Stahlbau Grundlagen. Verbindungen im Stahlbau. Prof. Dr.-Ing. Uwe E. Dorka

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1 Stahlbau Grundlagen Verbindungen im Stahlbau Prof. Dr.-Ing. Uwe E. Dorka

2 Leitbauwerk Halle: Verbindung in einer Rahmenecke 2

3 Verbindungen im Stahlbau Nieten (heute nicht mehr) Schrauben Bild: Georg Slickers Bild: Marcel Kaupmann Schweißen Kleben (mehr in der Zukunft?) Bild: Marcel Kaupmann Bild: BTU Cottbus 3

4 Schraubverbindungen Garnituren Nicht vorgespannte Schrauben: Vorgespannte Schrauben: Schrauben: DIN EN ISO 4014 und 4016 DIN EN ISO 7411 Muttern: DIN EN ISO 4032, 4034 und 7413 DIN EN ISO 4775 Unterlegscheiben: DIN EN ISO 7089, 7090 und 7091 DIN EN ISO 7415 und

5 Schraubverbindungen Bezeichnungssystem der Festigkeitsklassen Tabelle 1 DIN EN ISO

6 Schraubverbindungen Mechanische und physikalische Eigenschaften, Tab. 3 DIN EN ISO

7 Schraubverbindungen Scher-/Lochleibungsverbindung Keine Vorspannung erforderlich Festigkeitsklassen: 4.6 bis 10.9 Gleitfeste Verbindung Vorspannung erforderlich Festigkeitsklasse: 8.8 und 10.9 (gem. EC 3) aus [3] 7

8 Schraubverbindungen Versagensarten Scher-/Lochleibungsverbindungen Abscheren aus [7] Von Mises Spannung : ( ) ( ) ( ) 1 σ = σ σ + σ σ + σ σ

9 Schraubverbindungen Versagensarten Scher-/Lochleibungsverbindungen Lochleibung aus [7] Von Mises Spannung : ( ) ( ) ( ) 1 σ = σ σ + σ σ + σ σ

10 Schraubverbindungen Versagensarten Scher-/Lochleibungsverbindungen Lochleibung: Einfluss der Loch- und Randabstände Von Mises Spannung : ( ) ( ) ( ) 1 σ = σ σ + σ σ + σ σ

11 Schraubverbindungen Versagensarten Scher-/Lochleibungsverbindungen Nettoquerschnitt Von Mises Spannung : ( ) ( ) ( ) 1 σ = σ σ + σ σ + σ σ

12 Schraubverbindungen Versagensarten Scher-/Lochleibungsverbindungen Endquerschnitt (Schub) Von Mises Spannung : ( ) ( ) ( ) 1 σ = σ σ + σ σ + σ σ

13 Schraubverbindungen Kraft-Verformungsbeziehungen Kraft- Verschiebungsdiagramm für Scherverbindungen aus [3] 13

14 Schraubverbindungen Abscheren je Scherfuge nach DIN EN , Tab. 3.4 F v,rd α f γ = v ub M2 A f γ ub M2 : Charakteristischer Wert der Zugfestigkeit des Schraubenwerkstoffes : Teilsicherheitsbeiwert 14

15 Schraubverbindungen Lochleibung nach DIN EN , Tab. 3.4 k α f d t γ 1 b u Fb,Rd = M2 t : Maßgebende Blechdicke d : Schaftdurchmesser der Schraube α : Beiwert zur Berücksichtigung der Rand und Lochabstände b f : u γ M 2 fub wobei αb der kleinste Wert von αd; oder 10, f Charakteristischer Wert der Zugfestigkeit : Teilsicherheitsbeiwert u 15

16 Schraubverbindungen Zugversuch aus [7] aus [3] 16

17 Schraubverbindungen Nachweis auf Zug nach DIN EN , Tab. 3.4 A : Spannungsquerschnittsfläche f S u,b,k γ M 2 k f A γ 2 ub S Ft,Rd = M2 : Charakteristischer Wert der Zugfestigkeit des Schraubenwerkstoffes : Teilsicherheitsbeiwert Nachweis auf Durchstanzen nach DIN EN , Tab. 3.4 B p,rd = 06, π dm tp f u / γ M2 d : Mittelwert auseckmaßund Schlüsselweite desschraubenkopfes γ p m t : M2 oder der Schraubenmutter (maßgebendist der kleinere Wert) Blechdicke der Unterlegscheibe : Teilsicherheitsbeiwert 17

18 Schraubverbindungen Kombination von Scher-/ Lochleibung und Zug 1 Fv,Ed Ft,Ed + 1 F 14, F v,rd t,rd 0.8 Der Nachweis darf entfallen, wenn 0.6 Nd N R,d oder Vd V R,d 025, ist. F F n ( v ) v,ed v,rd Stirnplattenstoß mit mehreren Schraubenreihen F 14, F t,ed v t,rd 18

19 Schraubverbindungen Vorgespannte Schrauben 1 N F Vg,R,d = µ F V 115, γ mit γ = 10, und µ = 05, M V M Vorspannkräfte und Anziehmomente für Garnituren der Festigkeitsklasse 10.9 V g,r,d :Grenzgleitkraft µ : Reibungszahl Fv : N : Vorspannkraft der Schraube Zugkraf tan teil der Schraube 19

20 Schraubverbindungen Vorgespannte Schrauben Normalkraft Last Vorgespannte Schraube mit gezogenem Schaft und gedrückten Kontaktflächen 20

21 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze aus [7] 21

22 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Teiltragfähigkeit, Verbindungssteifigkeit M j,rd M Ed S j,ini S j Φ Cd Anschlußgrenzmoment Bemessungsmoment Anfangssteifigkeit Sekantensteifigkeit Rotationskapazität Momenten Rotations-Charakteristik eines Riegel-Stützenanschlusses aus [1] 22

23 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Klassifizierung nach der Steifigkeit Klassifizierung nach der Tragfähigkeit aus [4] 23

24 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Versagensarten aus [1] 24

25 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Stirnplattenstoß mit überstehender Stirnplatte und vereinfachtes Modell zur Übertragung der Gurtkräfte aus [5] 25

26 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Der äquivalente T-Stummel Abmessungen aus [1] 26

27 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Versagensmodelle für den T-Stummel: aus [6] 27

28 Anschlusskonstruktion: Riegel-Stütze Fließlinien- und Fließkegelmuster Nicht kreisförmiges Muster kreisförmiges Muster aus [5] 28

29 Schweißverbindungen aus [7] 29

30 Schweißverbindungen 30

31 Schweißverbindungen- Kehlnaht σ : Normalspannung senkrecht zur Schweißnahtachse I σ : Normalspannung parallel zur Schweißnahtachse II τ : Schubspannung (in der Ebene der Kehlnahtfläche) I τ : Schubspannung (in der Ebene der Kehlnahtfläche) II β γ w senkrecht zur Schweißnahtachse parallel zur Schweißnahtachse. : Korrelationsbeiwert nach Tab. 41. (EN ) f : Charakteristischer Wert der Zugfestigkeit des Schrauben u M2 werkstoffes :Teilsicherheitsbeiwert 31

32 Schweißverbindungen- Kehlnaht Nachweis an jeder Stelle nach DIN EN , 4.5.3: 0, 5 ( ) f / ( 2 ) σ + 3 τ + τ β γ u n d σ I I II u w M = 0, 9 f / γ I u M2 32

33 Schweißverbindungen- Kehlnaht Vereinfachter Nachweis für Kehlnaht nach : F w,e d w,r d F f a w,e d F w,r d F w,e d fu β w 3 γ M2 a F w,e d : d e r B e m e s s u n g s w e rt is t d ie R e s u ltie re n d e a lle r a u f d ie w irk s a m e K e h ln a h tflä c h e e in w irk e n d e n K rä fte je L ä n g e n e in h e it F w,r d : d e r B e m e s s u n g s w e rt d e r T ra g fä h ig k e it d e r S c h w e iß n a h t je L ä n g e n e in h e it f d : d e r B e m e s s u n g s w e rt d e r S c h e rfe s tig k e it d e r w,r S c h w e iß n a h t 33

34 Schweißverbindungen A = 2 l a τ II w w w = F A w 34

35 Schweißverbindungen T τ II = = V z I S y T 2 a w y 35

36 Schweißverbindungen σ = I M W y y τ = I V A z w 36

37 Schrifttum [1] DIN EN : Bemessung von Anschlüssen Beuth Verlag [2] DIN EN : Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Beuth Verlag [3] Petersen Stahlbau Vieweg, 3. Auflage, 2001 [4] Kuhlmann et. al. Anschlüsse im Stahl- und Verbundbau Der Prüfingenieur, April 2008 [5] Kindmann Verbindungen Der Prüfingenieur, April 2003 [6] Kühnemund Zum Rotationsnachweis nachgiebiger Knoten im Stahlbau Dissertation 2002 [7] Videos: European Steel Design Education Programme ESDEP Stahl-Informations-Zentrum Düsseldorf 37