Thema:
Bemessung eines Vollwandträgers nach AISC 360-22 in RFEM 6
Kommentar:
Der Einsatz von Vollwandträgern ist oft eine wirtschaftliche Entscheidung beim Bau mit großen Spannweiten. Vollwandträger aus Stahl mit I-Profil haben typischerweise einen hohen Steg, sodass die Schubtragfähigkeit sowie der Abstand zwischen den Flanschen möglichst groß ist, aber einen dünnen Steg, um das Eigengewicht zu verringern. Aufgrund des großen Höhe-Dicke-Verhältnisses (h/tw) können Quersteifen erforderlich sein, um den schlanken Steg auszusteifen.
Beschreibung:
In RFEM 6 können die erforderlichen Steifen entlang der Stablänge mit der Option Stabquersteifen hinzugefügt werden. Die erhöhte Schubfestigkeit aufgrund der Steife kann im Add-On Stahlbemessung berücksichtigt werden.
Der AISC-Abschnitt G2 'I-förmige Stäbe und U-Profile'[1] ist in vier Abschnitte gegliedert:
- G2.1 Schubwiderstand von Stegen ohne Zugfeldwirkung
- G2.2 Schubwiderstand von Innenstegfeldern mit a/h ≤ 3 unter Berücksichtigung der Zugfeldwirkung
- G2.3 Schubfestigkeit der Endstegplatten mit a/h ≤ 3 unter Berücksichtigung der Zugfeldwirkung
- G2.4 Quersteifen
Was bedeutet Zugfeldwirkung?
Die Zugfeldwirkung (TFA) ist ein Phänomen, bei dem der Steg eines Vollwandträgers so bemessen wird, dass er eine erhebliche Nachbeulfestigkeit aufweist. Im Nachbeulzustand ist der Steg noch in der Lage, die aufgebrachte Last durch Zug aufzunehmen.
In den früheren Ausgaben des AISC konnte die Einwirkung aus Zugfeldern nur für die '''inneren''' Stegfelder berücksichtigt werden, wenn a/h 3.0 nicht überschreitet, wobei ''a'' der lichte Abstand zwischen den Steifen und ''h' ist ' = lichter Abstand zwischen den Flanschen
In der Ausgabe 2022 des AISC kann die Teilzugfeldeinwirkung auch für die Stegfelder am '''Ende''' berücksichtigt werden. Basierend auf aktuellen Ergebnissen aus Versuchen und Simulationen aus der Finite-Elemente-Methode wird gezeigt, dass sich Zugfeldwirkung tatsächlich durch die Ausbildung plastischer Gelenke in den Flanschen und Lagersteifen ausbilden kann (AISC-Kommentar).
Beispiel
Die Beispiele G.8A und G.8B der AISC 2022 Bemessungsbeispiele [2] werden vorgestellt, um die Schubfestigkeit zu vergleichen, die sich aus dem RFEM-Modell ergibt. Der Träger ist 56 ft lang und 3 ft hoch, die Flansche sind 1,5 inch dick x 16 inch breit, und der Steg hat eine Dicke von 5/16 inch. Der Druckgurt ist durchgehend ausgesteift, was darauf hinweist, dass der Biegedrillknicknachweis (BGDK) im Programm deaktiviert werden kann.
Ein zusammengesetzter Träger kann mit Hilfe des Querschnittstyps 'Parametrisch - Dünnwandig' und der Herstellungsart 'Geschweißt' erstellt werden.
1) Überprüfung, ob Quersteifen nach AISC Abschnitt G2.4 erforderlich sind
Quersteifen sind nicht erforderlich, wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist.
- h/tw ist kleiner als 2,54 √(E/Fy)
33,0 in/0,3125 in = 105,6 ist größer als 2,54*√(29.000 ksi/50 ksi) = 61,2
- Der erforderliche Schubwiderstand ist kleiner als die vorhandene Festigkeit.
Wie im Nachweis gg6100 gezeigt, ist die erforderliche Schubfestigkeit (210,0 kips) größer als die vorhandene Schubfestigkeit (176,1 kips).
- Da keine der obigen Bedingungen erfüllt ist, werden Quersteifen erforderlich.
2) Bestimmung des Steifenabstands
Für ein Material von 50 ksi sind die Tabellen 3-17a, 3-17b und 3-17c des AISC Steel Construction Manual [3] hilfreich, um den erforderlichen Steifenabstand basierend auf dem h/tw-Verhältnis und der erforderlichen Spannung zu bestimmen. Alternativ kann auch ein iterativer Ansatz wie Trial-and-Error zur Ermittlung der Abstände angewandt werden.
Im vorliegenden Beispiel wird ein Abstand von 42 inch für das Endfeld verwendet. An dieser Stelle kann der erforderliche Schubwiderstand einfach mit der Funktion 'Ergebnisverläufe am gewählten Stab' ermittelt werden. Am Ende des ersten Feldes übersteigt Vz = 183,7 kips die vorhandene Festigkeit = 176,1 kips. Deshalb werden auch zusätzliche Steifen im Abstand von 90 eingefügt. Ein drittes Feld ist nicht erforderlich, da V = 127,5 kips kleiner als 176,1 kips ist.
3) Hinzufügen von 'Stabquersteifen' im Navigatoreintrag 'Typen für Stäbe' in RFEM
Es stehen mehrere Typen von Steifen zur Verfügung. In diesem Beispiel wird am Anfang und am Ende des Stabes die Option "Stirnplatte" verwendet. Für die Zwischensteifen wird "Flach" eingestellt. Für jede Steife werden Lage, Material und Größe festgelegt.
Da das Add-On Stahlbemessung aktiviert ist, ist auch die Option 'Steife berücksichtigen' verfügbar. Diese Option kann ein- und ausgeschaltet werden, um so die Wirkung einer jeden einzelnen Beulsteife auf die Bemessung zu berücksichtigen.
Bei Auswahl einer 'Stirnplatte' kann die Steife als 'Verformbar' oder 'Starr' berücksichtigt werden. 'Nicht biegesteif' wird ausgewählt, wenn die teilweise Zugfeldeinwirkung nach Abschnitt G2.3 für das Stirnfeld berücksichtigt wird. Bei der Auswahl von 'Starr' wird das Stirnfeld nach Abschnitt G2.2 berechnet (als Innenfeld). Die 'Starre' Steife in RFEM wird als Modell mit 'verborgenem' Überhang mithilfe von zwei eng beieinander liegenden Steifen konzeptioniert.
Die resultierende Wölbfeder wird automatisch berechnet. Sie wird jedoch ohne das Add-On
Wölbkrafttorsion (7 Freiheitsgrade)
zu importieren. Die Quersteifen haben keinen Einfluss auf die Steifigkeit bei einer Berechnung mit...