Zum Rotationsnachweis teiltragfähiger Verbundknoten in verschieblichen Verbundrahmen

Abstract

Die in der Praxis ausgeführten “gelenkigen” Anschlüsse in Verbundkonstruktionen haben Momententragreserven in der Größenordnung von 15 bis 60 % der plastischen Tragfähigkeit des anzuschließenden Bauteils. Diese Tragreserven wurden bisher rechnerisch nicht genutzt. Die Ausnutzung der ungenutzten Momententragfähigkeit solcher Anschlüsse durch die Berücksichtigung der Teileinspannung vereinfacht die Systemaussteifung, so dass in den Rahmen keine störenden Aussteifungsverbände mehr erforderlich sind. Unter Traglastbeanspruchung ergeben sich Momentenumlagerungen im System, die mit Plastizierungen der hier verwendeten steifenlosen teiltragfähigen Verbundknoten einhergehen. Dabei sind zwei grundsätzliche Aspekte zu behandeln: - das lokale Verhalten des teiltragfähigen Verbundknotens und - das Systemverhalten des verschieblichen Verbundrahmens Bei der plastischen Bemessung von Systemen mit teiltragfähigen Anschlüssen ist ein Nachweis der - Momententragfähigkeit im Knoten und im Riegel und der - Rotationskapazität erforderlich. Hauptaugenmerk wird in dieser Arbeit auf den Nachweis der Rotationskapazität gelegt. Die vorhandene Rotationskapazität bzw. die Verformbarkeit der Anschlüsse wird aus Versuchen bestimmt, sowie mit Hilfe der sogenannten Komponentenmethode aus den einzelnen Knotenkomponenten abgeleitet. Anhand einer Parameterstudie werden für verschiedene typische Systeme mit verschiedenen Belastungen und verschiedenen Bauabläufen die erforderlichen Knotenrotationen bestimmt. Es wird auf die unterschiedlichen Ergebnisse der Berechnung nach Fließgelenktheorie und Fließzonentheorie eingegangen. Die erforderliche Knotenrotation wird anhand der Beamline (Systemkennlinie) anschaulich dargestellt. Durch den Schnitt der Beamline mit der Momenten-Rotationskurve (Knotenkennlinie) ist ersichtlich, welche Knoten eine ausreichende Tragfähigkeit und gleichzeitig eine ausreichende Rotationsfähgkeit besitzen. Dabei wird die gesamte Momenten-Rotationskurve erfasst. Im Unterschied zu einem integrierten Nachweisverfahren auf der Basis der Beamline Methode wird beim getrennten Bemessungsverfahren für Tragfähigkeit und Rotation von verschieblichen Verbundrahmensystemen die vorhandene Rotationskapazität lediglich durch einen einzelnen Zahlenwert dargestellt. Beim vereinfachten Nachweisverfahren wird durch entsprechende Konstruktionsregeln ein sprödes Knotenversagen ausgeschlossen und so eine ausreichende vorhandene Rotationskapazität des Knotens sichergestellt. Das Prinzip zur Ermittlung des Teilsicherheitsbeiwertes für Rotation und zur Bestimmung von Konstruktionsregeln auf der Basis von Sicherheitsbetrachtungen wird ebenfalls dargestellt. Die wesentlichen Ergebnisse sind am Ende dieser Arbeit zusammengefasst und es erfolgt einen Ausblick auf zukünftige erforderliche Untersuchungen.

In practical design, joints are idealised as pinned, although they comprise a moment resistance of 15 to 60% of the connected beam. Until now, this additional resistance is not taken into account. Benefit can be taken by considering the moment resistance of such joints to create a moment resisting frame. Thus a flexible utilisation of the building is possible and interfering bracings may be avoided. In the Ultimate-Limit-State (ULS) a plastification of the partial strength joints occurs, which leads to a certain rotation of the joint. For these structures two main aspects have to be taken into account: - local behaviour of the partial-strength joint - global structural system behaviour of the composite sway frame For the plastic design of structural systems with partial-strength joints - a verification of the moment resistance of the joint and the beam as well as - a verification of the rotational capacity of the joint is required. In this work mainly the verification of the rotational capacity is discussed. The available rotational capacity, as a measure for the deformability of the joints, is determined by experimental investigations and also derived from the component behaviour by applying the component method. A parameter study detects the required rotational capacity for typical structural systems with different loadings and construction procedures. The differences between the results of the calculation according to the yield zone theory and the plastic hinge theory are pointed out. The beamline visualises the required rotational capacity, which is dependent on the loaded structural system. The intersection of the beamline with different moment-rotation curves shows which joints obtain an adequate moment resistance and a sufficient rotational capacity at the same time. Here the whole moment-rotation curve of the joint is regarded. This approach leads to the integrated verification procedure. In contrast to that, the separated verification procedure for the moment resistance and the rotational capacity considers only one specific numerical value for the available rotational capacity of the joint. The simplified verification procedure is shortly discussed. By fulfilling the construction rules, a brittle failure of the joint is prevented and a ductile failure mode is ensured to provide sufficient rotational capacity. The numerical value for the partial safety-factor for the verification of the rotational capacity may be determined by probabilistic analysis. A suggestion how to determine this factor is presented. The main results are summarised at the end of this work and a prospect is given for future investigations.