Grundlegende Arten von Verbindungen bei Stahlrahmenkonstruktionen
Bei Rahmenkonstruktionen umfasst die Ausbildung der Verbindungen zwischen Trägern und Stützen eine Vielzahl von Verbindungstypen, um unterschiedliche Beanspruchungen zu berücksichtigen. Im Allgemeinen erfolgt die Verbindung von Träger und Stütze durch Schrauben oder Schweißen bzw. mittels fester I-/J-Verbindungen. Die Auswahl der Verbindungen hängt von den Anforderungen der Konstruktion ab. Beispielsweise können bei einem nicht ausgesteiften Rahmen, der Biegemomenten ausgesetzt ist, vollständig geschweißte I-/J-Verbindungen verwendet werden. Bei einer mobilen Konstruktion können Verbindungen mit Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 eine Einschränkung bewirken – vergleichbar mit Sicherheitsgurten. Solche Verbindungen lassen sich leicht entfernen und wieder einbauen. Ein ähnlicher Konstruktionsansatz kann gewählt werden, um Verbindungen einzuplanen, die mögliche Bewegungen aufnehmen; hierfür kommen beispielsweise Gelenkverbindungen („pin connections“) infrage. Für Bewegungen bei Brückenkonstruktionen werden häufig Gelenkverbindungen eingesetzt. Feste Verbindungen in Rahmenkonstruktionen finden sich insbesondere bei Megarahmen und Wolkenkratzern, um Widerstand gegen horizontale Lasten sicherzustellen. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten können andere Rahmen weniger detailliert ausgeführt sein. Aus ästhetischen Gründen weisen Megarahmen jedoch ein hohes Maß an Detailausbildung auf. Bei Bauteilen mit großem Durchmesser erfüllen geschweißte Verbindungen mehr Anforderungen der Norm EN 1993-1-8 als schraubengefertigte Verbindungen.
Die Verwendung von Schweißnähten bei Stahlträger-zu-Stützen-Verbindungen erhöht die Gesamtsteifigkeit des Rahmens und trägt zur Lastverteilung über den Rahmen bei. Bei Durchschweißungen gilt die Verbindung als starr. Die Lasten wirken über einen langen Zeitraum auf die Verbindung ein und bleiben über längere Zeit bestehen. Daher werden Durchschweißungen gegenüber der Verwendung mehrerer Schrauben bevorzugt. Der Satz „Die Bestimmungen in EN 1993-1-8 unterstützen die Einbindung sachkundiger Personen“ bedeutet, dass die Beteiligung solcher Personen empfehlenswert ist. Es obliegt diesen sachkundigen Personen, zu bestimmen und zu verifizieren, ob eine Schweißnaht gemäß den festgelegten Normen ausgeführt wurde. Ein Betrieb kann Ultraschallprüfungen durchführen, um mögliche Fehler in einer Schweißnaht zu identifizieren. Solche Schweißnähte beseitigen die mit der Verwendung von Schrauben verbundenen Probleme. Aus Sicht der Verantwortlichkeit und Stressbewältigung müssen Beschäftigte jedoch besonders vorsichtig sein, da Umgebungsbedingungen und Witterungseinflüsse – insbesondere die während des Schweißprozesses auftretenden Schwankungen – Auswirkungen haben.
Verbindungen: Endplatten-, Sitz- und Stegblechsysteme
Bei der Montage von Stahlrahmen bieten geschraubte Verbindungen zahlreiche Vorteile. Die derzeit am häufigsten eingesetzten Systeme sind:
– Endplattenverbindungen, die den Momententransfer von dem unteren auf den oberen Zug- oder vom unteren auf den oberen Drucksteg ermöglichen.
– Sitzverbindungen, die mittels eines unteren Winkelabstandsstücks vertikale Abstützung bereitstellen.
– Stegblechverbindungen haben in jüngerer Zeit an Beliebtheit gewonnen. Diese Verbindungstypen sollen die vor Ort erforderliche Zeit für die Verbindung von Bauteilen reduzieren.
Wie oben dargelegt, besteht der Hauptzweck all dieser Verbindungssysteme darin, die Anforderungen an Planungs- und Ausführungstoleranzen zu verringern, wie sie durch verschiedene Änderungen beeinflusst werden. Kürzlich durchgeführte Tests an erweiterten Endplatten (EEP) zeigten eine Verbesserung der Momenttragfähigkeit um bis zu 15 % im Vergleich zu einer Konstruktion mit Null-Dicke. Die Variabilität vor Ort vorgenommener Änderungen ist größer als die normalerweise bei der Tragwerksplanung zulässige.
Verbindungsart: Geschweißt / Geschraubt
Installationsgeschwindigkeit: Schnell (vorfabriziert) – Langsam (vor Ort geschweißt)
Anpassungsflexibilität: Eingeschränkt (Schweißen) – Flexibel (vorfabriziert)
Prüfkomplexität: Erfordert zerstörungsfreie Prüfung (NDT) – Visuelle Kontrolle (vorfabriziert)
Überlegener Widerstand gegen Vibrationen erfordert die Verwendung von Sicherungsmuttern
Verschiedene Konstruktionsaspekte für effiziente und wirtschaftliche Stahlverbindungen (vorfabriziert)
Momentenübertragung, Duktilität und Knoteneffizienz
Bei Momentenrahmen ist Duktilität erforderlich, um die Größe der seitlichen Rahmendeformation zu steuern. Um die Durchbiegung von Momentenverbindungen zu begrenzen, muss die Duktilität der Verbindung ausreichend sein, um die Rahmendeformation aufzunehmen. Die Verbindungen sind so auszulegen, dass sie das erforderliche Duktilitätsniveau erreichen. Bei einem seismischen Ereignis kann eine zu steife Auslegung der Verbindungen zu sprödem und vorzeitigem Versagen führen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine extrem flexible Verbindung empfohlen wird. Es ist ein idealer Kompromiss erforderlich.
H-förmiger Querschnitt: Konstruktion und Montage
Bei der Montage vor Ort sieht das Protokoll vor, hochfeste Verbindungselemente auf etwa 70 % des vollen Drehmoments anzuziehen und die Träger innerhalb einer Toleranz von L/500 auszurichten. Solange weniger als 75 % der Verbindungen ihre volle Festigkeit erreicht haben, sind temporäre Aussteifungen für die Konstruktion erforderlich. Dies trägt dazu bei, Probleme vor Ort zu minimieren. Eine gleichmäßige Lastverteilung verbessert die Leistungsfähigkeit der Konstruktion.
Häufig gestellte Fragen
Welche Arten von Verbindungen gibt es in einer Stahlrahmenkonstruktion?
Zu den verschiedenen Arten von Verbindungen in Stahlrahmenkonstruktionen zählen unter anderem Schweißverbindungen, Schraubverbindungen, Nietverbindungen und Bolzenverbindungen.
Welche Vorteile bietet eine geschweißte Verbindung in einer Stahlrahmenkonstruktion?
Der Einsatz einer geschweißten Verbindung führt zu einer Verbindung mit deutlich größerer Steifigkeit und spielt daher eine zentrale Rolle bei der Leistungsfähigkeit der Rahmenkonstruktion. Außerdem ermöglicht eine Rahmenecke, dass die Rahmenkonstruktion die Last gleichmäßig über den Verbindungsquerschnitt verteilt trägt.
Welche Vorteile bieten Schraubverbindungen in einer Stahlrahmenkonstruktion?
Der Hauptvorteil einer verschraubten Verbindung besteht darin, dass die Rahmenstruktur einfach montiert, demontiert und transportiert werden kann. Verschraubte Verbindungen von Rahmenelementen lassen sich leicht transportieren, wenn die Struktur groß ist.
Welche Verbindungen werden bei Stahlkonstruktionen für Rahmen verwendet, und wie werden sie ausgelegt?
Die auf einen bestimmten Rahmen wirkenden Lastmomente werden auf benachbarte Elemente übertragen. Die Knoten bei Stahlkonstruktionen werden so ausgelegt, dass der Bau der Konstruktion einfach und wirtschaftlich erfolgen kann.