Entwurf von Knoten und Anschlüssen im Stahlbau

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1 Entwurf von Knoten und Anschlüssen im Sthlbu Technische Universität Drmstdt Institut für Sthlbu und Werkstoffmechnik Rlf Steinmnn 1

2 1 Schweißverbindungen Den Nchweis für die usreichende Trgfähigkeit von Schweißnähten regelt DIN EN Kpitel 4. Dies gilt für Bleche nch EN Tbelle 3.1 (oder vergleichbr nch den Anforderungen in Abschnitt 3.) mit einer Blechdicke t >= 3mm und bei Hohlprofilen für t>=,5mm. Als Kehlnähte werden Schweißverbindungen im spitzen Winkel zweier neinnder stoßender Bleche mit einem Öffnungswinkel zwischen 60 und 10 bezeichnet. Die Schweißnht verbindet die Oberflächen der Bleche. Als Stumpfnht bezeichnet mn Schweißnähte, bei denen mindestens eine Stirnseite eines Bleches verschweißt wird. Mn unterscheidet dbei voll durchgeschweißte Nähte, bei der die Schweißnht die gesmte Blechdicke erfsst von nicht durchgeschweißten Nähten, bei der nur ein Teil der Blechdicke von der Schweißnht erfsst wird. Nicht durchgeschweißte Nähte werden beim Nchweis der Trgfähigkeit wie Kehlnähte behndelt. Der Trqfähigkeitsnchweis wird mit Spnnungen im kritischen Schnitt geführt. Die Schnittfläche Aw ergibt sich durch Multipliktion der Schweißnhtlänge mit dem kürzesten Abstnd zwischen der Schweißnhtwurzel und der Schweißnhtoberfläche (Im Fertigungsprozess entstndene konvexe Rundungen nch ußen dürfen nicht berücksichtigt werden, konkve Rundungen, die ds Mß verringern müssen berücksichtigt werden.) = kürzester Abstnd von der Wurzel zur Nhtoberfläche l W = Schweißnhtlänge Abbildung 1.1: Kehlnhtgeometrie Die Spnnungen im kritischen Schnitt entlng der Linie müssen die folgenden Bedingungen erfüllen: von Mieses σ +3 τ +3 τ σ w, Rd = f u β w γ M und σ 0,9 f u γ M

3 In der Prxis müssen die Spnnungskomponenten im kritischen Schnitt us der Spnnungen der ngeschlossenen Bleche berechnet werden. Dher ist es nheliegend Vereinfchungen für prktisch uftretende Fälle vorzunehmen. Abbildung 1.: Schweißnhtspnnungen Bei typischen rechtwinkligen Verbindungen mit Kehlnähten (siehe Abbildung 1.) oder bei Stumpf verschweißten Blechstößen können 3 Fälle unterscheiden. Im Fll 1 wird die Schweißnht usschließlich durch τ bensprucht. Diese Benspruchung entsteht durch eine Streckenlst q x. Alle nderen Spnnungskomponenten nehmen den Wert 0 n. Der Nchweis für solche Situtionen ist in (Abbildung 1.3) gezeigt. In diesem Fll bietet die Schweißnht den geringsten Widerstnd und der Nchweis knn deshlb ohne weiteres uf die übrigen Fälle ngewendet werden. Die Ergebnisse liegen uf der sicheren Seite. Dies ist vor llem dnn sinnvoll und verringert den Aufwnd, wenn die Schweißverbindung us konstruktiven Gründen erforderlich ist und nur geringe Kräfte zu übertrgen ht. Es entspricht dem Vereinfchten Verfhren nch DIN-EN Abschnitt

4 Fll 1: nur Fx wirkt τ = q x 3 τ σ w, Rd Nchweis τ σ w, Rd 3 q Bemessung x σ w, Rd / 3 erf,1 Abbildung 1.3: Fll 1: Schubspnnungen Im Fll (Abbildung 1.4) wird über ds nschließende Blech die Benspruchung q z übertrgen. Ddurch entsteht in der Schweißnht die Spnnung s 1. Fll : nur qz wirkt: σ 1 = q z σ = σ 1 τ = σ 1 σ 1 /+3σ 1 / σ w, Rd Nchweis σ 1 σ w, Rd q Bemessung z σ w, Rd / erf, Abbildung 1.4: Fll : Schub und Normlspnnungen gleicher Größe In diesem Fll treten im kritischen Schnitt sowohl Schub- ls uch Normlspnnungen uf, die ufgrund der einfchen geometrischen Verhältnisse den gleichen Wert nnehmen und im Nchweis zusmmengefsst werden können. Die. Bedingung für die Normlspnnung σ im kritischen Schnitt ist bei dieser Vorgehensweise utomtisch erfüllt. Nchweis für gemischte Fälle: ( Abbildung 1.5: Gemischte Fälle 1 und σ 1 σ w / ) + ( τ σ w / 3) 1 mit erf,1 + erf, = ges 4

5 Mit Hilfe der beiden Fälle 1 und lssen sich entsprechend Abbildung 1.5 uch kombinierte Benspruchungen q x und q z behndeln. Der Vorteil bei der oben getroffenen Unterscheidung liegt drin, dss die Berechnung der erforderlichen Schweißnhtdicke ges durch einfche geometrische Überlgerung der beiden Fälle 1 und erfolgen knn. Diese Vorgehensweise entspricht dmit dem richtungsbezogenen Nchweisverfhren nch DIN EN Abschnitt und schöpft dmit in einfcher Weise die Trgreserven in der Schweißnht us. Bei Stumpfstößen tritt Fll 3 uf (Abbildung 1.6). Hier wird die Schweißnht usschließlich durch Normlspnnungen bensprucht, so ds in diesem Fll ds Zustzkriterium zu bechten ist. Fll 3: Stumpfnht: σ = q z σ w, Rd σ σ σ w, Rd σ w, Rd Für diesen Fll 3 muss ds Zustzkriterium σ w, Rd =σ 0,9 f u γ M bechtet werden. Abbildung 1.6: Fll 3: nur Normlspnnungen wirken Für den täglichen Gebruch sind die Widerstndswerte für die drei Fälle in der folgenden Tbelle 1.1 zusmmengefsst. Es ist zu bechten, dss der Schweißnhtwiderstnd uf Bsis der Streckgrenze berechnet wird und deshlb nicht nur von der Festigkeitsklsse, sondern uch von der Mterilgüte bhängt. 5

6 1.1.1 Schweißnhtwiderstndstbelle für die 3 Fälle g M = Sthlsorte 1,5 4 < t < 40 Fll 1 Fll Fll 3 f y f u b w s w,rd / 3 s w,rd / 0,9 f u /g M EN S , EN S 35 W , EN S 35 H , EN S 35 H , EN S , EN S 75 H , EN S 75 H , EN S 75 N/NL , EN S 75 NH/NLH , EN S 75 M/ML , EN S 75 NH/NLH , EN S 75 MH/MLH , EN S 355 H , EN S 355 H , EN S , EN S 355 N/NL , EN S 355 W , EN S 355 NH/NLH , EN S 355 M/ML , EN S 355 NH/NLH , EN S 355 MH/MLH , EN S 40 NH/NLH , EN S 40 N/NL , EN S 40 M/ML , EN S 40 MH/MLH , EN S 460 Q/QL/QL , EN S 460 NH/NLH , EN S 460 NH/NLH , EN S 460 N/NL , EN S 460 M/ML , EN S 460 MH/MLH , Die gru unterlegten Werte für bw stmmen us dem NA Die Splte Fll 1 entspricht dem Vereinfchten Verfhren Mterilien nch DIN EN Tbelle 3.1 EN EN normlgeglühte/normlisierend gewlzt EN thermomechnisch gewlzt EN wetterfest EN Flcherzeugnisse vergütet EN (Hohlprofile wrm gefertigt) EN (Hohlprofile klt gefertigt, geschweißt) Tbelle 1.1: Abminderungsfktoren bw und Grenz-Schweißnhtspnnungen sw für Stähle nch EN

7 Folgendes Beispiel zeigt die einfche Anwendung: Aus der Zugbenspruchung q knn die Schweißnhtspnnung s 1 - und us der Querbenspruchung v die Schweißnhtspnnung τ berechnet werden. Aus beiden Spnnungskomponenten knn jeweils ein Auslstungsgrd A ermittelt werden für den die Bedingung gilt, dss er kleiner 1 sein muss. Für kombinierte Benspruchungen muss die geometrische Überlgerung dieser Auslstungsgrde diese Bedingung erfüllen. q[kn /cm] v[kn /cm] σ 1 =q/ τ =v/ τ A τ = σ w, Rd / 3 A σ = σ 1 σ w, Rd / A τ + A σ 1 (mit ist hier die gesmte wirksme Schweißnhtdicke beider Seiten gemeint) Abbildung 1.7: Auslstungsgrde und Schweißnhtnchweis 7