Das Trag- und Verformungsverhalten geschraubter Stahl- und Verbundknoten bei vollplastischer Bemessung und in außergewöhnlichen Bemessungssituationen

Abstract

Die Arbeit befasst sich mit teiltragfähigen und gleichzeitig duktilen Anschlüssen in der Stahl- und Verbundbauweise. Diese lassen sich mit minimalem Mehraufwand im Vergleich zu gelenkigen Anschlüssen ausführen und erhöhen gleichzeitig die Redundanz der globalen Tragstruktur im Vergleich zu gelenkigen Anschlüssen. Um das volle Potenzial der teiltragfähigen Anschlüsse effektiv ausnutzen zu können, müssen diese eine hohe Duktilität und ausreichend Tragfähigkeit aufweisen. So lässt sich der Anschluss gezielt als Fließgelenk nutzen und ermöglicht Umlagerungen im Rahmensystem zwischen Anschluss und Riegel. Das Entscheidende am Anschluss für die Duktilität und Tragfähigkeit ist das Zusammenspiel zwischen Stirnplatten- bzw. Stützenflanschtragfähigkeit und Schraubentragfähigkeit. Die Stirnplatte bzw. der Stützenflansch müssen dabei eine hohe Verformungskapazität bereithalten, um große Knotenrotationen zu ermöglichen und die Schrauben dürfen nicht vorzeitig versagen. Durch große Verformungen der Stirnplatte trägt diese nicht mehr nur über reine Biegetragwirkung ab, sondern zusätzlich über Membrantragwirkung. Die Tragfähigkeit der Stirnplatte ist dadurch deutlich größer, als unter reiner Biegetragwirkung. Die Verformung der Stirnplatte verursacht allerdings eine Biege- und Querkraftbeanspruchung der Schrauben. In DIN EN 1993-1-8 steht mit der Komponentenmethode ein Verfahren zur Bemessung der teiltragfähigen Anschlüsse zur Verfügung, allerdings werden hier für duktile Anschlüsse nicht alle angesprochenen Effekte berücksichtigt und es fehlen zudem weitere Duktilitätskriterien. Das im Rahmen der Arbeit entwickelt Bemessungsverfahren für geschraubte Stirnplattenanschlüsse ermittelt die Momententragfähigkeit des Anschlusses mittels eines Knotenkorrekturfaktors, der Schraubenzugtragfähigkeit und des inneren Hebelarms. Der Knotenkorrekturfaktor berücksichtigt dabei alle auf die ungestörte Schraubenzugtragfähigkeit ungünstig wirkenden Effekte am Anschluss. Desweiteren wurde für das Verfahren ein Anwendungs- bzw. Gültigkeitsbereich erarbeitet, um die maßgebenden Komponenten am Anschluss zu steuern. Zur Sicherstellung der Duktilität des Anschluss wurden zudem Duktilitätskriterien erarbeitet. Das neue Bemessungsverfahren kann nun angewendet werden, um in wenigen Schritten teiltragfähige Anschlüsse zu dimensionieren und zu bemessen, die eine plastische Schnittgrößenermittlung der Rahmenstruktur erlauben. Mit diesem neuen Verfahren kann aber auch die Grenztragfähigkeit der Anschlüsse für Untersuchungen hinsichtlich der Robustheit von Rahmentragwerken bestimmt werden.

The thesis deals with partial strength and at the same time ductile connections in steel and composite frame constructions. This type of connection is realizable with minimal additional costs compared to simple connections and simultaneously, the redundancy of the global load-bearing structure is increased in comparison to simple connections. To exploit the full potential of the partial strength connections effectively, they must have a high ductility and sufficient strength. Thus, the connection may be used as plastic hinge and allows redistribution of internal forces in the frame system between connection and beam. The decisive factor for the ductility and bearing capacity of the connection is the interaction between endplate capacity (or column flange) and bolts capacity. The endplate and the column flange have to sustain a high deformation capacity to allow large joint rotations and the bolts should not fail prematurely. By large deformations the endplate does not only develop pure bending load effects, but also membrane effects. The load capacity of the endplate is therefore higher than under pure bending load effect. But the deformations of the endplate is also causing a bending and shear loading of the bolts. The component method in DIN EN 1993-1-8 is a tool for calculating partial strength and semi-rigid connections. But for ductile connections the method does not consider all effects mentioned and it also lacks more detailed ductility criteria. The design method for bolted connections developed within this thesis determine the moment resistance of the connection based on connection correction factor, the tensile capacity of the bolts and the inner lever arm. The connection correction factor considers all unfavorable effects on the intact tensile capacity of the bolts which might occur at the connection. Furthermore, a scope of application for the method has been developed to control the relevant components at the connection. To ensure sufficient ductility of the connection additional ductility criteria have been developed. The new design method can now be used to dimension partial-strength joints in a few steps which enable a plastic redistribution of internal forces of the frame structure. In addition this new method can also be used to determine the ultimate bearing capacity of bolted connections in regard to the assessment of the robustness as characteristic of a framed structure.