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 (cid:3)(cid:41)(cid:72)(cid:69)(cid:85)(cid:88)(cid:68)(cid:85)(cid:3)(cid:21)(cid:19)(cid:20)(cid:22)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:49)(cid:85)(cid:17)(cid:3)(cid:21)(cid:19)(cid:20)(cid:22)(cid:16)(cid:20) 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: (0711) 685 66245 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
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