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Dieser Artikel befasst sich mit einfachen Verbindungen, die in mehrstöckigen, ausgesteiften Rahmen in Großbritannien verwendet werden. Diese Form der aussteifenden Konstruktion mit nominell gelenkigen Verbindungen wird als „einfache Konstruktion“ bezeichnet.

Der Artikel listet die Arten von einfachen Verbindungen auf, die in Großbritannien am häufigsten verwendet werden. Er stellt die Verfahren für ihre Bemessung nach Eurocode 3 vor und erörtert die relativen Vorzüge der Typen von Balkenendverbindungen. Die Vorteile der Standardisierung von Anschlüssen werden für Träger-zu-Träger- und Träger-zu-Stützen-Anschlüsse unter Verwendung von Rippenplatten- und flexiblen Endplattenanschlüssen erörtert.

Stützenverbindungen, Stützenfüße und Aussteifungsanschlüsse werden ebenfalls erörtert, zusammen mit einer kurzen Erwähnung von Sonderanschlüssen.

Arten von einfachen Verbindungen

Einfache Verbindungen sind nominell gelenkige Verbindungen, bei denen davon ausgegangen wird, dass sie nur endseitige Schubkräfte übertragen und einen vernachlässigbaren Widerstand gegen Drehung aufweisen. Daher übertragen sie im Grenzzustand der Tragfähigkeit keine signifikanten Momente. Diese Definition liegt der Bemessung von mehrstöckigen, ausgesteiften Rahmen im Vereinigten Königreich zugrunde, die als „einfache Konstruktion“ ausgelegt sind, bei der die Träger als einfach gestützt und die Stützen für die Axiallast und die kleinen Momente, die durch die Endreaktionen der Träger entstehen, ausgelegt sind. Die Stabilität des Rahmens wird durch Aussteifungen oder den Betonkern gewährleistet.

Im Vereinigten Königreich werden zwei Hauptformen einfacher Verbindungen (wie rechts dargestellt) verwendet, und zwar:

• Flexible Endplatten und
• Rippenplatten.

Häufig anzutreffende einfache Verbindungen sind:

• Träger-zu-Träger- und Träger-zu-Stützen-Verbindungen unter Verwendung von:
  • Teilweisen Endplatten
  • Vollen Endplatten
  • Rippenplatten
• Stützenverbindungen (verschraubte Deckplatten oder Endplatten)
• Stützenfüße
• Verbände (Knotenbleche).

Einfache Anschlüsse können auch für schiefe Stöße, exzentrische Träger an Stützen und Anschlüsse an Stützenstege erforderlich sein. Diese gehören zu den Sonderanschlüssen und werden gesondert behandelt.

Bemessungsverfahren

Die Bemessung von einfachen Verbindungen basiert auf BS EN 1993-1-8 und dem zugehörigen Nationalen Anhang. Die Tragfähigkeiten der Verbindungselemente basieren auf den in Abschnitt 3.6 angegebenen Regeln. Die Abstände der Verbindungselemente entsprechen Abschnitt 3.5 und folgen den Empfehlungen des „Green Book“ (SCI P358).

Die ECCS-Veröffentlichung Nr. 126 enthält ebenfalls nützliche Hinweise zur Bemessung von einfachen Verbindungen nach Eurocode 3.

Überlegungen zu Verbindungen

Verbindungsklassifizierung

Gemäß BS EN 1993-1-8, nominell gelenkige Verbindungen:

• in der Lage sein, die inneren Kräfte zu übertragen, ohne signifikante Momente zu entwickeln, die die Bauteile oder die Struktur als Ganzes beeinträchtigen könnten, und
• in der Lage sein, die resultierenden Drehungen unter den Bemessungslasten aufzunehmen

Zudem muss die Verbindung:

• den bei der Bemessung angenommenen Richtungswiderstand zu den Bauteilen gewährleisten
• eine ausreichende Robustheit aufweisen, um die Anforderungen an die strukturelle Integrität (Bindungswiderstand) zu erfüllen.

BS EN 1993-1-8 verlangt, dass alle Verbindungen klassifiziert werden müssen: nach der Steifigkeit, die für die elastische Globalanalyse geeignet ist, oder nach der Festigkeit, die für die starr-plastische Globalanalyse geeignet ist, oder sowohl nach der Steifigkeit als auch der Festigkeit, die für die elastisch-plastische Globalanalyse geeignet ist.

Klassifizierung nach Steifigkeit:

Die nach BS EN 1993-1-8 , 6.3.1 berechnete anfängliche Drehsteifigkeit der Verbindung wird mit den in BS EN 1993-1-8, 5.2.2 angegebenen Klassifizierungsgrenzen verglichen.

Alternativ können Verbindungen auf der Grundlage von experimentellen Nachweisen, Erfahrungen mit früheren zufriedenstellenden Leistungen in ähnlichen Fällen oder durch Berechnungen auf der Grundlage von Prüfnachweisen klassifiziert werden.

Klassifizierung nach der Festigkeit:

Die folgenden zwei Anforderungen müssen erfüllt sein, um eine Verbindung auf der Grundlage ihrer Festigkeit als nominell verstiftet zu klassifizieren:

• Der Bemessungsmomentwiderstand der Verbindung übersteigt nicht 25 % des Bemessungsmomentwiderstands, der für eine vollfeste Verbindung erforderlich ist
• Die Verbindung sollte in der Lage sein, die aus den Bemessungslasten resultierenden Drehungen aufzunehmen.

Der britische Nationale Anhang zu BS EN 1993-1-8 besagt, dass Verbindungen, die nach dem ‚Green Book‘ (SCI P358) entworfen wurden, als nominell gelenkige Verbindungen eingestuft werden können.

Alle im ‚Green Book‘ (SCI P358) angegebenen Standardverbindungen können auf der Grundlage der Festigkeitsanforderungen und der umfangreichen Erfahrungen mit den in der Praxis verwendeten Details als nominell gelenkig eingestuft werden. Es ist Vorsicht geboten, bevor die Standarddetails geändert werden, da die daraus resultierende Verbindung möglicherweise nicht den Bestimmungen des britischen Nationalen Anhangs entspricht. Insbesondere:

• Die Rotationsfähigkeit der Standarddetails der Rippenplatten wurde durch Versuche nachgewiesen; geänderte Details sind möglicherweise nicht duktil
• Die Dicke der Endplatten mit voller Tiefe wurde begrenzt, um sicherzustellen, dass der Momentenwiderstand weniger als 25 % einer Verbindung mit voller Festigkeit beträgt, und kann daher als nominell verstiftet eingestuft werden.

Strukturelle Integrität

Die britischen Bauvorschriften schreiben vor, dass alle Gebäude so konstruiert sein müssen, dass ein unverhältnismäßiger Einsturz vermieden wird. In der Regel wird dies durch die Bemessung der Verbindungen in einem Stahlrahmen (die Verbindungen zwischen Balken und Stützen und die Stützenanschlüsse) für Verbindungskräfte erreicht. Hinweise zu den Bemessungswerten der Verbindungskräfte finden sich in BS EN 1991-1-7 Anhang A und dessen nationalem Anhang für Großbritannien. Die Anforderungen beziehen sich auf die Gebäudeklasse, wobei der Bemessungswert der horizontalen Verankerungskraft im Allgemeinen nicht unter 75 kN liegt und in der Regel deutlich höher ist. Endplatten mit voller Tiefe wurden entwickelt, um einen erhöhten Verankerungswiderstand im Vergleich zu Endplatten mit geringer Tiefe zu erreichen. Weitere Einzelheiten zur strukturellen Robustheit sind in SCI P391 enthalten.

Auswahl von Anschlusstypen

Die Auswahl von Balkenendanschlüssen kann oft recht kompliziert sein. Die relativen Vorzüge der drei Anschlussarten (Endplatten mit teilweiser Tiefe, Endplatten mit voller Tiefe und Rippenplatten) sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Die Auswahl von Trägern und Anschlüssen liegt im Allgemeinen in der Verantwortung des Stahlbauunternehmens, das den Verbindungstyp entsprechend dem Arbeitsaufwand bei der Herstellung, der Wirtschaftlichkeit und der vorübergehenden Stabilität während der Montage auswählt.

Verbundböden

Es ist bekannt, dass die Wechselwirkung mit einem Verbundboden das Verhalten einer einfachen Verbindung beeinflusst. Üblicherweise werden solche Verbindungen ohne Nutzung der Vorteile der durchgehenden Bewehrung durch die Betonplatte entworfen. SCI P213 ermöglicht es jedoch, die Kontinuität der Bewehrung zu berücksichtigen, um relativ einfache Endplattenanschlüsse über die gesamte Tiefe mit erheblichem Momentenwiderstand zu schaffen. In einem ausgesteiften Rahmen kann dieser Widerstand genutzt werden, um das Moment und die Durchbiegung in der Mitte der Spannweite zu reduzieren, was die Wahl eines kleineren Trägers erleichtert.

Kosten

Einfache Anschlüsse sind immer billiger herzustellen als momententragende Anschlüsse, da sie einen viel geringeren Herstellungsaufwand, insbesondere beim Schweißen, erfordern.

Eine konkrete Kostenempfehlung zu geben ist schwierig, da die Ausführungsraten eines Stahlbauunternehmens erheblich variieren können und von der Höhe der Investitionen in Anlagen und Maschinen abhängen. Das Hauptziel ist jedoch die Minimierung des Arbeitsumfangs. Die Materialkosten für Beschläge und Schrauben sind gering im Vergleich zu den Ausführungskosten, die vom Schweißanteil dominiert werden. In einer typischen Fertigungswerkstatt können die Kosten für die Herstellung von Verbindungen 30 bis 50 % der gesamten Fertigungskosten ausmachen.

Nachhaltigkeit

Standardisierte Verbindungen sind effizient in ihrer Herstellung. Die Stahlbauunternehmen statten ihre Werkstätten mit Spezialmaschinen aus, die die Geschwindigkeit der Herstellung erhöhen und es ihnen ermöglichen, Beschläge herzustellen und die Bauteile viel schneller vorzubereiten, als wenn die Verbindungskonfiguration jedes Mal anders wäre.

Die standardisierten Details bedeuten, dass die Stahlkonstruktion einfach zu errichten ist, was eine sicherere Arbeitsumgebung für die Stahlbauer schafft.

Die meisten Schraubverbindungen sind so beschaffen, dass sie am Ende der Nutzungsdauer der Konstruktion demontiert werden können. Die Stahlkonstruktion kann demontiert, wiederverwendet oder recycelt werden, wodurch die Umweltauswirkungen der Konstruktion verringert werden.

Standardisierte Verbindungen

Die Vorteile der Standardisierung

Bei einem typischen mehrstöckigen Rahmen mit Aussteifung können die Verbindungen weniger als 5 % des Rahmengewichts und 30 % oder mehr der Gesamtkosten ausmachen. Effiziente Verbindungen haben daher den geringsten Arbeitsaufwand bei der Detailplanung, Herstellung und Montage.

Träger-Balken-zu-Balken- und Balken-zu-Stützen-Verbindungen

Die nachfolgend aufgeführten Bemessungsverfahren eignen sich sowohl für die manuelle Berechnung als auch für die Erstellung von Computerprogrammen.

Die Bemessung von Verbindungen von Hand kann ein mühsamer Prozess sein, daher wurde ein vollständiger Satz von Widerstandstabellen in das „Grüne Buch“ (SCI P358) aufgenommen.

Der Nachweis der Festigkeit einer nominell gelagerten Verbindung umfasst drei Schritte:

1. Es ist sicherzustellen, dass die Verbindung so detailliert ist, dass sie nur Nennmomente entwickelt, die sich nicht nachteilig auf die Bauteile oder die Verbindung selbst auswirken. Die Verbindung sollte so detailliert werden, dass sie sich duktil verhält.
2. Bestimmen des Lastpfades durch die Verbindung, d.h. vom Träger zum tragenden Element.
3. Prüfen des Widerstandes jedes Bauteils.

Für die normale Bemessung sind zehn Nachweise für alle Teile einer Balken-zu-Balken- oder Balken-zu-Stützen-Verbindung für vertikale Scherung erforderlich.

Weitere sechs Nachweise sind erforderlich, um den Verbindungswiderstand der Verbindung zu überprüfen. Träger-Stützen-Verbindungen müssen in der Lage sein, den seitlichen Verankerungskräften zu widerstehen, es sei denn, diese Kräfte werden durch andere Mittel innerhalb des Bauwerks, wie z. B. die Bodenplatten, aufgenommen.

In der nachstehenden Tabelle sind die Nachweise für die Bemessungsverfahren zusammengefasst, die für Endplatten mit geringer Tiefe, Endplatten mit voller Tiefe und Rippenplatten erforderlich sind. Die Bemessungsverfahren sind im „Green Book“ (SCI P358) ausführlich beschrieben.

Anmerkungen:Die Nachweise der Biege-, Scher-, örtlichen und seitlichen Knickfestigkeit eines gekerbten Balkenquerschnitts sind in dieser Tabelle enthalten, da in der Regel erst in der Detaillierungsphase der Bedarf an Kerben festgestellt wird, woraufhin, eine Überprüfung des reduzierten Querschnitts vorgenommen werden muss

Träger-zu-Träger-Verbindungen

Träger-zuStützenverbindungen

Flexible Endplattenverbindungen

Typische flexible Endplattenverbindungen sind in der Abbildung rechts dargestellt. Die Endplatte, die teilweise oder ganz tief sein kann, wird in der Werkstatt an den gestützten Träger geschweißt. Der Träger wird dann auf der Baustelle mit dem tragenden Balken oder der Stütze verschraubt.

Diese Art der Verbindung ist relativ kostengünstig, hat aber den Nachteil, dass sie auf der Baustelle kaum angepasst werden kann. Die Gesamtlänge des Trägers muss innerhalb enger Grenzen hergestellt werden, obwohl mit Hilfe von Paketen Fertigungstoleranzen und Montagetoleranzen ausgeglichen werden können.

Endplatten sind wahrscheinlich der beliebteste der einfachen Trägeranschlüsse, die derzeit in Großbritannien verwendet werden. Sie können bei schrägen Trägern verwendet werden und tolerieren mäßige Versätze bei Träger-Stützen-Verbindungen.

Flowdrill, Hollo-Bolts, Blindbolzen oder andere Spezialanschlüsse werden für Verbindungen mit Hohlprofilstützen verwendet.

Detaillierungsanforderungen und Bemessungsnachweise für Verbindungen mit teilweiser und voller Tiefe der Endplatten, die sowohl für Verbindungen von Balken zu Balken als auch für Verbindungen von Balken zu Stützen gelten, werden im „Green Book“ (SCI P358) umfassend behandelt. Dazu gehören Verfahren, Arbeitsbeispiele, Detaillierung und Bemessungswiderstandstabellen.

Ein Endplatten-Designer-Tool ist ebenfalls verfügbar.

Standarddetails für flexible Endplatten (Endplatten mit voller Tiefe und mit teilweiser Tiefe) sind in der nachstehenden Abbildung zusammen mit den empfohlenen Abmessungen und Beschlägen dargestellt.

Rippenplatten

Rippenplattenverbindungen sind wirtschaftlich herzustellen und einfach zu montieren. Diese Verbindungen sind sehr beliebt, da sie am schnellsten zu montieren sind und das Problem der gemeinsamen Schrauben bei zweiseitigen Verbindungen umgehen.

Ein Rippenplattenanschluss besteht aus einem Stück Blech, das in der Werkstatt an das tragende Element geschweißt wird und an das der gestützte Trägersteg vor Ort geschraubt wird, wie in der Abbildung unten dargestellt. Zwischen dem Ende des gestützten Trägers und der tragenden Säule besteht ein geringes Spiel.

Rippenplattenanschlüsse

Bei der Bemessung eines Rippenplattenanschlusses ist es wichtig, die geeignete Wirkungslinie für die Scherung zu bestimmen. Es gibt zwei Möglichkeiten: entweder wirkt die Schubkraft an der Stirnseite der Stütze oder sie wirkt entlang der Mitte der Schraubengruppe, die die Rippenplatte mit dem Trägersteg verbindet. Aus diesem Grund sollten beide kritischen Abschnitte auf ein Mindestmoment überprüft werden, das sich aus dem Produkt der vertikalen Schubkraft und dem Abstand zwischen der Stirnseite der Stütze (oder dem Trägersteg) und der Mitte der Schraubengruppe ergibt. Beide kritischen Abschnitte werden dann auf das resultierende Moment in Kombination mit dem vertikalen Schub geprüft. Aufgrund der Unsicherheit des auf die Rippenplatte wirkenden Moments werden die Rippenplattenschweißnähte auf volle Festigkeit bemessen.

Rippenplattenverbindungen leiten ihre Rotationskapazität in der Ebene von der Schraubenverformung bei Scherung, von der Verformung der Schraubenlöcher im Lager und von der Biegung der Rippenplatte außerhalb der Ebene ab. Es ist zu beachten, dass Rippenplatten mit langen Auskragungen dazu neigen, sich zu verdrehen und durch seitliches Ausknicken zu versagen. Ein zusätzlicher Nachweis zur Berücksichtigung dieses Verhaltens ist in den Bemessungsverfahren für Rippenplattenverbindungen enthalten.

Das „Green Book“ (SCI P358) behandelt die Anforderungen an die Detaillierung, die Entwurfsnachweise und die Verfahren für den Entwurf von Rippenplatten. Arbeitsbeispiele und Tabellen zur Bemessungsfestigkeit sind ebenfalls in dieser Publikation enthalten.

Ein Werkzeug zum Entwerfen von Rippenplatten ist ebenfalls verfügbar.

Das zunehmende Interesse an der Verwendung von S355 für Rippenplatten warf die Frage nach der Steifigkeit solcher Verbindungen auf – sind sie immer noch nominell verstiftet? Um diese Frage zu klären, beauftragten BCSA und Steel for Life das SCI mit der Durchführung einer Studie, in der das Verhalten von Rippenplattenverbindungen mit S275- und S355-Rippenplatten verglichen wurde. Die Studie kam zu dem Schluss, dass 10-mm-Rippenbleche aus S355 als nominell gelenkige Verbindungen gelten und als Alternative zu S275-Blechen verwendet werden können, solange die standardisierte Verbindungsgeometrie im Grünen Buch eingehalten wird. Weitere Informationen finden Sie in einem Artikel in der Mai-Ausgabe 2018 des NSC-Magazins.

Stützenverbindungen

Stützenverbindungen im mehrgeschossigen Bau sind erforderlich, um Festigkeit und Kontinuität der Steifigkeit um beide Achsen der Stützen zu gewährleisten. Typische verschraubte Stützenverbindungen, die für gewalzte I-Profile und Hohlprofile verwendet werden, sind in der Abbildung rechts dargestellt.

Stützenverbindungen werden in der Regel alle zwei oder drei Stockwerke vorgesehen und befinden sich in der Regel etwa 600 mm über dem Boden. Dadurch ergeben sich bequeme Längen für die Herstellung, den Transport und die Montage sowie ein einfacher Zugang vom angrenzenden Stockwerk für die Verschraubung auf der Baustelle. Das Anbringen von Verbindungen auf jeder Geschossebene ist selten wirtschaftlich, da die Einsparung an Stützenmaterial im Allgemeinen durch die Material-, Herstellungs- und Montagekosten für die Verbindung bei weitem aufgewogen wird.

Verschraubte Deckplattenverbindungen für I-Profile:

Es gibt zwei Kategorien für diese Art der Verbindung:

• Lagertyp
• Nichtlagertyp.

Beim Lagertyp (siehe Abbildung unten) werden die Lasten direkt von der oberen Welle entweder direkt oder über eine Teilungsplatte übertragen. Die „gelagerte“ Verbindung ist die einfachere Verbindung, die in der Regel weniger Schrauben als die nicht-gelagerte Verbindung hat, und wird daher in der Praxis am häufigsten verwendet.

Wenn keine Nettospannung vorhanden ist, kann eine Standardverbindung verwendet werden, jedoch schreibt BS EN 1993-1-8 vor, dass die Verbindungsplatten und Schrauben mindestens 25 % der maximalen Druckkraft in der Säule übertragen müssen.

Für tragende Verbindungen ist der Verbindungswiderstand wahrscheinlich die kritische Kontrolle.

Verbindungen, die als nicht tragend eingestuft werden (siehe Abbildung unten), übertragen die Lasten über die Bolzen und Verbindungsplatten. Ein direktes Lager zwischen den Bauteilen wird ignoriert, die Verbindung wird manchmal mit einem Spalt zwischen den beiden Wellen beschrieben. Die Bemessung einer nicht-tragenden Verbindung ist aufwändiger, da alle Kräfte und Momente über die Bolzen und Verbindungsplatten übertragen werden müssen. Für nicht-tragende Verbindungen sind die Mindestanforderungen in BS EN 1993-1-8 sehr hoch, da sie auf der Tragfähigkeit des Bauteils und nicht auf der einwirkenden Kraft basieren.

Da die Verbindungen im Allgemeinen knapp über dem Fußbodenniveau angebracht werden, wird das auf die Strebenwirkung zurückzuführende Moment als unbedeutend angesehen. Die Momente, die in Spleißen an anderen Stellen entstehen, sollten jedoch berücksichtigt werden.

Säulenverbindungen sollten die verbundenen Teile in einer Linie halten, und wo immer möglich, sollten die Teile so angeordnet werden, dass die Schwerpunktsachse des Verbindungsmaterials mit der Schwerpunktsachse der Säulenabschnitte über und unter der Verbindung zusammenfällt. Wenn die Stützenabschnitte versetzt sind (z. B. um eine konstante Außenlinie zu erhalten), sollte das auf die Exzentrizität zurückzuführende Moment bei der Verbindungsbemessung berücksichtigt werden.

Die für geschraubte Deckplattenstützenverbindungen erforderlichen Bemessungsnachweise sowie Verfahren, Arbeitsbeispiele, Anforderungen an die Detaillierung und Bemessungswiderstandstabellen sind in Kapitel 6 des „Green Book“ (SCI P358) enthalten.

Geschraubte ‚Deckel- und Boden‘- oder ‚Endplatten‘-Verbindungen für rohrförmige und gewalzte I-Profile

Diese Art von Verbindungen, bestehend aus Platten, die an die Enden der unteren und oberen Stützen geschweißt und dann auf der Baustelle einfach zusammengeschraubt werden, wird üblicherweise im Rohrbau verwendet, kann aber auch bei offenen Profilen eingesetzt werden.

Die einfachste Form der Verbindung ist in der Abbildung rechts dargestellt und ist zufriedenstellend, solange die Enden jeder Welle in der gleichen Weise wie bei einer Lagerverbindung vorbereitet werden. Die Möglichkeit der Lastumkehr sollte zusätzlich zu den Anforderungen an die Stabilität während der Montage und der Verankerung berücksichtigt werden.

Obwohl häufig verwendet, ist es schwierig nachzuweisen, dass Kappen- und Bodenverbindungen die Anforderungen von BS EN 1993-1-8 Abschnitt 6.2.7.1(14) erfüllen. Wenn diese Arten von Verbindungen verwendet werden, ist es gängige Praxis, sicherzustellen, dass die Platten dick sind und dass die Schrauben nahe an den Flanschen angeordnet sind, um die Steifigkeit der Verbindung zu erhöhen. Es können auch verlängerte Platten verwendet werden, bei denen die Schrauben außerhalb des Profils des Profils liegen. Wenn die Verbindungen von Kopf- und Fußplatten außerhalb eines Einspannpunktes angeordnet sind, sollte besonders darauf geachtet werden, dass eine ausreichende Steifigkeit gewährleistet ist, damit die Bemessung des Bauteils nicht ungültig wird.

„Kopf- und Fuß-“ oder „Endplatten“-Stützenverbindungen werden in Kapitel 6 des „Green Book“ (SCI P358) behandelt. Es werden Detaillierungsanforderungen, Bemessungsverfahren, Arbeitsbeispiele und Bemessungswiderstandstabellen angegeben.

Stützenfüße

Typische Stützenfüße, wie in der Abbildung rechts dargestellt, bestehen aus einer einzelnen Platte, die an das Ende der Stütze gekehlt und mit vier Haltebolzen am Fundament befestigt ist. Die Bolzen werden in Form von Rohren oder Konen in den Betonsockel eingegossen und sind mit Ankerplatten versehen, um ein Herausziehen zu verhindern. Der Raum unter der Platte wird mit hochfestem Mörtel ausgegossen (siehe Abbildung unten).

Solche Stützenfüße sind oft nur auf axialen Druck und Scherung beansprucht. Auftrieb und horizontale Scherung können jedoch ein Bemessungsfall für Stützenfüße in ausgesteiften Erkern sein.