Stahlverbindungen werden verwendet, um zwei oder mehr Elemente einer Konstruktion aus Stahl zu verbinden. Bei der Bemessung erfolgt eine Analyse und Berechnung der Festigkeit und Stabilität solcher Verbindungen, damit die Konstruktion selbst die Anforderungen an Festigkeit und Stabilität erfüllen kann.
Die Bemessung von Stahlanschlüssen kann eine große Herausforderung sein, insbesondere wenn Berechnungen von Hand durchgeführt werden. In solchen Fällen können Arbeitsabläufe besonders anstrengend, ja sogar erschwert werden, wenn die erforderlichen Kontrollen nicht ordnungsgemäß und den vorgeschriebenen Anforderungen entsprechend durchgeführt werden.
In dem Zusammenhang sind sich die meisten Experten einig, dass die meisten Zeichnungen, insbesondere von Standardkonstruktionen, effizient genug sind, um die Konstruktionsbemessung und die Detaillierung des Designs und der Stahlverbindungen ziemlich einfach zu gestalten. In anderen Fällen neigen einige Ingenieure dazu, die Dinge zu verkomplizieren, um am Ende eine komplexe und unnötig komplizierte Verbindung mit teilweise beeinträchtigter Haltbarkeit zu erhalten.
Dieser Artikel befasst sich vor allem mit den Grundlagen der Verbindungsbemessung im Stahlbau und den Besonderheiten dieses Verfahrens sowie einigen der besten Softwarelösungen, die den gesamten Prozess erheblich vereinfachen können.
Was sind Stahlverbindungen?
Generell lassen sich Stahlverbindungen in drei Unterkategorien einteilen. All diese Einteilungen können bei der Kalkulation helfen, weil sie die Lösungsauswahl nach den Möglichkeiten der Umsetzung in der Praxis eingrenzen können.
Um es einfach ausgedrücken, lassen sich Verbindungen nach folgenden Merkmalen klassifizieren:
- Verbindungsmethoden: Heutzutage sind Schrauben und Schweißnähte die am weitesten verbreiteten Verbindungsmöglichkeiten. Schrauben bieten wirtschaftliche Installationslösungen, während Schweißnähte einfach sind. Wir werden im weiteren Verlauf des Artikels mehr darüber sprechen.
- Schnittgrößen, die die Verbindungen übertragen sollten: Die Planung sollte auf den Auswirkungen basieren, die in der Konstruktion selbst vorhanden sind, genauer gesagt, die die Verbindung selbst übertragen sollte. In diesem Sinne lassen sich Verbindungen nach der Art der zu übertragenden Lasten in Schub-, Axial- und Momentenverbindungen unterteilen.
- Verbindungselemente: Diese Klassifizierung basiert auf verbundenen Strukturelementen, die tatsächlich der Ausgangspunkt für die Berechnung von Verbindungen in Stahlkonstruktionen sein können. Verbindungen können Träger-Träger-, Träger-Stütze-, Laschenstoß-Verbindungen und Fußplatten-Verbindungen sein.
Über geschweißte und geschraubte Verbindungen
Bei modernen Projekten werden hauptsächlich Schrauben und Schweißnähte verwendet, um Stahlbauteile zu verbinden. Früher waren zwar Nieten das Hauptverbindungsmittel, aber Schweißnähte und Schrauben haben sie aus verschiedenen Gründen ersetzt.
Geschraubte Verbindungen
Nieten wurden mehr oder weniger vollständig ersetzt, da sie eine solide Alternative zu niedrigeren Installationskosten waren und außerdem einfacher zu installieren und zu warten waren. Es gibt zwei Hauptschraubentypen, die üblicherweise in Stahlverbindungen verwendet werden, und dies sind vorgespannte und nicht vorgespannte Schrauben, die alle auf der Grundlage ihrer Festigkeit in Klassen (oder Grade) unterteilt sind, wobei die Klassen 8.8 und 10.9 am weitesten verbreitet sind. Obwohl sie ein einfaches und zugängliches Verbindungsmittel in Stahlkonstruktionen sind, können sie sich unter Vibrationsbelastungen lösen, was die Gesamtfestigkeit der Struktur beeinträchtigen kann. In solchen Fällen sollten spezielle Schraubengruppen verwendet werden, um dieses Phänomen zu verhindern. Natürlich ist es wichtig, die Hauptanschlüsse regelmäßig zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die Muttern richtig angezogen sind.
Schweißverbindungen
Auch diese Verbindungen sind recht einfach aufgebaut und benötigen nur wenig Material und wenige Teile. Das einzige Problem ist, dass Schweißnähte zum Schrumpfen neigen, was in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden muss, insbesondere bei massiveren Schweißnähten. Darüber hinaus kann die Inspektion der Schweißnähte eine Herausforderung darstellen, und aus diesem Grund kann die Wartung schwieriger und teurer sein. Allerdings haben verschiedene Schweißnahttypen auch unterschiedliche Qualitäten, daher ist es wichtig, sie genauer zu betrachten, bevor Sie sich im Designprozess für eine entscheiden. Das Schweißen wird meistens in Fertigungsstätten unter kontrollierten Bedingungen und nicht vor Ort durchgeführt, da die Schweißqualität aufgrund externer Faktoren beeinträchtigt werden kann.
Die Verwendung von FEM
Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird verwendet, um Schnittgrößen und Verformungen zu erhalten, die später zur Überprüfung der Festigkeit und Stabilität der Struktur und damit der Verbindung verwendet werden, und ist daher zum Grundgedanken der Berechnung und Analyse von Verbindungen in Stahlkonstruktionen geworden
Die FEM-Methode hilft Ingenieuren dabei zu bestimmen, wie verschiedene Materialien und Verbindungskomponenten auf Belastung reagieren..
Softwaretools zur Bemessung von Stahlverbindungen
Experten empfehlen größtenteils den Einsatz umfassender Software, die für das Design und nicht standardmäßige Verbindungen verwendet werden kann. Obwohl Limcon, Ram und PROKON solide Qualitätswerkzeuge sind, die allgemein von allen zur Berechnung und Analyse von Verbindungen verwendet werden, kann man sie nur für jene einsetzen, die bereits in den Bibliotheken der Tools selbst vordefiniert sind. Dies bedeutet, dass Ingenieure zusätzliche Modelle in FEM-Anwendungstools erstellen müssen, um die Tragfähigkeit zu berechnen, was ein zeitaufwändiger Prozess ist und aufgrund der komplizierten Modellierung von Nähten, Materialnichtlinearitäten, nichtlinearen Kontakten zwischen Verbindungselementen usw. zu einer Komplikation werden kann.
Aus diesem Grund werden unsere Berechnungen in erster Linie mit IDEA StatiCA durchgeführt, einer Premium-Software für Stahlverbindungen, die nahezu jeden Geometrieverbindungstyp überprüfen und alles von einfachen bis hin zu ziemlich komplizierten und komplexen Projekten problemlos entwerfen kann.
Dieses Tool gibt Ingenieuren die Freiheit, eine Vielzahl von Anschlusstopologien zu entwerfen, entweder von Grund auf neu oder mit Hilfe vorgefertigter Vorlagen.
Darüber hinaus kann IDEA StatiCa problemlos eine Vielzahl von Analysen durchführen, z. B. Spannungs- und Steifigkeitsanalysen, Gesamtauslastungsprüfungen und Bauanalysen.
Außerdem haben Ingenieure die Möglichkeit, Geometrie und Verbindungsbelastungen aus anderen globalen Analysetools automatisch zu importieren, und sie auf jedes Konstruktionsprojekt anzuwenden.
Schließlich stellt das Unternehmen hinter der Software auch umfangreiche Dokumentationen auf seiner Plattform bereit, um den Ingenieuren zu helfen, die mehr lernen möchten. Das Team organisiert auch regelmäßig Webinare, in denen es reale, mit der Software entworfene Beispiele zeigt.
Was Sie bei der Berechnung von Verbindungen tun und was Sie vermeiden sollten
Wie bereits erwähnt, sind Standardstrukturen mit bewährten Elementen oft einfach zu entwerfen und zu erstellen. Oft scheinen Ingenieure jedoch ansonsten einfache Verbindungen zu verkomplizieren, was zu unnötigen Kopfschmerzen, verpassten Fristen und zusätzlichen Kosten führen kann.
Hier sind also einige der Best Practices, die Ingenieure vor/während und sogar nach dem Designprozess einhalten sollten:
- Beantworten Sie jede Anfrage nach Informationen so schnell wie möglich. Verzögerungen können den gesamten Detaillierungsprozess verlangsamen.
- Listen Sie alle Normen und Regelwerke zur Berechnung von Verbindungen in Stahlkonstruktionen auf.
- Arbeiten Sie mit dem Verbindungsberechnungsingenieur zusammen und hören Sie sich seine Vorschläge und Erfahrungen an, die er mit Ihnen teilt.
- Geben Sie die tatsächlich am Knoten/Verbindung auftretenden Einwirkungen ein und vermeiden Sie einheitliche Bemessungslastkriterien.
- Versuchen Sie, die Situation zu vermeiden, in der Träger unterschiedlicher Höhe dieselbe Momentverbindung haben, da dies höhere Kräfte auf die Stütze ausüben kann, da sich die Bleche an den Unterschenkeln auf unterschiedlichen Ebenen befinden.
- Vermeiden Sie das Mischen von Schrauben des Typs 8.8 und 10.9, da dies zu Montagefehlern führen kann.
- Wenn für dasselbe Projekt Schrauben mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden müssen, sollten mindestens zwei Durchmesserreihen zwischen ihnen verbleiben, um bei der Montage vor Ort keinen Fehler zu machen.
- Die Nahtgröße sollte 8 mm nicht überschreiten. Wenn sie größer sein müssen, versuchen Sie es mit längeren und kleineren Alternativen.
- Bei der Bemessung das Fließen, Stegbeulen und lokale Flanschbiegung bei Breitflanschträgern in Momentenanschlüssen prüfen. Es kostet Sie weniger, als die erforderlichen Verstärkungen nachträglich zu installieren.
Und das ist natürlich nicht alles in Bezug auf die Berechnung von Verbindungen…
Dies sind nur einige der grundlegenden Aspekte, die Ingenieure bei der Konstruktion verschiedener Verbindungen in Stahlkonstruktionen berücksichtigen müssen. Um ehrlich zu sein, würde es viel mehr Zeit in Anspruch nehmen, die Best Practices und alle Anforderungen aufzulisten, und der Artikel selbst wäre viel länger. Wenn Sie Fragen oder Probleme haben, können Sie sich daher jederzeit an uns wenden, um weitere Informationen zu erhalten.
