und Verformungsverhalten geschraubter Stahl

305 Pages·2013·19.48 MB·English

Institut für Konstruktion und Entwurf
Stahl- Holz- und Verbundbau
Universität Stuttgart
Das Trag‐ und Verformungsverhalten geschraubter
Stahl‐ und Verbundknoten bei vollplastischer
BBeemmeessssuunngg uunndd iinn aauußßeerrggeewwööhhnnlliicchheenn
Bemessungssituationen
Lars Rölle

(cid:3)
Mitteilungen
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Das Trag‐ und Verformungsverhalten geschraubter Stahl‐ und 
Verbundknoten bei vollplastischer Bemessung und 
in außergewöhnlichen Bemessungssituationen 

Von der Fakultät Bau‐ und Umweltingenieurwissenschaften 
der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors 
der Ingenieurwissenschaften (Dr.‐Ing.) genehmigte Abhandlung 

vorgelegt von 
Lars Rölle 
aus Stuttgart 

Hauptberichter:      Prof. Dr.‐Ing. Ulrike Kuhlmann 
Mitberichter:        Prof. Dr.‐Ing. Dieter Ungermann 

Tag der mündlichen Prüfung: 27. 02. 2013 

Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart 
2013
Mitteilungen des Instituts für Konstruktion und Entwurf; Nr. 2013-1

Lars Rölle Das Trag‐ und Verformungsverhalten geschraubter Stahl‐ und
Verbundknoten bei vollplastischer Bemessung und in
außergewöhnlichen Bemessungssituationen

Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann
Pfaffenwaldring 7
70569 Stuttgart
Telefon: [phone]
Telefax: (0711) 685 66236

Redaktion Florian Eggert

D 93
© Institut für Konstruktion und Entwurf; Stuttgart 2013
Alle Rechte vorbehalten

ISSN 1439-3751
EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG

Hiermit erkläre ich, dass ich die Doktorarbeit verfasst und keine anderen als die angegebenen
Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Stellen der Arbeit, die wörtlich oder sinngemäß aus
Veröffentlichungen oder aus anderweitigen fremden Äußerungen entnommen wurden, sind als
solche kenntlich gemacht.

Stuttgart, den ________________________________

Unterschrift:_________________________________

KURZDARSTELLUNG
Die Arbeit befasst sich mit teiltragfähigen und gleichzeitig duktilen Anschlüssen in der Stahl-
und Verbundbauweise. Diese lassen sich mit minimalem Mehraufwand im Vergleich zu gelenki-
gen 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 Umlage-
rungen 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 Stirn-
platte 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 Biegetragwir-
kung ab, sondern zusätzlich über Membrantragwirkung. Die Tragfähigkeit der Stirnplatte ist da-
durch deutlich größer, als unter reiner Biegetragwirkung. Die Verformung der Stirnplatte verur-
sacht 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 Stirnplattenan-
schlüsse ermittelt die Momententragfähigkeit des Anschlusses mittels eines Knotenkorrekturfak-
tors, der Schraubenzugtragfähigkeit und des inneren Hebelarms. Der Knotenkorrekturfaktor be-
rücksichtigt dabei alle auf die ungestörte Schraubenzugtragfähigkeit ungünstig wirkenden Effek-
te am Anschluss. Desweiteren wurde für das Verfahren ein Anwendungs- bzw. Gültigkeitsbe-
reich erarbeitet, um die maßgebenden Komponenten am Anschluss zu steuern. Zur Sicherstel-
lung der Duktilität des Anschluss wurden zudem Duktilitätskriterien erarbeitet. Das neue Bemes-
sungsverfahren kann nun angewendet werden, um in wenigen Schritten teiltragfähige Anschlüsse
zu dimensionieren und zu bemessen, die eine plastische Schnittgrößenermittlung der Rahmen-
struktur erlauben. Mit diesem neuen Verfahren kann aber auch die Grenztragfähigkeit der An-
schlüsse für Untersuchungen hinsichtlich der Robustheit von Rahmentragwerken bestimmt wer-
den.
SUMMARY
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 connec-
tions in regard to the assessment of the robustness as characteristic of a framed structure.
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS
NOMENKLATUR I 
1  EINLEITUNG 1 
1.1  Allgemeines  1 
1.2  Begriffe  2 
1.3  Fragestellung der Arbeit  3 
1.4  Motivation  5 
1.4.1  Unter dem Gesichtspunkt eines Nachweisformates für ausreichend Duktilität  5 
1.4.2  Unter dem Gesichtspunkt eines vereinfachten Vorgehens  6 
1.4.3  Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Robustheit der Rahmenstruktur  7 
2  ZIELSETZUNG DER ARBEIT 9 
2.1  Ziel  9 
2.2  Methodik  9 
2.3  Theoretischer Ansatz der Arbeit  11 
2.3.1  Das Trag‐ und Verformungsverhalten der Stirnplatte am Knoten  11 
2.3.2  Die Erfassung des Membrantrageffektes im T‐Stummel  11 
2.3.3  Zur Ableitung von Duktilitätskriterien für die Zugzone  13 
2.3.4  Nutzung der Tragreserven unter dem Gesichtspunkt der Robustheit  13 
3  STAND DER TECHNIK AUF DEM ARBEITSGEBIET 15 
3.1  Die Komponentenmethode  15 
3.2  Das Modell des äquivalenten T‐Stummels  17 
3.3  Bestimmung der Tragfähigkeit des Knotens  19 
3.4  Bestimmung der Rotationsfähigkeit des Knotens  20 
3.5  Indirekte Entwurfskriterien  22 
3.6  Redundanz durch Duktilität  23 
3.7  Tragreserven des Knotens und seiner Komponenten  24 
4  ÜBERSICHT BISHERIGER ARBEITEN UND MODELLE 26 
4.1  Trag‐ und Verformungsverhalten T‐Stummel  26 
4.1.1  Allgemeines  26 
4.1.2  McGuire  26 
4.1.3  Nair, Birkemoe & Munse  27 
4.1.4  Zoetemeijer  27 
4.1.5  Agerskov  28 
4.1.6  AISC Design Guide von Kulak et al.  28 
4.2  Trag‐ und Verformungsverhalten Schraube  29 
4.2.1  Allgemeines  29 
4.2.2  DIN EN 1993‐1‐8 und Hintergrundbericht zu EC3  29 
4.2.3  Steurer  30 
4.2.4  AISC Design Guide von Kulak et al.  31 
4.3  Trag‐ und Verformungsverhalten Stahlknoten  31 
I
Inhaltsverzeichnis
4.3.1  Allgemeines  31 
4.3.2  Sherbourne  32 
4.3.3  Surtees & Mann  32 
4.3.4  Packer & Morris und Horne & Morris  32 
4.3.5  Krishnamurthy  33 
4.3.6  Zoetemeijer  33 
4.3.7  Hendrick et al.  34 
4.3.8  Jenkins et al.  35 
4.3.9  Bernuzzi, Zandonini & Zanon  35 
4.3.10  Steurer  36 
4.3.11  Steenhuis et al.  36 
4.3.12  Adegoke  37 
4.4  Trag‐ und Verformungsverhalten Verbundknoten  38 
4.4.1  Allgemeines  38 
4.4.2  Bode & Kronenberger  39 
4.4.3  Anderson et al.  39 
4.4.4  rown & Anderson  39 
4.4.5  Kemp & Nethercot  39 
4.4.6  ECCS Document 109  40 
4.4.7  Schäfer  40 
4.4.8  Odenbreit et al.  41 
4.5  Übersicht bisheriger Duktilitätskriterien  41 
4.5.1  Allgemeines  41 
4.5.2  Zoetemeijer  41 
4.5.3  Jaspart  42 
4.5.4  Sonstige  43 
4.6  Übersicht zu „robuste“ Knoten  43 
4.6.1  Allgemeines  43 
4.6.2  Empfehlungen GSA  44 
4.6.3  Empfehlungen UFC  44 
4.6.4  Schlussfolgerung  44 
5   EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN ZUM TRAG‐ UND
VERFORMUNGSVERHALTEN AN STAHL‐ UND VERBUNDKNOTEN 46 
5.1  Allgemeines  46 
5.2  Versuche an Stahlknoten unter reiner Biegebeanspruchung  47 
5.2.1  Allgemeines  47 
5.2.2  Geometrie der geschraubten Stahlknoten  48 
5.2.3  Materialkennwerte  49 
5.2.4  Versuchsstand  51 
5.2.5  Messeinrichtung  53 
5.2.6  Versuchsablauf  54 
5.2.7  Versuchsergebnisse  55 
5.2.8  Zusammenfassung  68 
II