Hohlprofilverbindungen - was macht sie so besonders?

Von Architekten geliebt, von Herstellern gefürchtet. Verbindungen von Stahlhohlprofilen können ein wahrer Albtraum sein, aber wenn sie erfolgreich entworfen werden, schaffen sie es, die Kälte von Stahlkonstruktionen zu zivilisieren.

Stahl ist ein großartiges Material für die Herstellung von Tragwerken. Daran besteht kein Zweifel. Noch besser ist es, wenn es dem Planer gelingt, ihn sichtbar zu halten. Ich erinnere mich an eine einfache Aussage meines Universitätsprofessors und angesehenen Ingenieurs: "Ein gutes Bauwerk soll wahrhaftig sein". Was auch immer damit gemeint ist, in meinen Ohren klingt es so, als sollte das Tragprinzip klar sein, und zwar nicht nur für einen Experten, sondern für jeden Betrachter.

Und das kann eine schwierige Aufgabe für einen Architekten oder einen Konstrukteur sein. Wenn es ihnen gelingt, eine solche Konstruktion freizulegen, sind die Details entscheidend. Kein Wunder, dass der öffentliche Raum anders aussehen soll als ein Industriegebiet.

Vogelnest - Die Stahlkonstruktion des Pekinger Nationalstadions ist ein schönes Beispiel für die Verwendung von Hohlprofilen in einem ikonischen architektonischen Meisterwerk. Der verwendete Querschnittstyp hat den Gesamteindruck des Bauwerksvolumens vollständig beeinflusst.

Wenn es sich um eine freiliegende Tragstruktur handelt, sind Hohlprofile erwünschter als offene Profile. Je weniger Verbindungen sichtbar sind, desto besser. Wenn eine Verbindung erforderlich ist, dann wird eine geschweißte Verbindung mehr gewünscht als eine geschraubte. Und wenn eine Schraubverbindung unvermeidlich ist, gilt: je weniger Schrauben, desto besser. Und so weiter...

Was für den Autor das gewünschte Ziel einer sauberen, einfach aussehenden Struktur ist, kann für den Statiker wirklich unerwünscht sein und wird vom Hersteller und Monteur noch weniger geschätzt. 

Aber wie auch immer die Situation im Moment aussieht, der gut ausgebildete, aufgeschlossene und leidenschaftliche Bauingenieur ist nicht dazu da, einen Weg zu finden, um die schwierigen Situationen zu vermeiden, sondern um sie zu lösen.

Schauen wir uns einmal genauer an, was sich hinter dem gesamten Bereich der Hohlprofil-Strukturen verbirgt. Welche Querschnitte sind Hohlprofile? Alle Typen, die nicht offen sind (das war doch ganz einfach, oder?).

Standard Hohlprofil Querschnitte

Welches Rohrarsenal steht einem Bauingenieur für die Konstruktion zur Verfügung?

• RHS - rechteckiger Hohlprofile
• SHS - quadratische Hohlprofile
• CHS - kreisförmige Hohlprofile
• Außergewöhnliche gleichförmig elliptische

Anwendungsbereich von Hohlquerschnitte

Hohlquerschnitte können überall verwendet werden, aber die häufigsten Anwendungen sind:

• Stützen
• Streben
• Fachwerke
• Gebogene Stäbe

Wie werden die Rohre hergestellt 

Eine ganz typische Frage - wie werden die Rohre eigentlich hergestellt? Die Rohre werden auf zwei verschiedene Arten hergestellt:

• Kaltgeformt / gewalzt + geschweißt

(Die Rohre werden durch Biegen von Blechen in die gewünschte Form hergestellt und dann in das geschlossene Profil geschweißt)

• Kontinuierliches Walzen

(das Grundmaterial wird weißglühend erhitzt und zu einem Zylinder geformt und dann wird eine kugelförmige Einstechspitze durchgedrückt)

Vorteile der Hohlquerschnitte

• Ästhetik - besseres Aussehen als bei den offenen Abschnitten
• Wirtschaftlich
  - geringeres Gewicht, daher im Allgemeinen billiger pro Meter
  - weniger Oberfläche mit geringeren Endbearbeitungskosten
• Großartige statische Parameter
  - Torsionswiderstand bis zu 200-mal höher als bei offenen Profilen (I-, C-, L- und T-Form)
  - auch höhere Druckkapazität für die gleiche freie Länge 
• Verwendbar als Mantel für die Betonstütze (für erhöhte axiale Kapazität)
• Große Auswahl an Standardgrößen

Nachteile von Hohlquerschnitt-Profilen

• Nicht ideal als Biegeelemente (biegesteif), da mehr Stahl verwendet wird als bei einem entsprechenden I-Profil
• Schraubverbindungen sind schwierig zu realisieren, da das Profil geschlossen ist.

Wie geht man mit Hohlprofilverbindungen um?

Ein Meisterwerk bei der Verwendung von Hohlprofilen für die Dachkonstruktion, auch in Bezug auf die BIM-Verbindung zwischen verschiedenen Planungswerkzeugen, ist das Projekt HUNGEXPO von KÉSZ Romania. Es ist eine Erfolgsgeschichte, in der ein anspruchsvolles architektonisches Konzept, Ingenieurskunst und moderne Planungswerkzeuge aufeinander treffen.

Entwurfsablauf mit Software-Links:

Rhinoceros/Grasshopper -> Pangolin plugin -> ConSteel -> IDEA StatiCa Connection -> Tekla Structures

Natürlich gehören solche Konstruktionen nicht zum täglichen Brot der meisten Statiker. Häufiger liegen einige Standardverbindungen auf dem Tisch, die gemäß den Konstruktionshandbüchern vorbereitet wurden.

Bemessungsregeln und Handbücher für die Bemessung von Hohlquerschnitt-Verbindungen

Wenn Sie sich mit einigen regionalen Richtlinien vertraut machen möchten, sind die wichtigsten in der Liste aufgeführt:

• AISC 360 - Chapter K
• AISC Design Guide #24: Hollow Structural Section Connections
• CISC Design Guide (Hollow Structural Section - Connections and Trusses 1997)
• EN 1993-1-8 - Chapter 7
• CIDECT Design Guides (Internationales Komitee für die Entwicklung und Untersuchung von Rohrkonstruktionen)
• HSS Design manual, Volume 3: CONNECTIONS AT HSS MEMBERS (Steel Tube Institute)
• etc.

Dabei spielt es keine Rolle, ob Sie sich an ein Konstruktionshandbuch oder ein Verbindungsset eines Unternehmens halten oder ob Sie eine neue Verbindungsart von Grund auf erstellen. Sie müssen immer dieselben grundlegenden Schritte durchlaufen: 

Und wenn die Prüfung in der ersten Runde nicht in Ordnung ist, müssen Sie so lange iterieren, bis Sie Ihr Ziel erreicht haben.

Vorteile der in IDEA StatiCa gelösten Hohlquerschnitt-Verbindung

Was viel Zeit sparen kann, wenn man sich am Anfang schwer tut, ist der Satz an anfänglichen Designvorlagen, der in die IDEA StatiCa Connection App integriert ist. Es gibt Dutzende von vorbereiteten Vorlagen im Startassistenten, bereit für den letzten Schliff durch den Ingenieur oder Konstrukteur. 

Für den Fall, dass die erste Idee nicht die beste Lösung sein sollte, können durch einen einfachen Rechtsklick mit der Funktion "Verbinden mit" weitere Dutzende von Entwürfen im Connection-Browserfenster angezeigt werden. Hier sind nicht nur die Standardvorlagen, sondern auch die Entwürfe des Benutzers gespeichert, und die passenden Entwürfe für die jeweilige Geometrie werden in Sekundenschnelle angezeigt.

Wenn Sie Interesse haben und einige fertige Beispielprojekte ausprobieren möchten, können Sie diese ganz einfach in unserem IDEA StatiCa Support Centre herunterladen.

Die Optionen der Schraubverbindungen für die Hohlprofile:

Als erste Option, um eine Hohlquerschnitt-Verbindung zu ermöglichen, können Sie über einige einfache Lösungen nachdenken. Diese einfachen Lösungen können aber auch einige Hindernisse mit sich bringen.

Nun, zum Glück sind wir nicht die Ersten, die dieses Rad erfunden haben. Es gibt noch einige andere Möglichkeiten auf dem Markt, die bei der direkten Verschraubung mit den Hohlprofilen helfen. 

   a) Blindschrauben

   b) Spreizdübel

   c) Mutternhalter

Welche Werkzeuge können für die Konstruktion von Hohlquerschnitt-Verbindungen verwendet werden? 

Auf dem Markt gibt es eine ganze Reihe von Anwendungen zur Verbindungsgestaltung. Einen sehr guten Überblick über die Möglichkeiten hat das Steel Tube Institute in seinem jüngsten Artikel über die heutigen Softwaretools für Hohlquerschnitt-Verbindungen gegeben. IDEA StatiCa Connection hat sich als einziges Werkzeug, das auf der FEM-Methode basiert und daher in der Lage ist, jede beliebige Verbindungstopologie zu modellieren, sehr gut platziert. Aus dieser Übersicht geht hervor, dass IDEA StatiCa auch das einzige Werkzeug ist, das alle bewerteten Parameter erfüllt. 

Welche Hindernisse können bei der Konstruktion auftreten?

Oftmals werden Fehler oder Unzulänglichkeiten bei der Bemessung übersehen, die durch fehlende Nachweise für lokales Knickversagen von Hohlkörpern verursacht werden. Für Benutzer von IDEA StatiCa Connection ist dies eine einfache Aufgabe, da es ein einfaches Kontrollkästchen im Einstellungsdialog gibt. Wenn diese Funktion aktiviert ist, ist der Nachweis der lokalen Verformung in der Verbindungsanalyse enthalten.  

Die Besonderheiten im Zusammenhang mit HSS-Verbindungen wurden auch in unserem theoretischen Hintergrund zu Verbindungen von Hohlquerschnitten beschrieben. 

Neben dem Problem der lokalen Verformung gibt es auch einen wichtigen Unterschied zwischen den Versagensarten von dünnwandigen und normalen Hohlprofilen:

(rote Linie - dünnwandige Stäbe, grüne Linie - normale Stäbe in Druck, blaue Linie - normale Stäbe in Zug)

Andere Ressourcen für Hohlprofilverbindungen

Der Entwurf und die Analyse von Hohlprofilverbindungen könnte ohne die GMNA (geometrisch und materiell nichtlineare Analyse) nicht genau genug sein. Wozu wurde sie entwickelt und wann ist sie zu verwenden? Alle notwendigen Informationen sind in einem der früheren Blogbeiträgen zu finden. 

Wenn Sie auf der Suche nach Anregungen für kreisförmige Hohlprofile sind, könnten Sie sich für diese Webinare interessieren, die sich mit dem Anschluss von CHS-Aussteifungsstäben und dem 3D-Mehrstabanschluss aus CHS und SHS Profilen befassen. 

Die wichtigste Botschaft

Die Herausforderung für die Ingenieure von heute wurde von Jason McCool in seinem Interview für Steel Tube Institute beschrieben. Er erklärte, dass ein guter Ansatz für die Bewältigung der Komplexität der heutigen statischen Verbindungsanforderungen darin besteht, über den Tellerrand zu blicken oder zumindest bewährte Lösungen aus verschiedenen Regionen zu betrachten.

In unserer globalen Welt, in der es keine Informationsgrenzen gibt, kann es sehr bereichernd sein, in die Küchen von Ingenieuren aus verschiedenen Teilen der Welt zu schauen. Auch wenn es nicht für jede Struktur eine perfekte Verbindung gibt, können wir unsere Entwürfe immer verbessern, indem wir unsere bewährten Praktiken austauschen.

Bild- und Datenquellen: http://architectuul.com, http://madehow.com, https://steeltubeinstitute.org/