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Forschungsbericht: M-N-Interaktion bei nachgiebigen Verbindungen für Eurocode 3. Abschlußbericht

M-N-Interaktion bei nachgiebigen Verbindungen für Eurocode 3. Abschlußbericht

Bauforschung, Band T 2980
H. Pasternak, A. Schwarzlos
TU Cottbus, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Lehrstuhl für Stahlbau
2002, 78 S., Abb., Tab.
Fraunhofer IRB Verlag


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Kurzbericht [PDF] deutsche Version
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Inhalt

Der Forschungsbericht formuliert die Interaktionsbeziehung zwischen den Schnittgrößen Biegemoment und Normalkraft (Zug und Druck) bei nachgiebigen Schraub- und Schweißverbindungen. Die Arbeit greift hierbei einen Aspekt auf, welcher in bisherigen Normenwerken unberücksichtigt blieb und könnte somit der Erweiterung bestehender Regelwerke dienen. Es werden Entwürfe zur Tragfähigkeitsbemessung geschraubter Stütze-Riegel- und Riegel-Riegel-Verbindungen sowie geschweißter Verbindungen bei alleiniger Normalkraftbelastung unterbreitet und eine mögliche Interaktionsbeziehung vorgeschlagen. Die Ergebnisse basieren auf dem Komponentenmodell der Norm Annex J (Eurocode 3, 1-8) und könnten somit ohne größere Umstände eingearbeitet werden. Die Bemessungsvorschläge werden mit FE-Berechnungen verglichen, die Ergebnisse damit untermauert.

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung - Sinn und Zweck des Projektes, Zielstellung 1.1
1.1 Gliederung des Projektes 1.2
2 Ausgewählte Verbindungen 2.1
2.1 Schweißverbindungen 2.1
2.2 Geschraubte Riegel-Riegel-Verbindungen 2.1
2.3 Geschraubte Riegel-Stützen-Verbindungen 2.2
3 FE-Modellierung 3.1
3.1 Elemente 3.1
3.1.1 Schalenelemente 3.1
3.1.2 Balkenelemente (beam) 3.2
3.1.3 Balkenelemente (truss) 3.3
3.2 Lagerung und Belastung 3.3
3.3 Material 3.4
3.4 Schnittgrößendefinition 3.6
4 Zur Auswertung und Entwicklung der Interaktionskurven 4.1
5 Vorschläge zur Berechnung der Tragfähigkeiten bei alleiniger Zug- oder Druckbelastung sowie zur Berechnung der Interaktion 5.1
5.1 Tragfähigkeit bei alleiniger Druckbelastung 5.1
5.1.1 Geschraubte Verbindungen 5.1
5.1.1.1 Riegel-Riegel-Verbindungen 5.1
5.1.1.2 Riegel-Stützen-Verbindungen 5.3
5.1.2 Geschweißte Verbindungen 5.6
5.2 Tragfähigkeit bei alleiniger Zugbelastung 5.6
5.2.1 Geschraubte Verbindungen 5.7
5.2.1.1 Riegel-Riegel-Verbindungen 5.7
5.2.1.2 Riegel-Stützen-Verbindungen 5.9
5.2.2 Geschweißte Verbindungen 5.10
5.3 Vorschlag zur Berechnung der Interaktion zwischen Momenten- und Normalkraftbelastung 5.11
6 Vergleich der Ergebnisse aus FE-Berechnung, Berechnung nach EC3 und Bemessungsvorschlag 6.1
6.1 Vergleich bei Momentenbeanspruchung 6.1
6.2 Vergleich bei alleiniger Zugbeanspruchung 6.2
6.3 Vergleich bei alleiniger Druckbeanspruchung 6.2
6.4 Vergleich der Interaktion 6.3
7 Bewertung und Einschätzung der Ergebnisse, Zusammenfassung 7.1
7.1 Bewertung und Einschätzung der Ergebnisse 7.1
7.2 Zu "MNCon" 7.1
7.3 Zusammenfassung 7.2

Publikationslisten zum Thema:
Schraubverbindung, Schweißverbindung, Verbindung, Nachgiebigkeit, Stütze, Riegel, Biegemoment, Normalkraft, Interaktion, Gleichung, Linearität, Zugbeanspruchung, Druckbeanspruchung, Tragfähigkeitsberechnung, Moment, Eurocode 3, Bemessungsvorschlag, Vergleich, Ergebnisanalyse, Forschungsbericht,


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Der Forschungsbericht formuliert die Interaktionsbeziehung zwischen den Schnittgrößen Biegemoment und Normalkraft (Zug und Druck) bei nachgiebigen Schraub- und Schweißverbindungen. Die Arbeit greift hierbei einen Aspekt auf, welcher in bisherigen Normenwerken unberücksichtigt blieb und könnte somit der Erweiterung bestehender Regelwerke dienen. Es werden Entwürfe zur Tragfähigkeitsbemessung geschraubter Stütze-Riegel- und Riegel-Riegel-Verbindungen sowie geschweißter Verbindungen bei alleiniger Normalkraftbelastung unterbreitet und eine mögliche Interaktionsbeziehung vorgeschlagen. Die Ergebnisse basieren auf dem Komponentenmodell der Norm Annex J (Eurocode 3, 1-8) und könnten somit ohne größere Umstände eingearbeitet werden. Die Bemessungsvorschläge werden mit FE-Berechnungen verglichen, die Ergebnisse damit untermauert.


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Die Montagestöße turmartiger, kreiszylindrischer oder konischer Stahlbauten (Windenergietürme, Maste, Schornsteine) werden häufig als planmäßig vorgespannte geschraubte L-Ringflanschverbindungen ausgebildet. Der Bericht untersucht den Einfluss von Flanschklaffungen auf das innere Kräftespiel in L-Flansch-Stößen unter Rohrbiegung und analysiert die daraus resultierende Ermüdungsbeanspruchung der Schrauben. Das hierfür aufzubauende FE-Modell wurde experimentell validiert, indem großmaßstäbliche Rohrbiegeversuche an Ringflanschstößen durchgeführt wurden. Beschrieben werden die insgesamt vier Experimente, welche an einem perfekten Prüfflanschstoß, einem planmäßig imperfekten Stoß mit flanschseitiger Winkelklaffung, einem planmäßig imperfekten Stoß mit rohrseitiger Winkelklaffung sowie an einem planmäßig imperfekten Stoß mit Parallelklaffung durchgeführt wurden. Erläutert werden der Aufbau des FE-Modells mit Hilfe des Programmsystems ANSYS, dessen Validierung anhand der Versuchsergebnisse sowie eine numerische Parameterstudie, die an Ringflanschen mit zwei ausgewählten baupraktischen Ringflanschgeometrien durchgeführt wurde. Die Imperfektionsparameter wurden variiert und die damit berechneten Schraubenbeanspruchungsfunktionen miteinander verglichen. Der Forschungsbericht zieht aus den Untersuchungsergebnissen Schlussfolgerungen für die Bemessungspraxis und gibt Ausführungsempfehlungen.


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Es wird die Durchführung und Auswertung von Versuchen zur Zugkraftdeckungs- und zur Schubbemessungsproblematik an mittels Stahllaschen verstärkten Biegebauteilen beschrieben. In Verbundversuchen wurde das Verbundverhalten von Stahllaschen und Betonstählen getrennt untersucht. Anschließend wurde an platten- bzw. balkenförmigen Biegeträgern das Verbundverhalten dieser Stähle in Kombination erforscht, die Rissbildung an den Bauteilen beobachtet und der Zugkraftaufbau in den Bewehrungslagen zwischen den Rissen untersucht. Anhand der Versuchsergebnisse wurde das in der "Richtlinie für das Verstärken von Betonbauteilen durch Ankleben von Stahllaschen (01.00)" angegebene Zugkraftdeckungskonzept verifiziert. In Versuchen zur Schubbemessungsproblematik wurde an Versuchskörpern mit Plattenbalkenquerschnitt das Schubtragverhalten experimentell erfasst. In Anlehnung an die Bestimmungen der DIN 1045 (7.88) wurden Grenzwerte festgelegt, bis zu welchen auf zusätzlich geklebte Laschenbügel verzichtet werden darf, wenn die innere Schubbewehrung für den verstärkten Zustand ausreichend dimensioniert ist.


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Die für den Endverankerungsnachweis aufgeklebter Stahllaschen existierenden Rechenmodelle wurden ausschließlich an Verbundversuchen mit geringen Laschendicken kalibriert. In gezielten Versuchen an 24 Doppellaschenkörpern mit aufgeklebten Stahllaschen wurde erstmals der gesamte Bereich baupraktisch relevanter Laschendicken untersucht. Eine Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse und der vorliegenden Rechenansätze zeigte deutliche Abweichungen zwischen Experiment und Modell. Eine Ausweitung der vorliegenden Ansätze war nicht möglich, so daß unter Einbeziehung weiterer Verbundversuche ein neues Modell ausgearbeitet wurde, welches das Verbundverhalten aufgeklebter Stahllaschen in der klassischen Form eines Verbundgesetzes beschreibt. In Regressionsanalysen wurden die Abhängigkeiten der Parameter des Verbundgesetzes von den am Bauteil quantifizierbaren Einflußgrößen untersucht und Bestimmungsgleichungen festgelegt. Auf der Grundlage des so allgemein gültigen Verbundgesetzes wurde abschließend ein Konzept für den Endverankerungsnachweis im Bereich des äußersten Biegerisses für die Bemessung einer Biegeträgerverstärkung formuliert.


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