Der Eurocode 3 befindet sich zurzeit in der Überarbeitung. Der Teil 1-1 wird Stähle bis S700 regeln, der Teil 1-12 wird auf Stähle oberhalb S700 bis S960 ausgerichtet. Zu Hohlprofilknoten aus höherfesten Stählen fehlen derzeit die wissenschaftlich-technischen Grundlagen zu einer zufriedenstellenden normativen Regelung. Der derzeit gültige Teil 1-12 enthält eine pauschale Abminderung der Knotentragfähigkeiten auf 80 % der Werte aus den Bemessungsformeln für normalfeste Stähle. Der Entwurf des neuen Teil 1-8 (prEN1993-1-8) sieht zusätzliche eine Begrenzung der ansetzbaren Festigkeit vor, die in Abhängigkeit der Streckgrenze auf bis zu 80 % der Zugfestigkeit des Stahls heruntergeht. Zu beiden Regelungen liegen keine hinreichenden Grundlagen vor. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Schaffung von Grundlagen, die zu einer deutlichen Verbesserung der technischen Regeln für die Bemessung und Ausführung von Hohlprofilverbindungen aus höherfesten Stählen führen.

Folgende Teilbereiche sind geplant:

• Experimentelle und strukturmechanische Untersuchung am Beispiel von N-Knoten an Großversuchen aus Q- und TM-Stählen im Festigkeitsbereich S500 bis S960.
• Versuche an einseitig geschweißten T-Stößen zur Untersuchung des Einflusses von Werkstoffkombinationen einschließlich der Schweißzusätze, Nahtvorbereitungen und Fertigungsparameter auf das Tragverhalten. Entwicklung optimierter Anschlussdetails von Füllstäben an Gurten.
• Optimierung des MSG-Schweißens von HSS-Hohlprofilanschlüssen zur Vereinfachung der Ausführungsregeln.
• Ausarbeitung normativer Regeln zur Bemessung und Ausführung einschließlich der schweißtechnischen Fertigung.

Die parallele Entwicklung von Bemessungs- und Ausführungsregeln eröffnet die Möglichkeit, für beide Bereiche die technischen Regeln zu verbessern. Hiervon profitieren Ingenieurbüros und technische Abteilungen von Unternehmen des Stahlbaus, Fertigungsbetriebe, Stahlerzeuger, Hersteller von Schweißzusätzen und Entwickler von Automatisierung.

Zusammenfassung der Forschungsergebnisse

Der Eurocode 3 wird derzeit überarbeitet. Dabei wird unter anderem der Teil 1-1 auf Stähle bis S700 erweitert und die Regelungen des bisherigen Teils 1-12 (Erweiterung der EN 1993 auf Stahlgüten bis S700) in die jeweils betroffenen anderen Teile des Eurocode 3 integriert. Bezüglich des Geltungsbereichs des Abschnitts 7.1.1 der EN 1993-1-8 enthält der Teil 1-12 lediglich folgende zusätzliche Regelung (Übersetzung): „Für Stahlsorten über S460 bis S700 beträgt der Abminderungsbeiwert 0,8“. Damit wird eine stahlsortenbezogene pauschale Abminderung der Anschlusstragfähigkeiten von Hohlprofilen aus höherfesten Stählen um 20 % gegenüber den Festigkeitsklassen bis S355 vorgegeben. Für diesen pauschalen Abminderungsbeiwert gibt es jedoch weder eine Dokumentation der Hintergründe, noch liegt eine ausreichende Überprüfung vor.

Darüber hinaus wurden die derzeit gültigen Bemessungsregeln in Teil 1-8 von dem auf europäischer Ebene zuständigen Gremium WG8 als fehlerhaft und nicht dem aktuellen Kenntnisstand entsprechend bewertet. Daher wurden die Bemessungsregeln im Entwurf des neuen Teils 1-8 (prEN 1993-1-8) in Anlehnung an die aktuelleren Regelungen der ISO 14346 von 2013 sowie mit weiteren notwendigen Ergänzungen und Anpassungen ersetzt. Beide Normen, die derzeit noch gültige EN 1993-1-8 und die ISO 14346, gelten für Knoten aus Stahlhohlprofilen bis einschließlich Festigkeitsklasse S460. Die darin enthaltenen Bemessungsregeln wurden größtenteils an Versuchen mit duktilen Stählen bis S355 kalibriert. Für Stähle der Festigkeitsklassen S460 und oberhalb liegen nur wenige experimentelle Untersuchungen vor. Für diese wurde eine pauschale Abminderung der Knotentragfähigkeit auf 90 % bezogen auf die Streckgrenze festgelegt. Dieses Vorgehen wird in der Fachliteratur nur für bestimmte Versagensformen, wie z. B. Durchstanzen (PSF) und Versagen von auf Zug beanspruchten Füllstäben (BF) aufgrund reduzierter mittragender Anschlusslänge und möglicher Entfestigungen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) höherfester Stähle als gerechtfertigt angesehen. Im neuen Entwurf der prEN 1993-1-8 wurde daher für die genannten Versagensmechanismen die Regelung nach ISO 14346 übernommen, die der Berechnung zugrunde zu legende Festigkeit auf den kleineren der beiden Werte, nominelle Streckgrenze f_y und 80 % der Zugfestigkeit f_u, begrenzt und zusätzlich für alle Versagensmechanismen der umstrittene Abminderungsfaktor C_f=0,8 für Stähle ab S460 bis S700 eingeführt (siehe prEN 1993-1-8).

Im Rahmen des Projekts wurden experimentelle und strukturmechanische Untersuchungen an einseitig geschweißten T-Stößen aus höherfesten Stählen durchge-führt. Die Ergebnisse ermöglichen eine differenzierte Bewertung des Tragverhaltens sowie eine Abgrenzung zwischen dem Versagen des Stegs, dem Schweißnahtversagen und dem Versagen am Schweißnahtübergang unter Beteiligung der Wärmeeinflusszone. Schwerpunkt der Kleinteilversuche war es die Einflüsse einer Erweichung innerhalb der WEZ auf die Anschlusstragfähigkeit zwischen Strebe und Gurt aus höherfesten Stählen zu evaluieren und systematisch zu untersuchen.

Mit dem Kleinteilversuch wurde der Einfluss des Grundwerkstoffes, des Schweißzusatzes, des Schweißnahttyps, der Nahtdicke sowie der Wärmeeinbringung bzw. der Abkühlzeit t8/5 auf das Zugtragverhalten evaluiert. Hierzu wurden 49 unterschiedliche einseitig geschweißte T-Stöße aus den Stahlsorten S500MM, S700MC, S770QL und S960QL hergestellt, aus denen 96 Probekörper gefertigt und geprüft wurden. Aufgrund des ausgeprägten Softenings in der WEZ zeigten die entsprechenden Probekörper der Stahlsorte S700MC ein Versagen am Nahtübergang unter Beteiligung der WEZ. In Abhängigkeit der Abkühlzeit t8/5 wurden Verringerungen der Verbindungstragfähigkeit von bis zu 16% festgestellt. Diese Reduzierungen sind kritisch zu bewerten, da es sich bei den ausgeführten Schweißnähten um volltragfähige Verbindungen handelte bei denen ein Versagen im Grundwerkstoff des ange-schlossenen Stegs zu erwarten gewesen wäre.

Anschließend wurden die experimentellen Ergebnisse zur Validierung der struktur-mechanischen Modelle verwendet. Dafür erfolgte zunächst die Versuchsnachrechnung aller Tragfähigkeitsexperimente der Kleinteilversuche auf Basis einer verallgemeinerten Hollomon-Fließfunktion und des GTN-Schädigungsmodells. Die Ergebnisse der Nachrechnung dienten zur Validierung der strukturmechanischen Modelle und ermöglichten deren Anwendung in weiteren Parameterstudien. Im Rahmen dieser Studien wurden verschiedene Mismatching-Verhältnisse der beteiligten Werkstoffe sowie eine Vielzahl geometrischer Parameter analysiert. Die Untersuchungen zeigen mögliche Tragfähigkeitsreduzierungen von bis zu 30 % bei Probekörpern mit WEZ-Versagen.

Zur Berücksichtigung dieser Einflüsse bei der analytischen Tragfähigkeitsberechnung von Schweißnähten aus hochfesten Stählen wurde ein aus der Literatur bekanntes Tragfähigkeitsmodell weiterentwickelt und modifiziert. Die durchgeführten Modifizierungen des Tragfähigkeitsmodells für geschweißte Anschlüsse mit lokaler Entfestigung stützen sich auf die experimentellen und strukturmechanischen Untersuchungen an einseitig geschweißten T-Stößen. Das modifizierte Modell ermöglicht eine systematische Erfassung der relevanten Einflussparameter sowie deren Wechselwirkungen. Zudem ermöglich das Modell die Berechnung der Tragfähigkeit einzelner Schweißverbindungen unter Einbeziehung der WEZ als auch die Berechnung der Streben-Gurt-Anschlusstragfähigkeit bei N-Hohlprofilknoten mit Ver-sagen der Strebe und unter Berücksichtigung der WEZ.

Die experimentellen und numerischen Ergebnisse des Kleinteilversuchs verdeutlichen die Notwendigkeit die Einflüsse der WEZ auf die Schweißnahttragfähigkeit von hochfesten Stählen zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird aufgezeigt, dass eine Berechnung der Schweißnahttragfähigkeit unter Berücksichtigung der WEZ zielführend umgesetzt werden kann. Die mittels des Kleinteilversuchs herausgearbeiteten Zusammenhänge und Ergebnisse tragen dazu bei, das Potenzial höherfester Stähle effektiver auszuschöpfen.

Außerdem wurden strukturmechanische Untersuchungen an ganzen Hohlprofilknoten durchgeführt, um die globale Tragfähigkeit hochfester N-Knoten genauer zu analysieren. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden FE-Modelle mit der Software ANSYS entwickelt und validiert. Diese validierten Modelle dienten an-schließend als Grundlage für eine umfangreiche Parameterstudie zur Bestimmung der Knotentragfähigkeit und des Versagensverhaltens.

Der erste Schritt war die Identifikation und Bewertung der relevanten Einflussfaktoren. Zu diesen zählen Randbedingungen, Werkstoffmodelle, geometrische Parameter sowie die Netzgröße der FE-Modelle. Das Versagen der Knoten wurde durch ein „plastic damage“-Abbruchkriterium modelliert, welches auf einem pragmatischen Ansatz basiert. Dabei wurde ein plastischer Grenzwert in Abhängigkeit des Spannungszustandes definiert, bei dessen Überschreitung die Berechnung abgebrochen wird. Diese Methode ermöglichte eine numerische Abbildung des Durchstanzversagens, ohne detaillierte Schädigungsmechanismen wie die Schädigungsinitiierung und -evolution im Detail abzubilden.

Die Diskretisierung der Knoten erfolgte in Abhängigkeit der Geometrie der Profile. Für Knoten aus Quadrathohlprofilen (QHP) wurden Tetraederelemente mit quadratischer Ansatzfunktion verwendet, während für Knoten aus Kreishohlprofilen (KHP) eine Kombination aus Hexaeder- und Tetraederelementen zum Einsatz kam. Die Elementgröße im Knotenbereich wurde auf zwei Millimeter festgelegt, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten. Die Materialmodelle wurden durch umfangreiche Zugversuche an den verwendeten Stählen bestimmt. Die Ergebnisse der Zugversuche dienten zur Kalibrierung kombinierter plastischer Materialmodelle nach Voce und Swift, welche das elastisch-plastische Verhalten der Werkstoffe realitätsnah abbilden.

Für die Geometriemodellierung wurden 3D-Laserscans der Probekörper durchgeführt, um Fertigungsabweichungen und Imperfektionen zu erfassen. Die gewonnenen Daten wurden in CAD-Modelle überführt, geglättet und für die numerischen Simulationen weiterverarbeitet. Insbesondere die Erfassung der Wanddicken spielte eine entscheidende Rolle, da diese wesentlichen Einfluss auf die Knotentragfähigkeit haben. Die Messungen ergaben, dass warmgefertigte Profile größere Wanddickenabweichungen aufweisen als kaltgeformte Profile.

Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten zeigte, dass das FE-Modell das Last-Verformungsverhalten sowie die Knotentragfähigkeit insgesamt gut abbildet. Durch die Kalibrierung des Abbruchkriteriums auf Basis der experimentellen Ergebnisse konnte das Versagensverhalten der Knoten realitäts-nah simuliert werden. Auch der Vergleich der gemessenen und simulierten Normal-spannungen bestätigte die Validität des Modells.

Im Anschluss an die Validierung der Modelle wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Ziel war es, den Einfluss verschiedener Parameter wie Stahlsorte, Wanddicke, das Beta-Verhältnis, der Grad der Vorspannung, das Spaltmaß sowie der Anschlusswinkel der Zugstreben auf die Knotentragfähigkeit zu bewerten. Da-bei zeigte sich, dass die in der prEN 1993-1-8 enthaltenen Bemessungsformeln trotz eines Sicherheitsfaktors (Cf-Faktor) nicht geeignet sind, das Verhalten hochfester Hohlprofilknoten korrekt abzubilden. Die Ergebnisse wiesen eine starke Streuung auf, was darauf hinweist, dass die normativen Versagensmodelle für normalfeste Stähle auf hochfeste Stähle nicht ohne Weiteres übertragen werden können.

Besonders auffällig war die Abweichung bei der Bewertung des Einflusses der Stahlsorte. Während die normativen Formeln einen linearen Einfluss der Streckgrenze auf die Knotentragfähigkeit annehmen, zeigte die Parameterstudie einen deutlich flacheren Verlauf, was darauf hindeutet, dass die Streckgrenze bei hoch-festen Stählen eine geringere Rolle spielt als angenommen. Stattdessen erwies sich die Zugfestigkeit als aussagekräftigerer Parameter. Auch die Untersuchung der Wanddicke ergab Abweichungen: Die numerischen Ergebnisse zeigten eine Tendenz zur linearen Abhängigkeit, während die normativen Formeln einen nichtlinearen Einfluss beschreiben.

Ein weiterer wesentlicher Punkt war das Beta-Verhältnis, welches das Verhältnis zwischen Gurt- und Strebenbreite beschreibt. Hier zeigte die Studie, dass die normativen Formeln falsche Abhängigkeiten aufweisen. Die numerischen Ergebnisse deuteten auf einen abnehmenden Einfluss des Beta-Verhältnisses hin, während die Norm einen kontinuierlich ansteigenden Einfluss postuliert.

Zusammenfassend konnte durch die durchgeführten Untersuchungen gezeigt werden, dass die bestehende Bemessungssystematik der prEN 1993-1-8 für hochfeste Hohlprofilknoten nicht uneingeschränkt anwendbar ist. Die Parameterstudien haben verdeutlicht, dass eine Anpassung der Bemessungsformeln erforderlich ist, insbesondere im Hinblick auf die Berücksichtigung der Zugfestigkeit statt der Streckgrenze sowie der lineareren Abhängigkeit der Wanddicke. Dies würde eine effizientere und genauere Bemessung hochfester N-Knoten in der Praxis ermöglichen.

Der Abschlussbericht zum Forschungsprojekt P 1453 wird demnächst über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) zur Verfügung gestellt.

Das IGF-Vorhaben „Bemessung und Ausführung von Hohlprofilanschlüssen aus höherfesten Stählen am Beispiel von N-Knoten“, IGF-Vorhaben 01IF21498N, 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektpartner:

Forschungseinrichtungen: