Einige unserer letzten Fachbeiträge befassten sich mit der Modellierung von Stäben mit kreisförmigen Hohlprofilen und deren Verbindungen mit RFEM 6 und dem zugehörigen Add-On Stahlanschlüsse. In zwei davon, KB 1887 und KB 1899, wurde gezeigt, wie Sie einige dieser Verbindungen modellieren können.
- KB 1887 | Modellierung einer einfachen Stirnplattenverbindung in RFEM 6
- KB 1899 | Modellierung von ausgesteiften Rohranschlüssen im Add-On Stahlanschlüsse
Im ersten Artikel wurde gezeigt, wie man eine einfache Stirnplattenverbindung von zwei Elementen mit kreisförmigen Hohlprofilen (d.h. eine Verbindung mit einem Ringflansch) modelliert, während der zweite Beitrag zeigt, wie man die gleichen Verbindungen modelliert, allerdings mit Rippen versteift. In Bild 1 sind beide Verbindungen dargestellt, die erste unter a) und die zweite unter b).
Bei der Modellierung und Bemessung solcher Anschlüsse sind jedoch einige wichtige Aspekte zu berücksichtigen, die ihre Leistung beeinträchtigen könnten. Einer davon ist das Abstützen der Verbindungsmittel aufgrund von Zugkräften. Diese Kraft wird durch Biegung der Stirnplatte verursacht und kann zu erhöhten Schraubenspannungen und plastischen Verformungen führen. Die oben genannten Anschlüsse sind Beispiele für Stahlanschlüsse, die für diese Abstützwirkung anfällig sind, da es sich um Anschlüsse mit einer Stirnplatte handelt, bei denen die Schrauben außerhalb des verbundenen Querschnitts liegen.
Das Dlubal-Add-On Stahlanschlüsse kann diese Abstützwirkung genau erfassen und in die Ergebnisse des numerischen Modells (d.h. Kräfte an Schrauben, plastische Verformung der angeschlossenen Bleche, Gesamtverformung der Verbindung) einbeziehen. Es wäre daher interessant, diesen Effekt bei den oben genannten Flanschanschlüssen zu untersuchen und zu vergleichen, was auch im Rahmen dieses Artikels geschehen soll.
Schauen wir uns jedoch zunächst an, wie dieses Thema in den Bemessungsnormen behandelt wird, genauer gesagt im Eurocode 3 [1]. Gemäß EC.3, Abschnitt 6) von 6.2.4.1 sollte in Fällen, in denen Abstützkräfte auftreten können, die Zugtragfähigkeit eines T-Stummelflansches als kleinster Wert für die drei möglichen Versagensarten angenommen werden:
- Modus 1: Vollständiges Fließen des Flansches
- Modus 2: Schraubenversagen mit Fließen des Flansches
- Modus 3: Schraubenversagen
Jeder dieser Modi wird in Tabelle 6.2 von EC 3 [1] detailliert beschrieben. Eine kurze Beschreibung des Konzepts findet sich in Bild 2, wobei:
| Q | Abstützkraft, das heißt die Kontaktkraft, die zwischen dem freien Rand und der Schraubenreihe auftreten kann, angesetzt als Resultierende der Flächenpressung in der Kontaktfuge am Randpunkt des Stummelflansches |
| FT,Rd | Bemessungswert der Zugtragfähigkeit eines T-Stummelflansches |
| dw | Durchmesser der Unterlegscheibe bzw. Breite des Schraubenkopfes oder der Mutter an den entsprechenden Punkten |
| n, m | Abstände wie im Bild angegeben |
Bevor wir fortfahren, muss außerdem geklärt werden, welche Faktoren die Abstützwirkung beeinflussen. Dazu gehören der Abstand der Schraube vom Querschnitt, die Steifigkeit und Geometrie der Stirnplatte, die Schraubenverformung und die Schweißlösung.
Mit diesem Hintergrund kann nun die Abstützwirkung bei den beiden eingangs erwähnten Varianten der KHP-Profilflanschverbindungen betrachtet werden. Um die Betrachtung des Themas zu erweitern, wird eine weitere Variante hinzugefügt: Wir betrachten nämlich auch die Abstützwirkung bei einer vollen Stirnplatte ohne Öffnung, wie in Bild 3 gezeigt.
Wie bereits erwähnt, ist es mit dem Add-On Stahlanschlüsse von Dlubal möglich, die Abstützwirkung realistisch zu erfassen und in die Ergebnisse des numerischen Modells einzubeziehen. Daher können wir diese Verbindungen (Bilder 4, 5 und 6) in RFEM 6 erzeugen und das Modell, wie in Bild 7 gezeigt, mit einer Zugkraft von 300 kN belasten.
Dann können wir die Berechnung durchführen und erhalten die Kräfte in den Schrauben wie in Bild 8 gezeigt.
Um das Verhalten der drei Varianten zu vergleichen, werden Beiwerte für die Abstützwirkung verwendet, die als Verhältnis der Gesamtkraft in den Schrauben zur aufgebrachten Kraft ausgedrückt werden. Nachdem ersterer, wie in Bild 8 gezeigt, bestimmt wurde, kann die Abstützwirkung für jede der Varianten leicht berechnet werden, wie in Tabelle 1 dargestellt.
| Variante | Einwirkende Zugkraft [kN] | Gesamte Schraubenkraft [kN] | kRFEM,1 |
|---|---|---|---|
| 1. Ringflansch | 300 | 515,3 | 1,72 |
| 2. Vollständige Stirnplatte | 300 | 423,8 | 1,41 |
| 3. Ausgesteifter Ringflansch | 300 | 300 | 1 |
Die in Tabelle 1 ermittelten Abstützbeiwerte zeigen deutlich, dass bei der Verwendung von Ringflanschen die Abstützung im Anschluss am größten ist. Ebenso ist zu erkennen, dass eine Stirnplatte ohne Öffnung etwas Entlastung bietet, während Steifen die Schrauben zuverlässig von Abstützkräften entlasten und die plastische Verformung der Stirnplatte reduzieren. Da wir bereits ermittelt haben, welche Parameter das Abstützen beeinflussen, lässt sich schlussfolgern, dass zur Abminderung/Beseitigung dieses Effekts bei der Verwendung von Ringflanschen bei der ersten Variante eine dickere Stirnplatte und größere Schraubendurchmesser nötig wären.
Die Stirnplatte mit dem ausgesteiften Ringflansch (d.h. Variante 3) würde hingegen dünner bleiben, aber man muss bedenken, dass Steifen aufgeschweißt werden müssen, was die Kosten des Anschlusses erhöht. Wenn die Abstützwirkung gering ist, lohnt sich das Anschweißen von Steifen möglicherweise nicht. Ist der Effekt jedoch beträchtlich, gibt es möglicherweise keine andere Möglichkeit, als den Anschluss zu verstärken. Da sich beide Szenarien auf die Produktionskosten auswirken, müssen wir in der Lage sein, die optimale Lösung zu wählen, um die Produktionskosten zu minimieren und gleichzeitig die gute Leistung des Anschlusses zu erhalten.
Fazit
Bei der Berechnung von Stahltragwerken spielt die optimale Planung von Anschlüssen eine wichtige Rolle. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Aspekte, die für die Bemessung der Verbindungen dieser Konstruktionen relevant sind, zu verstehen und sorgfältig zu berücksichtigen. Abstützung gehört zu den schädlichen Erscheinungen, die bei der Bemessung von Schraubverbindungen nicht übersehen werden dürfen. In den meisten Fällen werden bei Anschlusstypen, die zum Abstützen neigen, wie die in diesem Artikel behandelten, Parameter wie Blechdicke, Anzahl und Durchmesser der Schrauben usw. durch diesen Effekt bestimmt. Der Grund dafür ist, dass diese Parameter die Abstützwirkung beeinflussen und so gewählt werden müssen, dass sie einerseits diese Wirkung verringern, andererseits aber auch zur optimalen Planung des Anschlusses beitragen (z.B. im Hinblick auf die Produktionskosten).
