Geschweißte Stahlhohlprofilknoten werden vorrangig innerhalb hochbeanspruchter Fachwerk- und Vierendeelträger architektonisch anspruchsvoller Bauwerke eingesetzt. Stähle mit erhöhter Streckgrenze bieten dabei das Potential zur Reduzierung des aus der Bemessung resultierenden Strukturgewichts, sowie zur Senkung von Baukosten des Ressourcenverbrauchs. Bisher sind Stähle mit Streckgrenzen über 700 N/mm² im Bauwesen nicht geregelt. Für höherfeste Stähle sind zur Anwendung der bekannten Bemessungsregeln zusätzlich Cf-Faktoren zu berücksichtigen, wodurch der wirtschaftliche Einsatz von hochfesten Stählen an Hohlprofilknoten signifikant limitiert wird. Sekundäre Biegemomente können zudem derzeit nur durch numerische Berechnungen ermittelt werden, ebenso wie die Ableitung von Feder- und Translationssteifigkeiten. Einflüsse aus der Gurtvorspannung für hochfeste Stähle sind bisher nicht untersucht. Ziel ist es, die Tragfähigkeit hochfester T- Knoten unter Berücksichtigung der Gurtvorspannung experimentell und numerisch zu bestimmen und Bemessungsregeln für hochfeste Hohlprofile abzuleiten und dem Tragwerksplaner Translations- und Rotationsfedersteifigkeiten zur Berechnung statischer Systeme und zur Ermittlung der „secondary effects“ bereitzustellen.

Es werden Versuche an T- Knoten aus RHP für die Belastungsfälle Strebenzug, -druck und -biegung für 5 Gurtkonfigurationen (0, ± 0,5 Npl, ± 0,8 Npl) durchgeführt. Untersucht werden die Werkstoffe S700 & S960 für 2 β-Verhältnisse. Neben konventionellen Messmitteln werden DIC-Systeme an beiden FE eingesetzt. Die Ergebnisse werden zur Kalibrierung von FE-Modellen genutzt, um den Einfluss aus der Gurtvorspannung zu analysieren und anhand einer numerischen Geometriestudie den Untersuchungsbereich über die Experimente hinaus zu erweitern. Die Ergebnisse sollen numerisch auf Y-Knoten übertragen werden und auch diese Knotenform in die neuen Bemessungsansätze (hinsichtlich der Federsteifigkeiten) aufgenommen werden.

Zusammenfassung der Forschungsergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojektes P1504 wurden experimentelle und numerische Untersuchungen an hochfesten T-Knoten durchgeführt. Aufgrund des reduzierten Verformungsvermögens hochfester Stähle wurden für Stähle mit Streckgrenzen größer gleich 460 MPa pauschale Abminderungsfaktoren, Cf-Faktoren, sowie für „spröde“ Versagensmechanismen (Durchstanzversagen PSF und Strebenversagen BF) eine Begrenzung der Streckgrenze auf ein Minimum von fy bzw. 0,8∙fu auf Basis einer geringen Versuchsdatenbasis in der Neuauflage des Eurocode 3 Teil 1-8 eingeführt. Die bestehenden Bemessungsformeln wurden durch numerische und experimentelle Untersuchungen an normalfesten Stählen kalibriert und validiert. Die eingeführten pauschalen Abminderungsfaktoren schränken die effiziente Nutzung des Potenzials höherfester Stähle für den ressourcenschonenden Leichtbau weitgespannter Fachwerkträger bzw. Tragwerke ein. Ziel dieses Projektes war es, auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen die Datenbasis für die Bewertung der in prEN 1993-1-8 angegebenen Bemessungsgleichungen zur Ermittlung der Knotentragfähigkeit von T-Knoten für höherfeste Stähle zu erweitern und die Einführung pauschaler Abminderungsfaktoren zu bewerten. Dazu wurden Versuche, getrennt für die beiden Beanspruchungsrichtungen Biegung der Strebe in der Ebene und axiale Beanspruchung der Strebe, geplant, Probekörper aus den Lieferungen der am Projekt beteiligten Hohlprofilhersteller hergestellt und die Werkstoffe durch zerstörende Zugversuche charakterisiert. Insgesamt wurden 56 Versuche durchgeführt, wobei die für die Knotentragfähigkeit maßgeblichen Parameter wie Stahlsorte, β-Verhältnis und Gurtvorspannung (Zug- und Druckvorspannung) variiert wurden. Zur Erweiterung der Datenbasis der experimentellen Untersuchungen wurden numerische Parameterstudien mit validierten numerischen Modellen durchgeführt. Dabei wurden weitere Parameter wie der Einfluss der Gurtwanddicke t0, das Breitenverhältnis, der Gurtvorspanngrad und das a-Maß der Schweißnaht untersucht. Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen werden im Folgenden getrennt für die Belastungsrichtungen Biegung und axiale Belastung der Strebe zusammengefasst.

Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der axial beanspruchten T-Knoten:

Im Gegensatz zu den aktuellen Bemessungsregeln der prEN 1993-1-8, die keine Unterscheidung hinsichtlich der Beanspruchungsrichtung der Strebe vornehmen, wurden Versuche mit axialer Beanspruchung der Strebe auf Zug und Druck durchgeführt. Die Probekörper wurden in den Versuchen mit zwei Auflagern gelagert. Der Auflagerabstand wurde in Abhängigkeit von der Gurtvorspannung und der Kombination von Strebenbeanspruchungsrichtung und Gurtvorspannung variiert. Damit sollte die untypische Lagerung eines Vierendeelträgers mit einem Linienlager vermieden werden. Zudem haben numerische Voruntersuchungen gezeigt, dass ein zu großer Auflagerabstand dazu führt, dass die Momententragfähigkeit der T-Knoten und nicht die Knotentragfähigkeit geprüft wird. Gleichzeitig soll ein Einfluss der Auflager auf den Spannungszustand vermieden werden, weshalb der Auflagerabstand so groß wie möglich (max. 10 x b0) gewählt werden sollte. Da der Auflagerabstand jedoch einen Einfluss auf die Knotentragfähigkeit hat, führen unterschiedlich gewählte Auflagerabstände dazu, dass eine gemeinsame Auswertung der Versuchsergebnisse nicht möglich ist. Da in den Bemessungsregeln der prEN 1993-1-8 nicht zwischen T- und X-Knoten unterschieden wird, empfehlen die Verfasser, die Knotentragfähigkeit durch Versuche an X-Knoten zu ermitteln. Die Versuche ergaben für die druckbeanspruchten Streben immer den Versagensmechanismus Gurtplastifizieren. Für das β-Verhältnis β = 0,5 zeigte sich kein Maximum in den Kraft-Verformungs-Kurven, weshalb für die Beurteilung der Knotentragfähigkeit das 3% - Verformungskriterium nach Lu et. al [11] herangezogen wurde. Alle anderen Versuche wurden am Lastmaximum ausgewertet. Die Versuche mit axial auf Zug beanspruchten Streben ergaben grundsätzlich Durchstanzversagen. Die Knotentragfähigkeiten der gleichen Knotenkonfiguration mit zugbeanspruchter Strebe (gleiche geometrische Abmessung und gleicher Vorspanngrad des Gurtes) zeigen immer höhere Tragfähigkeiten als die der druckbeanspruchten Streben. Bei einigen wenigen Versuchen kam es trotz kleiner gewählter Auflagerabstände zu einem Querschnittsversagen des Gurtes. Diese Versuchsergebnisse sind für die Beurteilung der Knotentragfähigkeit von hochfesten T-Knoten nicht geeignet und wurden aus der Auswertung ausgeschlossen. Zur Beurteilung der Notwendigkeit der eingeführten Cf-Faktoren wurden die Versuchsergebnisse nach EN1990 Anhang D statistisch ausgewertet. Der resultierende statistische Koeffizient entspricht dem erforderlichen Cf-Faktor. Die aus der statistischen Auswertung berechneten Cf-Faktoren für die Belastungskombinationen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Die statistische Auswertung nach den normativen Knotentragfähigkeiten für den maßgebenden Versagensmechanismus Gurtplastifizierung ohne Gurtvorspannung ergab ein Minimum des Cf-Faktors von Cf = 0,84. Damit liegt der in prEN 1993-1-8 eingeführte Cf-Faktor auf der sicheren Seite. Aufgrund des geringen Umfangs der Auswertung (n=4) kann anhand der Versuchsergebnisse keine Aussage darüber getroffen werden, ob der Cf-Faktor nach oben angepasst werden kann. Der geringe Variationskoeffizient der statistischen Auswertung von Vdelta=0,059 zeigt, dass das dem Versagensmechanismus Gurtplastifizierung zugrunde liegende Fließlinienmodell auch auf die hochfesten T-Knoten übertragbar ist. Die Auswertung der Versuchsergebnisse der T-Knoten mit zugbeanspruchter Strebe nach dem im Versuch vorliegenden Versagensmechanismus Durchstanzen zeigt, dass die Durchstanzformel die Knotentragfähigkeiten deutlich überschätzt und angepasst werden muss. Der Versagensmechanismus Durchstanzen wird jedoch nur in wenigen Parameterbereichen normativ bestimmend (siehe Abbildung 6 9). Die Versuchsergebnisse zeigen auch, dass die Abminderung der Knotentragfähigkeit durch die Gurtvorspannung von der Belastungskombination abhängt. Abminderungen ergeben sich für die Kombinationen Druckvorspannung im Gurt und druckbeanspruchte Strebe (Druck-Druck) sowie Zugvorspannung im Gurt und zugbeanspruchte Strebe (Zug-Zug). Da die Bemessungsregeln für das Gurtplastifizieren nach prEN 1993-1-8 keine Unterscheidung der Lastrichtung vorsehen und beide Kombinationen in einem Tragwerk auftreten können, sind Abminderungen für Druck- und Zugvorspannung erforderlich. Die in prEN 1993-1-8 neu eingeführte Funktion Qf enthält diese beiden Abminderungen. Die Abminderungen für Druck- und Zugvorspannung sind aufgrund verschiedener C1-Werte jedoch unterschiedlich. Anhand der Ergebnisse der numerischen Parameterstudie konnte gezeigt werden, dass der Abminderungsverlauf für Druckvorspannung durch die Qf-Funktion der prEN 1993-1-8 gut wiedergegeben wird (siehe Abbildung 6 28). Da die Kombination Zug-Zug nicht untersucht wurde, kann keine Aussage über die Abminderung für eine Zugvorspannung des Gurtes getroffen werden. Die numerischen Parameterstudien zeigen ebenso wie die experimentellen Ergebnisse, dass für den Bereich des beta-Verhältnisses von β = 0,4-0,7 der Versagensmechanismus Gurtplastifizierung durch die normativen Bemessungsregeln gut abgebildet wird. Für die Bewertung wurden die maßgebenden Parameter Streckgrenze fy, β-Verhältnis und Gurtwanddicke t0 einzeln betrachtet. Für das β-Verhältnis β = 0,8 zeigte sich, dass für den gewählten Auflagerabstand der numerischen Parameterstudie von 6 x b0 die Momententragfähigkeit der Gurte maßgebend wird. Dieses Ergebnis zeigt wiederum, dass zur Ermittlung der Knotentragfähigkeit Untersuchungen an X - Knoten zu empfehlen sind. Vergleicht man die Knotentragfähigkeiten der numerischen Ergebnisse mit den theoretischen Tragfähigkeiten nach prEN 1993-1-8, so zeigt sich, dass selbst bei einem Cf-Faktor von Cf = 1,0 der Mittelwert aller numerischen Berechnungen über den Knotentragfähigkeiten nach prEN liegt und damit auf der sicheren Seite ist. Die Parameterstudie zur Größe des a-Maßes einer Kehlnaht zeigt einen großen Einfluss auf die Knotentragfähigkeit der T-Knoten. Eine Vergrößerung des a-Maßes erhöht das Breitenverhältnis. Durch die Einführung eines effektiven Breitenverhältnisses kann dieser Einfluss berücksichtigt werden. Der Einfluss der Schweißnahtabmessung auf die Knotentragfähigkeit wird derzeit in den Bemessungsregeln der prEN 1993-1-8 nicht berücksichtigt.

Ergebnisse der Untersuchungen der biegebeanspruchten T-Knoten

Die experimentellen Untersuchungen biegebeanspruchter T-Knoten umfassten T-Knoten ohne und mit Druck- und Zuggurtvorspannung. Die theoretischen Tragfähigkeiten nach prEN 1993-1-8 konnten für alle Konfigurationen zunächst als konservativ bestätigt werden. Zur Beurteilung der Notwendigkeit der eingeführten Cf-Faktoren wurden die Versuchsergebnisse nach EN1990 Anhang D statistisch ausgewertet. Der resultierende statistische Koeffizient entspricht dem erforderlichen Cf-Faktor. Die Gesamtauswertung der Versuchskörper ergab einen werkstoffbedingten Abminderungsfaktor für beide Werkstoffe von Cf ≥ 0,9, der somit oberhalb des gültigen Wertes von C f = 0,8. Für das Parameterfeld gilt dies auch für Berechnung der auf Durchstanzen (PSF) nachzuweisenden T-Knoten unter Ansatz von fy anstatt von 0,8fu. Es wird deutlich, dass eine Gurtzug- und Gurtdruckvorspannungen sich unterschiedlich auf die Tragfähigkeit auswirken. Eine Gurtzugvorspannung führt zu höheren Sicherheiten eine Gurtdruckvorspannung zu geringeren gegenüber der Bemessungsnorm.

Festzustellen ist eine eingeschränkte Rotationskapazität des hochfesten Stahls S890QL bei einem β-Wert von 0,7, die zu einem Durchstanzen führt. Im Gegensatz dazu wird nach der Bemessungsnorm das Gurtflanschplastizieren maßgebend. Dies demonstriert, dass der Versagensmechnismus von Hohlprofilknoten aus hochfesten Stählen in den gegenwärtigen normativen Formeln nicht immer korrekt abgebildet werden. Die hochfesten Hohlprofilknoten aus dem Stahl S890QL erreichen das bislang gängige 3 %-Verformungskriterium [11] nicht.

Anhand der numerischen Parameterstudie konnten folgende Schlussfolgerungen gezogen werden.

Um den Einfluss einer Gurtvorspannung korrekt zu erfassen, erscheint eine Modifikation der Gurtstabspannungsfunktion möglich. Der Einfluss einer Gurtzugvorspannung wird deutlich überschätzt. Eine Erfordernis einer Abminderung aufgrund einer Gurtzugvorspannung kann nicht bestätigt werden. Dahingegen wird der Einfluss einer Gurtdruckvorspannung tendenziell korrekt erfasst. Es lässt sich ableiten, dass ein horizontaler Verlauf des Astes der Gurtstabspannungsfunktion bei vorliegenden Gurtzugvorspannung, wie in der aktuell noch gültigen Norm DIN EN 1993-1-8 festgelegt, als angemessen erachtet werden kann. Diese Aussage kann jedoch lediglich für eine Zugvorspannung bis maximal 70 % getroffen werden, da die Parameterstudie keine Untersuchungen zu höheren Vorspanngraden umfasst. Mit Zunahme des β-Verhältnisses erfolgt durch die Gurtstabspannungsfunktion eine präzisere Anpassung der Kurve an die tatsächlichen Knotentragfähigkeiten. Der Einfluss des Breitenverhältnisses scheint noch nicht korrekt berücksichtigt zu werden.

Inwieweit die Gurtvorspannung beim Versagensmodus Durchstanzen (PSF) berücksichtigt werden kann, um die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Parametern genauer abbilden zu können, sollte analysiert werden.

Die Berechnungsformel für das PSF scheint derzeit den tatsächlich auftretenden Versagensmodus nicht adäquat zu beschreiben. Eine Modifikation des Faktors von 0,8xfu auf 1,0xfy in der PSF-Formel könnte zu realistischeren und weniger konservativen Berechnungsergebnissen führen. Darüber hinaus gilt es, den Einfluss der Werkstofffestigkeit sowie des Breitenverhältnisses zu analysieren und zu implementieren.

Die Auswertungen zeigen zudem, dass der Einfluss der Blechdicke in der Bemessungsformel für das Gurtflanschplastizieren ab Blechdicken t>9mm überschätzt wird. Die bisherige quadratische Abhängigkeit von t₀ bedarf einer Anpassung, um eine präzisere Beschreibung des Bemessungswiderstandes zu ermöglichen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der Cf-Faktor aktuell auf der sicheren Seite liegt und die prEN 1993-1-8 als konservativ bewertet werden kann. Obgleich ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet ist, führt dies zu einer Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit, insbesondere bei hochfesten Stählen.

Der Abschlussbericht zum Forschungsprojekt P 1504 wird demnächst über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) zur Verfügung gestellt.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben „Statisches Tragverhalten hochfester T-Knoten aus Rechteckhohlprofilen unter Berücksichtigung des Gurtspannungseinflusses im Stahlbau“, IGF-Vorhaben 01IF21437N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektpartner:

Forschungseinrichtungen: