Eurocode 3 Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten, Band 2: Anschlüsse; Bauforumstahl (Hrsg.)

ERLÄUTERUNGEN ZUM EUROCODE 3: DIN EN 1993-1-8 MIT NATIONALEM ANHANG I EINLEITUNG

I

Einleitung

Die europäische Norm DIN EN 1993 Eurocode 3 „Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten“ besteht aus insgesamt 20 einzelnen Teilen, die sich in Grundlagen (die zwölf Teile DIN EN 1993-1) und Anwendungsteile (DIN EN 1993-2 bis DIN EN 1993-6) aufgliedern, vgl. Bild I–1. Zentrum ist neben dem Teil 1-1 der hier behandelte Teil 1-8 mit dem Titel „Bemessung von Anschlüssen“. Alle anderen Teile beziehen sich auf beide Teile und geben ergänzende Regeln an. Dies unterstreicht die Bedeutung der Norm DIN EN 1993-1-8, die in diesem Band für die Anwendung in der Praxis in Abschnitt II als Volltext abgedruckt, in Abschnitt III im Detail erläutert und kommentiert und schließlich in Abschnitt IV durch Beispielrechnungen veranschaulicht wird.

Bild I–1:

Übersicht über die Normenteile von Eurocode 3 Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten: Grundlagenteile 1-1 bis 1-12 und Anwendungsteile Teil 2 bis Teil 6

Für den normalen Stahlhochbau gilt, dass für viele Aufgaben die Kenntnisse von Teil 1-1 „Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau“ und Teil 1-8 „Bemessung von Anschlüssen“ ausreichen, und der Anwender nur für Einzelfragen wie Sprödbruch oder Beulen auf die dafür spezialisierten Normenteile zugreifen muss.

I-1

KONSOLIDIERTE FASSUNG DIN EN 1993-1-8 EINSCHLIESSLICH NATIONALER ANHANG II ANSCHLÜSSE MIT H- ODER I-QUERSCHNITTEN tigung der Interaktion mit der Schubbeanspruchung darf die Schubfläche Avc des Stegs nur auf den Wert angehoben werden, der auch bei der Erhöhung der Schubtragfähigkeit zulässig ist, siehe 6.2.6.1(6).

6.2.6.3

Stützensteg mit Beanspruchung durch Querzug (1) Die Tragfähigkeit eines nicht ausgesteiften Stützenstegs für Beanspruchung durch Querzug wird in der Regel wie folgt bestimmt: Ft,wc,Rd

w beff,t,wc twc fy,wc

(6.15)

g M0

Dabei ist w

der Abminderungsbeiwert zur Berücksichtigung der Interaktion mit der Schubbeanspruchung im Stützenstegfeld.

(2) Bei einer geschweißten Verbindung wird in der Regel die wirksame Breite beff,t,wc der Komponente Stützensteg mit Querzug wie folgt ermittelt: beff,t,wc = t fb + 2 3== 2 ab + 5(t fc + s)

(6.16)

Dabei ist – bei einer Stütze mit gewalztem I- oder H-Querschnitt:

s = rc

– bei einer Stütze mit geschweißtem I- oder H-Querschnitt:

s = 3== 2 ac

ac und rc wie in Bild 6.8 und ab wie in Bild 6.6 angegeben.

(3) Bei einer geschraubten Verbindung wird in der Regel die wirksame Breite beff,t,wc der Komponente Stützensteg mit Querzug mit der wirksamen Länge des äquivalenten T-Stummels für den Stützenflansch gleichgesetzt, siehe 6.2.6.4.

(4) Der Abminderungsbeiwert w zur Berücksichtigung der Interaktion mit der Schubbeanspruchung im Stützenstegfeld ist in der Regel nach Tabelle 6.3 mit dem Wert beff,t,wc nach 6.2.6.3(2) oder 6.2.6.3(3) zu ermitteln.

(5) Die Tragfähigkeit des Stützensteges für Querzug kann durch Stegsteifen oder zusätzliche Stegbleche vergrößert werden.

(6) Die Stegsteifen können als Quersteifen und/oder entsprechend angeordnete Diagonalsteifen ausgebildet werden, um die Tragfähigkeit des Stützensteges für Querzug zu vergrößern.

ANMERKUNG Bei geschweißten Anschlüssen liegen üblicherweise die Quersteifen in der Achse der Trägerflansche.

(7) Schweißnähte zwischen Diagonalsteifen und Stützenflansch sollten als voll durchgeschweißte Nähte mit Kapplage ausgeführt werden, damit die Schweißnahtdicke gleich der Steifendicke ist.

(8) Wird ein nicht ausgesteifter Stützensteg durch zusätzliche Stegbleche entsprechend 6.2.6.1 verstärkt, so hängt die Tragfähigkeit für Querzug von der Dicke der Längsnähte entlang der zusätzlichen Stegbleche ab. Die wirksame Dicke des Stegs tw,eff wird in der Regel wie folgt bestimmt: – sind die Längsnähte durchgeschweißte Stumpfnähte der Nahtdicke a ö ts gilt: – bei einseitigem zusätzlichem Stegblech:

tw,eff = 1,5 twc

(6.17)

– bei beidseitigen zusätzlichen Stegblechen:

tw,eff = 2,0 twc

(6.18)

2 gilt sowohl für einseitige als auch – sind die Längsnähte Kehlnähte der Nahtdicke a ö ts/ 3== für beidseitige zusätzliche Stegbleche: – für die Stahlgüten S 235, S 275 oder S 355:

tw,eff = 1,4 twc

(6.19a)

– für die Stahlgüten S 420 oder S 460:

tw,eff = 1,3 twc

(6.19b)

(9) Bei der Berechnung des Abminderungsbeiwerts w zur Berücksichtigung der Interaktion mit der Schubbeanspruchung darf die Schubfläche Avc des durch zusätzliche Stegbleche verstärkten Stegs nur auf den Wert angehoben werden, der auch bei der Erhöhung der Schubtragfähigkeit zulässig ist, siehe 6.2.6.1(6).

II-90

KONSOLIDIERTE FASSUNG DIN EN 1993-1-8 EINSCHLIESSLICH NATIONALER ANHANG II.6 ANSCHLÜSSE MIT H- ODER I-QUERSCHNITTEN Stützenflansch mit Biegebeanspruchung

6.2.6.4

Nicht ausgesteifter Stützenflansch und geschraubte Verbindung

6.2.6.4.1

(1) Die Tragfähigkeit und die Versagensform eines nicht ausgesteiften Stützenflansches, der in Verbindung mit Schrauben mit Zugbeanspruchung auf Biegung beansprucht wird, sind in der Regel mit Hilfe des äquivalenten T-Stummelflansches für folgende Fälle zu ermitteln, siehe 6.2.4: – jede einzelne Schraubenreihe ist für die Übertragung der Zugkräfte erforderlich; – jede Gruppe von Schraubenreihen ist für die Übertragung der Zugkräfte erforderlich.

(2)

Die Maße e min und m für die Ermittlung nach 6.2.4 sind Bild 6.8 zu entnehmen.

(3) Die wirksame Länge des äquivalenten T-Stummelflansches sollte für die einzelnen Schraubenreihen und die Schraubengruppe nach 6.2.4.2 mit den Werten ermittelt werden, die in Tabelle 6.4 für die einzelnen Schraubenreihen angegeben sind.

a) Geschweißtes Stirnblech schmaler als der Stützenflansch

b) Geschweißtes Stirnblech breiter als der Stützenflansch

c) Flanschwinkel Bild 6.8: Maße für e, emin, rc und m

II-91

ERLÄUTERUNGEN ZUM EUROCODE 3: DIN EN 1993-1-8 MIT NATIONALEM ANHANG III.3 SCHRAUBEN-, NIET- UND BOLZENVERBINDUNGEN <1.3> Einseitig mit drei und mehr Schrauben angeschlossener Winkel Bereits in [63] war das unterschiedliche Tragverhalten gegenüber einseitigen Anschlüssen mit zwei Schrauben besonders bei kleineren Schraubenabständen berücksichtigt worden. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse erfolgte eine getrennte Auswertung.

Zur Unterscheidung wurde in das für die Kalibration an Versuchsergebnissen benutzte Nachweisformat für den Grenzzustand der Beiwert β3 eingeführt

Nu ,Rd  3  Anet 

fu

M2

(III.3-47)

Dieses Bemessungsmodell wurde an insgesamt 80 Versuchen kalibriert. Sensitivitätsanalysen wurden für die geometrischen Bezugsgrößen e2/d0, e1/d0 und p1/d0, die Zugfestigkeit der Winkel und die Winkelbreite durchgeführt, die alle zu einer Bestätigung des Modells führen.

Zwischen den in Bild III.3-33 angegebenen β3-Werten kann linear interpoliert werden.

Bild III.3-33: β3-Werte

Bild III.3-34: Sensitivitätsdiagramm eines Winkelanschlusses mit drei Schrauben im Anschluss in Abhängigkeit von e2/d0

Bild III.3-35: Sensitivitätsdiagramm eines Winkelanschlusses mit drei Schrauben im Anschluss in Abhängigkeit von e1/d0

III-44

ERLÄUTERUNGEN ZUM EUROCODE 3: DIN EN 1993-1-8 MIT NATIONALEM ANHANG III.3 SCHRAUBEN-, NIET- UND BOLZENVERBINDUNGEN

Bild III.3-36: Sensitivitätsdiagramm eines Winkelanschlusses mit drei Schrauben im Anschluss in Abhängigkeit von p1/d0

III.3.11. Abstützkräfte Abstützkräfte können zum Beispiel in einem T-Stoß von Zugstäben auftreten, wie in Bild III.3-37 dargestellt.

Bild III.3-37: Zusätzliche Beanspruchungen infolge von Abstützkräften

Die Abstützkräfte vergrößern die Zugbeanspruchungen der Schauben und müssen bei der Bemessung berücksichtigt werden. Ob sich Abstützkräfte einstellen, hängt von den Abmessungen der Stirnplatte und der Schrauben ab. Bei Vorverformungen wie im rechten Teilbild skizziert, stellen sich keine Abstützkräfte ein.

Zur Vereinfachung der Berechnung sind die Abstützkräfte in dem T-Stummel-Modell nach Abschnitt 6.2.4, mit dem in der Komponentenmethode die Tragfähigkeit von auf Biegung beanspruchten Komponenten wie Stirnplatten oder Stützenflansch bestimmt wird, implizit berücksichtigt.

III.3.12. Kräfteverteilung der Verbindungsmittel im Grenzzustand der Tragfähigkeit Für die Annahme vereinfachender plastischer Kraftverteilungsmodelle, Bild III.3-38, ist eine ausreichende Verformungsfähigkeit der Komponenten erforderlich, die in der Regel bei Kategorie A- Verbindungen vorliegt, wenn Lochleibungsversagen maßgebend ist. Die Modelle gelten auch für Kategorie B-Verbindungen aufgrund plastischer Verteilungen durch Rutschungen im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Eine linear elastische Verteilung der Beanspruchungen liegt stets vor bei Kategorie C-Verbindungen und bei Kategorie Aund B-Verbindungen, wenn das Abscherversagen der Schrauben maßgebend ist. Bei Stoß- oder Schwingbeanspruchung, Lastumkehr und bei hochfesten Stählen oberhalb S460, siehe DIN EN 1993-1-12, ist ebenfalls eine lineare Verteilung anzunehmen.

III-45

ERLÄUTERUNGEN ZUM EUROCODE 3: DIN EN 1993-1-8 MIT NATIONALEM ANHANG III.7 ANSCHLÜSSE MIT HOHLPROFILEN

Bild III.7-10: Durchstanzmodell für RHP-Y-Anschluss unter Streben-Normalkraft

Beim Durchstanzmodell für RHP-Gurtstäbe und Strebenaxialkräfte wird von um den Strebenumfang ungleichmäßig verteilten Scherspannungen ausgegangen. Für T-, Y- und X-Anschlüsse wird der größte Teil der Strebenkraft an den Längsseiten h1 / sin 1 nahe der Gurtseitenwand übertragen. Über die Breiten b1 findet eine Entlastung statt, wenn sich der Gurtflansch durch Biegung einer Kraftübertragung entzieht. Dies hängt von der Gurtflanschschlankheit b0/t0 ab. Deshalb wirkt der Gurtflansch nicht über die gesamte Strebenbreite b1 mit, sondern nur über die wirksame Breite be,p (Index p für engl. „punching shear“).

Der beim Durchstanzen von T-, Y- oder X-Anschlüssen nach Tabelle 7.11 wirksame Umfang des Gurtflansches setzt sich aus 2 reduzierten Breiten be,p und 2 voll mitwirkenden Längsseiten h1 / sin 1 zusammen.

Seitenwandtragfähigkeit des Gurtstabes (Modell (3)) (zu Tabelle 7.11, 5. Zeile) Für T-, Y- und X-Anschlüsse mit großen Breitenverhältnissen  = 1 kann das Versagen der Gurtstabseitenwand durch Fließen, Quetschen, Krüppeln oder örtliches Beulen maßgebend werden, siehe z.B. Wardenier [153] und Davies & Packer [38]. Für derartige Versagensformen könnten die Ansätze zur Berechnung des Stegversagens bei anderen Profilen übernommen werden. Hohlprofilseitenwände sind allerdings schlanker als Gurtstege, so dass es bereits von Anfang an eigenständige Berechnungsmodelle dafür gab (Wardenier [153]). Auf Grund umfangreicher Versuchsreihen konnte man für RHP-Gurte der Querschnittsklassen 1 oder 2 auch vieles vereinfachen.

III-148

ERLÄUTERUNGEN ZUM EUROCODE 3: DIN EN 1993-1-8 MIT NATIONALEM ANHANG III.7 ANSCHLÜSSE MIT HOHLPROFILEN

Bild III.7-11: Gurtseitenwandtragfähigkeit

Die Last verteilt sich auf 2 Seitenwände und dort von der Aufstandslänge h1 / sin 1 ausgehend unter einem beidseitigen Winkel von 1:2,5 (plastische Verteilung) auf die mitwirkende Gurtseitenwandlänge von bE = (h1 /

sin 1 + 5 t0), vgl. Bild III.7-11. Wirksam sind auch nur die orthogonalen Komponenten der Last N1. Damit ergibt sich eine Grenztragfähigkeit für die Gurtseitenwand von N1 ∙ sin 1 = fy0 ∙ t0 ∙ 2 bE für Strebenzuglasten und einen sonst unbelasteten Gurtstab.

Bei noch zusätzlich vorbelasteten Gurtstäben ist die Seitenwandtragfähigkeit mit dem Abminderungsfaktor kn für die Gurtauslastung nach Gleichung (III.7-26) abzumindern.

Für den Fall von Strebendruckkräften wird in Tabelle 7.11, 5. Zeile in der Tragfähigkeitsgleichung für Seitenwandversagen nicht die Fließspannung fy0, sondern eine „Knickspannung“ fb verwendet. Für Strebenzugkräfte gilt fb = fy0. Für Strebendruckkräfte wird der Abminderungsbeiwert  nach der maßgebenden Knickspannungslinie des Gurtquerschnitts (a0, a oder c) nach DIN EN 1993-1-1: 2010-12, Abschnitt 6.3.1 ermittelt. Angedacht war ursprünglich, die Knickspannungslinie „a“ zu verwenden, siehe Wardenier [153].

Das ist jedoch im Eurocode bis heute nicht klar herausgearbeitet. Die für das „Knicken“ maßgebende RHPSeitenwand-Modell-Schlankheit  beträgt nach Gleichung (III.7-27):

λ

h  lb h0  2t 0  1 1   3,46  0  2  i sin θ1 1  t0  sin θ1 t0  12

(III.7-27)

Dabei handelt es sich um die Schlankheit eines beidseitig gelenkig gelagerten Ersatzstabes mit der Querschnittsfläche (t0 ∙ bE) und der Knicklänge lb = (h0 – 2t0). Es ist möglich, die Stabilität von RHPGurtseitenwänden genauer zu modellieren, wobei jedoch komplizierte Ausdrücke entstehen, die keine wesentlich bessere Übereinstimmung mit den Versuchsdaten zeigen, vgl. Yu [173].

Für T- und Y-Anschlüsse gilt: fb =  ∙ fy0. Für beidseitig, potentiell höher beanspruchte X-Anschlüsse wird eine zusätzliche Reduktion auf 80 % vorgenommen, bei größeren Strebenneigungen wird die Interaktion zwischen Knicken und Abscheren durch den Faktor sin i berücksichtigt, so dass gilt: fb = 0,8  ∙ fy0 ∙ sin 1.

III-149

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Stand: Oktober 2015 (homepage_Probekapitel)