Bemessung von Stahlanschlüssen

Stahlverbindungen bilden das Rückgrat von Stahlbauwerken und gewährleisten deren Integrität, Stabilität und Langlebigkeit. Im Laufe der Jahre haben technologische Fortschritte und neue Entwurfsmethoden die Herangehensweise von Ingenieuren an diese essenziellen Komponenten grundlegend verändert. Im Jahr 2025 werden neue Materialien, Software-Innovationen und effizienzorientierte Methoden die Gestaltung von Stahlverbindungen weiter revolutionieren.

Grundlagen der Stahlverbindungen

Stahlverbindungen verbinden zwei oder mehr strukturelle Elemente, übertragen Lasten und gewährleisten die Gesamtstabilität. Ein fachgerechter Entwurf berücksichtigt Lastübertragung, Dauerhaftigkeit sowie die Einhaltung von Industriestandards. Die Hauptkategorien von Stahlverbindungen umfassen:

• Geschraubte Verbindungen – Diese Verbindungen werden aufgrund ihrer einfachen Montage und Wartung bevorzugt. Schrauben zeichnen sich durch hohe Festigkeit sowie Widerstand gegen Scher- und Zugkräfte aus. Die häufigsten Schraubenklassen sind 8.8 und 10.9, während Klassen unterhalb dieser (wie 5.8) oft für Nebenkonstruktionen wie Geländer, Leitern oder Fassadenunterkonstruktionen verwendet werden. Im imperialen System sind die Klassen A325 und A490 am gebräuchlichsten.

Schrauben werden in der Regel auf der Baustelle montiert, wodurch die Abmessungen der Konstruktionselemente (Träger, Stützen) erheblich reduziert werden können. Dadurch lässt sich die Struktur in kleinere Einheiten aufteilen, anstatt große geschweißte Abschnitte zu erstellen – ein bedeutender Vorteil für Transport und Baustellenorganisation.   

Ein weiteres Merkmal von geschraubten Verbindungen ist die Möglichkeit zur Anwendung von Langlöchern, die Bewegungen des Verbindungspunktes in eine bestimmte Richtung ermöglichen. Dies ist besonders für Bauwerke wie Brücken von entscheidender Bedeutung, da diese aufgrund ihrer Dimensionen erheblichen thermischen Spannungen und Verformungen ausgesetzt sind.
Schraubverbindungen können vorgespannt (gleitfest) sein, wobei die Scherkraft über die Reibung zwischen zwei verschraubten Kontaktflächen übertragen wird, oder nicht vorgespannt (mit zulässiger Gleitbewegung), wobei die Scherkraft direkt über die Schraube selbst übertragen wird. Die Vorspannung einer Schraube wird durch Anziehen erzeugt, wobei die Anforderungen an die Anziehgrade und -methoden in Ausführungsnormen wie EN 1090-2 festgelegt sind. Vorgespannte Schrauben werden bevorzugt für Verbindungen eingesetzt, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, beispielsweise bei Brücken und Kranbahnen, da sie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungen bieten. Ebenso werden sie bei Trägerverlängerungen verwendet, da jede Gleitbewegung innerhalb der Verbindung zu erheblichen Durchbiegungen und einer unerwarteten Neuverteilung der Kräfte führen könnte, die in der ursprünglichen statischen Berechnung nicht berücksichtigt wurden.
Zusätzlich zur Ermüdung sind Konstruktionen, die dynamischen Belastungen unterliegen, anfällig für selbstständiges Lockern der Schraubenverbindungen. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Konstruktion sowie ihre Schrauben wiederholten Vibrationen ausgesetzt sind (beispielsweise bei tragenden Elementen und Stützen für rotierende Maschinen). In solchen Fällen sind neben routinemäßigen Inspektionen besondere Maßnahmen erforderlich, um ein selbstständiges Lockern zu verhindern. Dazu gehören der Einsatz von Doppelmutter-Sicherungen oder spezielle Schraubenverbindungen mit Muttern und Unterlegscheiben, die gezielt entwickelt wurden, um eine Lockerung zu verhindern.

• Geschweißte Verbindungen – Im Gegensatz zu geschraubten Verbindungen sind geschweißte Verbindungen dauerhaft und können nicht entfernt werden, ohne die Verbindung selbst zu zerstören. Das Schweißen erfolgt in der Regel in Werkstätten unter kontrollierten Bedingungen; die verschweißten Baugruppen werden dann zur Baustelle transportiert und dort meist mit Schrauben montiert. Schweißarbeiten können jedoch auch direkt auf der Baustelle durchgeführt werden, was jedoch mit Nachteilen verbunden ist. Dazu zählen ein zusätzlicher Korrosionsschutz der Schweißnaht und ihrer Umgebung sowie eine erschwerte Inspektion geschweißter Verbindungen, wodurch diese Verbindungsart kostspieliger wird. Geschweißte Verbindungen bieten eine höhere Festigkeit und Steifigkeit als geschraubte Verbindungen.
  Aus ästhetischer Sicht sind Schweißverbindungen den geschraubten überlegen, da die verbundenen Elemente glatter und durchgehender sind, mit kaum sichtbaren Verbindungspunkten. Zudem sind geschweißte Verbindungen die effizienteste Lösung für Bauwerke, bei denen Luftdichtheit von höchster Bedeutung ist, beispielsweise Tanks und Rohrleitungen. Allerdings erfordert das Schweißen eine wesentlich höhere Präzision, eine längere Vorbereitung und Ausführung, teureres Equipment sowie umfangreiche Fachkenntnisse seitens des Schweißers.

Da beim Schweißen die Elemente durch das Verschmelzen ihrer Verbindungsflächen, -punkte oder -linien verbunden werden, ist es entscheidend, dass die Schweißnähte den geltenden Normen entsprechen, wie z. B. EN 1090-2 oder AWS D1.1. Schweißnähte dürfen keine eingeschlossene Luftblasen oder Verunreinigungen enthalten, sie müssen gleichmäßig und von einheitlicher Dicke sein, da jegliche Mängel die Tragfähigkeit der Verbindung erheblich beeinträchtigen können. Auch dem Abkühlungsprozess der Schweißnaht muss besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da die nach der Abkühlung auftretende Schrumpfung zu Rissen führen kann. Diese Risse können sich weiter ausbilden und die Festigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung gefährden.
Da die verbundenen Elemente bei hohen Temperaturen geschmolzen werden, verändert sich die Mikrostruktur des Metalls in der Wärmeeinflusszone. Diese Veränderung muss bei der Festigkeitsanalyse berücksichtigt werden. Dieser Effekt ist insbesondere bei geschweißten Verbindungen in Aluminiumkonstruktionen stark ausgeprägt und muss routinemäßig in die Analyse solcher Bauwerke einfließen.
Je nach Geometrie der Verbindung gibt es verschiedene Arten von Schweißnähten. Zu den häufigsten im Bauwesen zählen Kehlnahtschweißungen, bei denen zwei Elemente in einem Winkel (üblicherweise zwischen 60° und 120°) verbunden werden, sowie Stumpfnähte, bei denen sich die verbundenen Bauteile in einer einzigen Ebene befinden.
Da Schweißnähte strukturelle Diskontinuitätspunkte sind, neigen sie dazu, Spannungen zu konzentrieren. Daher ist es zwingend erforderlich, bei dynamisch belasteten Strukturen alle Schweißnähte auf Ermüdung zu prüfen und strengere Ausführungsnormen im Vergleich zu überwiegend statisch belasteten Strukturen anzuwenden.

• Hybridverbindungen – Eine Kombination aus geschraubten und geschweißten Techniken nutzt die Vorteile beider Methoden für eine optimierte Leistung in komplexen Strukturen. Dabei ist zu beachten, dass ausschließlich vorgespannte Schrauben in Hybridverbindungen verwendet werden dürfen.

Beste Softwarelösungen für die Bemessung von Stahlverbindungen

Standards wie EN 1993-1-8, AISC 360 (Kapitel J) oder AS 4100 (Kapitel 9) regeln den Bereich der Bemessung von Stahlverbindungen. Sie enthalten Bestimmungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Schrauben und Schweißverbindungen an Knotenpunkten und liefern Daten zu zulässigen Schweißnahtgrößen, den minimalen und maximalen Schraubenabständen usw. Darüber hinaus gibt es verschiedene weitere Dokumente mit Richtlinien für die Analyse und Gestaltung von Stahlverbindungen, insbesondere die vom British Steel Construction Institute (SCI) veröffentlichten Dokumente P358 – Simple Joints to Eurocode 3 und P398 – Moment-Resisting Joints to Eurocode 3.

Es gibt eine Reihe kommerzieller und kostenloser Softwaretools und Tabellenkalkulationen, mit denen die Einhaltung der Normen für Verbindungen überprüft werden kann. Die meisten dieser Werkzeuge sind jedoch auf gängige und verbreitete Verbindungstypen beschränkt und bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur Analyse komplexer und nicht standardisierter Verbindungen.

Eine der möglichen Lösungen zur präzisen Auslegung komplexer Verbindungen (sowie standardisierter und einfacher Verbindungen) besteht darin, die Finite-Elemente-Analyse (FEA) anzuwenden und die Verbindungen in einer spezialisierten Software zu modellieren. Unter diesen Softwarelösungen ist IDEA StatiCa definitiv führend – eine Software, die eine fortschrittliche Analyse von Knoten mit der Finite-Elemente-Analyse kombiniert und zusätzlich eine Ergebnisextraktion sowie eine automatische Überprüfung der Elemente gemäß dem gewünschten Standard ermöglicht. Dies gewährleistet eine beispiellose Flexibilität in der Analyse und Konstruktion. Neben der Festigkeitsanalyse der Verbindungselemente (Grundplatten, Schrauben, Schweißverbindungen) bietet diese Software auch:

• Spannungs- und Steifigkeitsanalyse
• Beurteilung von Stabilitäts- und Ermüdungsproblemen
• Überprüfung der Feuerwiderstandsfähigkeit
• Nahtlose Integration mit globalen BIM-Tools wie Tekla Structures und Autodesk Revit

Die Funktion zum Import von Geometrie- und Belastungsdaten aus anderen Konstruktionsplattformen optimiert Arbeitsabläufe, reduziert die Konstruktionszeit und minimiert menschliche Fehler.

Neue Trends in der Bemessung von Stahlverbindungen (Ausgabe 2025)

1. KI-gestützte Optimierung

Künstliche Intelligenz revolutioniert die Bemessung von Stahlverbindungen, indem sie routinemäßige Berechnungen automatisiert, potenzielle Schwachstellen erkennt und optimale Konfigurationen empfiehlt. Dies reduziert Materialverschwendung und gewährleistet gleichzeitig die Einhaltung sich weiterentwickelnder Branchenstandards. Die Weiterentwicklung von KI-Werkzeugen wird voraussichtlich die Effizienz steigern und den gesamten Prozess der Verbindungsbemessung optimieren. Es gibt bereits Lösungen, die Verbindungstypen mit vordefinierten Plattendicken, der Anzahl der Schrauben samt Durchmessern sowie Schweißnahtdicken anhand der auf den Knoten wirkenden Kräfte und der Position des Knotens (beispielsweise für Träger-Stützen- oder Träger-Träger-Verbindungen) empfehlen. Natürlich obliegt es dem Ingenieur, eingehende Sicherheits- und Normprüfungen der Verbindung durchzuführen, um sicherzustellen, dass alle Elemente sicher und vollständig normgerecht sind. Doch dieser Prozess der Verbindungsbemessung stellt eine äußerst effiziente Lösung dar, insbesondere für große und komplexe Strukturen mit zahlreichen Knotenpunkten.

2. 3D-Druck in der Stahlfertigung

Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung maßgeschneiderter Stahlverbindungen mit komplexen Geometrien, die zuvor nicht realisierbar waren. Diese Technologie ist besonders vorteilhaft für Projekte mit hohen Belastungen oder architektonisch einzigartigen Strukturen

3. Nachhaltige Materialien und Konstruktion

Nachhaltigkeit treibt Innovationen voran, wobei Ingenieure hochfesten recycelten Stahl und alternative Verbindungsmethoden erforschen, um den gebundenen Kohlenstoff zu reduzieren. Energieeffiziente Fertigungstechniken wie das Laser-Schweißen gewinnen an Beliebtheit aufgrund ihrer Präzision und ihres minimalen ökologischen Fußabdrucks.

4. Erweiterte Simulation & AR-Integration

Augmented-Reality-(AR)-Werkzeuge werden mittlerweile in die Bemessung von Stahlverbindungen integriert, sodass Ingenieure ihre Entwürfe in immersiven 3D-Umgebungen testen und damit interagieren können, noch bevor die Fertigung beginnt. Dies verbessert die Visualisierung und erleichtert die Fehlererkennung.

Abschließende Gedanken: Was bringt die Zukunft?

Die Bemessung von Stahlverbindungen ist dank modernster Technologien und eines stärkeren Fokus auf Nachhaltigkeit heute anspruchsvoller und effizienter denn je. Ingenieure, die sich mit den neuesten Software-Tools, Entwurfsmethoden und Best Practices vertraut machen, sind bestens gerüstet, um die Herausforderungen des Jahres 2025 und darüber hinaus zu meistern.

Für weiterführende Einblicke und fachkundige Beratung zur Bemessung von Stahlverbindungen stehen wir Ihnen bei TIM Global Engineering gerne zur Verfügung. Wir helfen Ihnen, sich mit Zuversicht in der sich wandelnden Welt des Bauingenieurwesens zurechtzufinden.