Momentenverbindungen empfohlen, dieses an der Stützenoberfläche anzunehmen, was zu einem geringeren zusätzlichen Moment infolge der Querkraft an der Stelle des plastischen Gelenks führt, verglichen mit dem Fall, dass es in einem Abstand von der Stützenoberfläche auftritt. Für das Basismodell zeigt die IDEA StatiCa-Analyse, dass der Prüfkörper seine Tragfähigkeit erreicht, wenn die Schweißnaht zwischen Stützenoberfläche und Schublasche versagt. Ebenso zeigen die nach dem AISC-Bemessungsverfahren durchgeführten Handberechnungen, dass die Schweißnaht die erforderliche Festigkeitsgrenze nicht erfüllt. Es gibt jedoch kein von AISC beschriebenes Verfahren zur Berechnung der Momentenkapazität dieser Art von Verbindungen, die durch die Schweißnaht zwischen Stütze und Träger oder Schublasche maßgebend wird. Es ist zu beachten, dass die nach dem AISC-Verfahren berechnete Momentenkapazität auf der plastischen Momententragsicherheit des Trägers basiert, obwohl diese Verbindung nach AISC nicht bemessen werden darf, da die Festigkeitsanforderung für die Schweißnaht nicht erfüllt ist. Insgesamt beträgt die durchschnittliche Abweichung zwischen den von IDEA StatiCa und dem AISC-Verfahren berechneten Momentenkapazitäten etwa 5 %. Darüber hinaus wurde eine Momenten-Rotationsanalyse mit IDEA StatiCa und ABAQUS für das Basismodell durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Die von IDEA StatiCa berechnete plastische Momenten-Rotationskurve wurde mit der von den Versuchsforschern bereitgestellten gemessenen Kurve verglichen (Abbildung 6.3). Die Abweichung zwischen den Steigungen der Kurven kann auf die Steifigkeitsdegradation zurückgeführt werden, die der geprüfte Prüfkörper während der zyklischen Belastung erfahren hat. Ein weiterer Kommentar ist, dass IDEA StatiCa ein bilineares Werkstoffmodell verwendet und daher das Verfestigungsverhalten nicht vollständig erfasst werden konnte.

Tabelle 6.3: Biegemomenttragsicherheit von WUF-W-Momentenverbindungen, berechnet nach IDEA StatiCa und AISC-Verfahren (bezogen auf die Stützenoberfläche)

Abbildung 6.3: Vergleich der plastischen Rotation des Moments (bezogen auf die Stützenmittelachse) der WUF-W-Momentenverbindung (Basismodell)

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Momentenverbindung mit unversteiftem geschweißtem Flansch und geschraubtem Steg (WUF-B)

Das Biegeverhalten von fünf geprüften WUF-B-Prüfkörpern (Lee et al., 1999) wurde mit insgesamt acht Modellen unter Verwendung von zwei verschiedenen Schraubentypen untersucht: 1) Reibung, 2) Lochleibung. Die Biegemomentkapazitäten der Prüfkörper wurden mithilfe von IDEA StatiCa und nach dem AISC-Bemessungsverfahren berechnet und verglichen (Tabelle 6.4). Da gleitfeste Schrauben gemäß AISC 341 (2016) als vorgespannte Lochleibungsschrauben bemessen werden können, wenn der Gleitbeiwert der Kontaktfläche größer oder gleich 0,30 ist, können die Prüfkörper mit gleitfesten Schrauben (z. B. Baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) beim Vergleich der Momententragsicherheit von IDEA StatiCa und AISC-Verfahren vernachlässigt werden. Für die übrigen Verbindungen variieren die Abweichungen zwischen den von IDEA StatiCa und AISC berechneten Momentenkapazitäten von -18 % bis -6 %, während die durchschnittliche Abweichung etwa 13 % beträgt. Der Grund, warum IDEA StatiCa eine konservativere Momententragsicherheit als das AISC-Verfahren berechnet, kann mit der schwachen Verbindung zwischen Trägersteg und Stützenflansch zusammenhängen. Eine weitergehende Untersuchung kann durchgeführt werden, indem die Schublasche durch eine Stumpfnaht entlang des Trägerstegs ersetzt wird, was nach demselben Verfahren in IDEA StatiCa zu einer deutlichen Verbesserung der Momentenkapazität führt.

Für das Basismodell wurde die plastische Momenten-Rotation aus der IDEA StatiCa-Analyse ermittelt und mit der experimentell gemessenen verglichen (Abbildung 6.4). Es ist zu beachten, dass für die Momenten-Rotationsanalyse Reibungsschrauben (gleitfest) verwendet werden, während für die Momentenkapazitätsanalyse Lochleibungsschrauben verwendet werden. Die Abweichung zwischen den Kurven kann mit dem Datenextraktionsprozess zusammenhängen. Da die gemessene Momenten-Rotationskurve aus der im Prüfbericht bereitgestellten Abbildung extrahiert wurde, sind kleine Fehler unvermeidlich. Der Unterschied im Nachfließverhalten lässt sich mit dem bilinearen Werkstoffmodell der Software erklären.

Abbildung 6.4: Vergleich der plastischen Rotation des Moments (bezogen auf die Stützenmittelachse) der WUF-B-Momentenverbindung (Basismodell)

Tabelle 6.4: Biegemomenttragsicherheit von WUF-B-Momentenverbindungen, berechnet nach IDEA StatiCa und AISC-Verfahren (bezogen auf die Stützenoberfläche)

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Doppel-T-Momentenverbindung

Sechs geprüfte Doppel-T-Verbindungen wurden nach dem AISC-Bemessungsverfahren und mithilfe von IDEA StatiCa untersucht. Ihre Momentenkapazitäten wurden berechnet und die Ergebnisse verglichen.

Die Abweichungen zwischen den Ergebnissen variieren von -9 % bis +7 %, während die durchschnittliche Abweichung etwa 3 % beträgt (Tabelle 6.5). Außerdem wurden die Versagensformen hinreichend genau abgeschätzt. Die Momenten-Rotationsanalyse wurde mit IDEA StatiCa und ABAQUS unter Verwendung von zwei verschiedenen Schraubentypen (z. B. Lochleibung, Reibung) durchgeführt, da der Schraubentyp mit Anzugsmomentsteuerung in IDEA StatiCa nicht verfügbar ist. Die Kurven wurden mit der experimentell ermittelten Kurve von Leon (1999) für das Basismodell verglichen (Abbildung 6.5). Es zeigt sich, dass die plastische Momenten-Rotationskurve des Prüfkörpers erwartungsgemäß zwischen den aus den IDEA StatiCa-Analysen für Reibungs- und Lochleibungsschrauben berechneten Kurven liegt. Darüber hinaus wurden für die Prüfkörper die in AISC 358 beschriebenen Vorqualifizierungsnachweise durchgeführt. Für das Basismodell wurde in IDEA StatiCa eine Kapazitätsbemessungsanalyse durchgeführt und mit der nach dem AISC-Verfahren ermittelten verglichen. Es lässt sich schlussfolgern, dass IDEA StatiCa sehr gut in der Lage ist, die Momentenkapazität zu berechnen und die Versagensform von Doppel-T-Momentenverbindungen zu bestimmen. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass die Kapazitätsanalyse (z. B. CD) in der Lage ist zu bestimmen, ob die Verbindung über ausreichende Tragfähigkeit verfügt, wenn in beiden Trägern plastische Gelenke auftreten, wie es von AISC 358 für seismische Verbindungen gefordert wird.

Tabelle 6.5: Biegemomenttragsicherheit von Doppel-T-Momentenverbindungen, berechnet nach IDEA StatiCa und AISC-Verfahren (bezogen auf die Stützenoberfläche)

Abbildung 6.5: Vergleich der plastischen Rotation des Moments (bezogen auf die Stützenmittelachse) der Doppel-T-Momentenverbindung (Basismodell)

Insgesamt besteht eine gute Übereinstimmung zwischen den aus Versuchen, IDEA StatiCa-Analysen und dem AISC-Bemessungsverfahren ermittelten Momentenkapazitäten und Versagensformen. Die Empfehlungen zur weiteren Verbesserung der Software sind nachfolgend aufgeführt:

• Ein neuer Schraubentyp für anzugsmomentgesteuerte/vorgespannte Schrauben kann entwickelt und den Nutzern zusätzlich zu den Lochleibungs- und Reibungsschraubentypen bereitgestellt werden.
• Die mit der Option „Lasten sind im Gleichgewicht" aufzubringenden Kräfte können in IDEA StatiCa für verschiedene Elementlängen und Randbedingungen entsprechend den Nutzerpräferenzen berechnet werden. Auf diese Weise kann eine Analyse für die gewünschten Bedingungen ohne andere Software oder zusätzliche Handberechnungen durchgeführt werden. Mit der aktuellen IDEA StatiCa-Version (d. h. v22) wurden zur Berechnung der Momentenkapazität der Prüfkörper die Kräfte an der Verbindung mithilfe von SAP2000 unter Abbildung der Versuchsaufbaubedingungen (z. B. Elementlängen, Randbedingungen) berechnet und anschließend in IDEA StatiCa mit der Option „Lasten sind im Gleichgewicht" aufgebracht.
• Eine inkrementelle Belastung kann von IDEA StatiCa automatisch und systematisch aufgebracht werden, und die Momentenkapazität kann ohne erneutes Anpassen der Lasten und Neuberechnung ausgegeben werden.
• Vorqualifizierungsnachweise können von IDEA StatiCa durchgeführt werden.
• Ein verbessertes Vernetzungswerkzeug kann in die Software integriert werden.
• Die Darstellung der Momenten-Rotationskurve kann verbessert/erweitert werden, indem den Nutzern Werkzeuge zur Anpassung von Schriftart, Farbe und Größe des Diagramms bereitgestellt werden.
• Einige Symbole müssen für amerikanische Nutzer korrigiert/angepasst werden (z. B. θ anstelle von ϕ für die Rotation gemäß AISC).

Den vollständigen Verifikationsbeispielartikel zur Doppel-T-Momentenverbindung lesen

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