Einleitung

Die Bemessung von Stahlbauverbindungen erfordert die Bewertung vieler Grenzzustände, die Berücksichtigung vieler Verhaltenseffekte und die Einhaltung vieler Anforderungen. Die AISC-Spezifikation, das AISC-Handbuch und andere Referenzen beschreiben Designmethoden, die in der US-Praxis verwendet werden. Derzeit beruhen die am weitesten verbreiteten Methoden überwiegend auf Berechnungen, die von Hand durchgeführt werden können. Fortschritte in der Computerhardware und -software ermöglichen jedoch eine andere Art von Entwurf, der auf nichtlinearer Strukturanalyse beruht. Die Verwendung der nichtlinearen Analyse in der Konstruktion kann für komplexe oder einzigartige Verbindungen von Vorteil sein, bei denen die Annahmen herkömmlicher Berechnungen nicht bewiesen sind. Es gelten jedoch die gleichen Grenzzustände, Entwurfsüberlegungen und Entwurfsanforderungen. Eine gute Verbindungskonstruktion kommt von Ingenieuren, die diese Bemessungskriterien kennen und wissen, wie ihre Werkzeuge sie erfassen. Dieses Dokument soll eine detaillierte, aber nicht erschöpfende Auflistung von Grenzzuständen, Bemessungsüberlegungen und Bemessungsanforderungen sein, die für die Bemessung von Baustahl relevant sind, und eine Beschreibung, wie diese in traditionellen Berechnungen und in IDEA StatiCa unter Verwendung der komponentenbasierten Finite-Elemente-Methode berücksichtigt werden.

Dieses Dokument bezieht sich auf die AISC-Spezifikation 2022 und das AISC-Handbuch der 16^{. Ausgabe.}

Zustände begrenzen

Bruch der Schweißnaht

Die AISC-Spezifikation enthält Bestimmungen für Nutschweißungen, Kehlnähte sowie Steck- und Schlitzschweißnähte. Davon sind Nutschweißnähte mit vollständiger Verbindungsdurchdringung (CJP) und Kehlnähte die einzigen Typen, die derzeit in IDEA StatiCa definiert werden können.

CJP-Nutnähte, Stumpfnähte in IDEA StatiCa, werden durch direkte Verbindung der Komponenten mit Hilfe von Mehrpunktabhängigkeiten modelliert. Die Mehrpunktabhängigkeiten bieten keine Flexibilität. Auch die Festigkeit dieser Schweißnähte wird nicht überprüft, da die Festigkeit der CJP-Nutnähte durch das Grundmetall gesteuert wird.

Kehlnähte werden auch mit Mehrpunktabhängigkeiten und einem äquivalenten Schweißschalenelement modelliert, das das elastoplastische Verhalten der Schweißnaht annähert. Die Kräfte in diesen Schalenelementen werden extrahiert und als erforderliche Festigkeiten für den Vergleich mit verfügbaren Festigkeiten verwendet, die gemäß der AISC-Spezifikation berechnet werden.

Die verfügbare Festigkeit von Schweißnähten ist in Abschnitt J2.4 der AISC-Spezifikation definiert. Bei Kehlnähten ist die Nennfestigkeit das Produkt aus der Nennspannung des Schweißguts, F_nw, der effektiven Fläche der Schweißnaht, A_we, und einem Richtungsfestigkeitserhöhungsfaktor, k_ds. Die AISC-Spezifikationstabelle J2.5 legt F _nw = 0,6F_EXX fest und verweist auf den AISC-Spezifikationsabschnitt J2.2a für die Definition von A_we. Für jedes Schweißsegment wird A_we als Halsdicke multipliziert mit der Länge des Schweißsegments angenommen. Die Verkürzungen der effektiven Länge für lange Schweißnähte in Abschnitt J2.2b der AISC-Spezifikation werden nicht angewendet. Die Auswirkungen von langen Schweißnähten werden jedoch explizit erfasst, wie im Eintrag zur Verformungskompatibilität bei langen Verbindungen beschrieben.

Der Richtungsfestigkeitserhöhungsfaktor ist in Abschnitt J2.4 der AISC-Spezifikation definiert. Wenn die Dehnungskompatibilität der verschiedenen Schweißelemente betrachtet wird (wie es in IDEA StatiCa der Fall ist, da die Steifigkeit der Schweißnähte und Verbindungselemente explizit modelliert wird), ist k_ds eine Funktion des Winkels zwischen der Wirkungslinie der erforderlichen Kraft und der Längsachse der Schweißnaht. IDEA StatiCa ermittelt die Wirkungslinie aus den Schnittgrößen im äquivalenten Schweißschalenelement und berechnet k_ds und die Nennfestigkeit für jedes Schweißsegment.

Ein Sonderfall gilt für Kehlnähte an den Enden von rechteckigen HSS, die auf Zug belastet sind, wobei k_ds = 1,0 ist. In IDEA StatiCa wird der Richtungsfestigkeitserhöhungsfaktor nicht für Kehlnähte an den Enden von rechteckigen HSS verwendet, unabhängig von der Belastung.

Der AISC-Spezifikationsabschnitt J2.4 definiert auch die Festigkeit des Grundmetalls. Für Kehlnähte verweist die AISC-Spezifikationstabelle J2.5 auf den AISC-Spezifikationsabschnitt J4 für unedle Metallnachweise. Die Festigkeitsnachweise von Grundmetallen werden im Eintrag über die Festigkeit von Grundmetallen näher beschrieben.

Festigkeit des Grundmetalls schweißen

Bei Schweißverbindungen wird die Festigkeit der an die Schweißnaht angrenzenden Verbindungselemente als Grundmetallfestigkeit bezeichnet. In vielen Fällen können potentielle Grenzzustände identifiziert werden, und die verfügbare Festigkeit des Grundmetalls kann anhand der Bestimmungen der AISC-Spezifikation Abschnitt J4 berechnet werden. Die Auswertung dieser Grenzzustände in IDEA StatiCa ist in Einträgen zu den einzelnen Grenzzuständen beschrieben, u.a. Zugstreckgang, Zugbruch, Schubstreckgrenze und -bruch sowie Blockschubbruch.

Bei einigen Verbindungen sind jedoch potenzielle Grenzzustände in der Nähe der Schweißnaht schwer zu erkennen, und die verfügbare Festigkeit des Grundmetalls kann nicht direkt von Hand berechnet werden. Für diese Fälle enthält das AISC-Handbuch die Gleichungen 9-6 und 9-7 für die minimale Grundmetalldicke, die mit der Schweißnaht unter bestimmten Annahmen übereinstimmt. Diese Gleichung wird in IDEA StatiCa nicht ausgewertet, da potentielle Grenzzustände des Grundmetalls nicht a priori identifiziert werden müssen und die Festigkeit mit der plastischen Dehnungsgrenze von 5 % bewertet wird. Ingenieure können jedoch weiterhin die Größenbeschränkung für Schweißnähte und Verbindungselemente verwenden.

IDEA StatiCa bietet die Möglichkeit, die Kapazität des Grundmetalls an der Schweißfläche zu überprüfen. Diese Prüfung kann im Fenster "Code-Setup" aktiviert werden. Diese Prüfung wird in der US-Praxis üblicherweise nicht durchgeführt und ist in der Regel nicht erforderlich, wenn das Lot entsprechend auf das Grundmetall abgestimmt ist. Im Kommentar zur AISC-Spezifikation Abschnitt J2.4 heißt es, dass Tests gezeigt haben, dass die Beanspruchung des Schweißbereichs für die Bestimmung der Scherfestigkeit von Kehlnähten nicht entscheidend ist.

Schraubenschere und Zugbruch

Die verfügbare Festigkeit von Schrauben, die einem Zug oder einer Schubkraft ausgesetzt sind, ist in Abschnitt J3.7 der AISC-Spezifikation definiert. Die verfügbare Festigkeit von Schrauben, die einer Kombination aus Zug und Schub ausgesetzt sind, ist in Abschnitt J3.8 der AISC-Spezifikation definiert. IDEA StatiCa verwendet diese Rückstellungen direkt, um die verfügbaren Festigkeiten zu berechnen, die mit den erforderlichen Festigkeiten verglichen werden, die aus der nichtlinearen Analyse ermittelt wurden. Wie angegeben, umfasst die erforderliche Zugfestigkeit, die aus der nichtlinearen Analyse ermittelt wird, die Spannung, die durch Hebelwirkung entsteht.

Eine Fußnote in der AISC-Spezifikationstabelle J3.2 verlangt, dass die nominale Schubspannung F_nv von Schrauben des Typs A307 verringert wird, wenn die Griffigkeit einer Schraube mehr als das Fünffache ihres Durchmessers beträgt. Diese Reduzierung ist in IDEA StatiCa nicht implementiert. Daher muss die nominale Schubspannung von langen A307-Schrauben auf der Registerkarte "Materialien" manuell angepasst werden.

Lager und Ausriss an Schraubenlöchern

Die Festigkeit von Schrauben in der Scherung kann durch Lagerung oder Ausriss an den Schraubenlöchern begrenzt werden. Es ist manchmal gängige Praxis, Lager und Riss getrennt vom Schraubenscherbruch zu bewerten. Schraubengruppen können jedoch versagen, wobei einige Schrauben reißen und andere herausreißen. In einer Anmerkung des Benutzers in Abschnitt J3.7 der AISC-Spezifikation heißt es: "Die effektive Festigkeit eines einzelnen Verbindungselements kann als die geringere der Scherfestigkeit des Verbindungselements gemäß Abschnitt J3.7 oder der Lager- oder Reißfestigkeit am Bolzenloch gemäß Abschnitt J3.11 angesehen werden. Die Festigkeit der Schraubengruppe wird als Summe der effektiven Festigkeiten der einzelnen Verbindungselemente genommen."

IDEA StatiCa bewertet die Festigkeit jeder Schraube einzeln mit den erforderlichen Festigkeiten, die aus der nichtlinearen Analyse ermittelt wurden, und den verfügbaren Festigkeiten, die gemäß den Bestimmungen der AISC-Spezifikation berechnet wurden. Diese Bewertung entspricht der Benutzeranmerkung in Abschnitt J3.7 der AISC-Spezifikation. IDEA StatiCa fasst jedoch nicht einfach nur die effektiven Festigkeiten der einzelnen Verbindungselemente zusammen. Der Ansatz von IDEA StatiCa kann zu einer konservativen Unterschätzung der Stärke führen.

Betrachten Sie die unten gezeigte Drei-Schrauben-Verbindung. Die Verbindung ist kurz und die Steifigkeit der drei Schrauben ist gleich, da die Last-Verformungs-Reaktion für Schrauben in IDEA StatiCa nicht vom Randabstand abhängt, daher wird die aufgebrachte Last annähernd gleichmäßig auf die Schrauben verteilt. Die Stärke des Bolzens mit dem 1 Zoll. Der Randabstand wird durch Ausreißen gesteuert. IDEA StatiCa zeigt einen Ausfall an, wenn die erste Schraube eine Auslastung von 100 % erreicht. Da die Schraube mit 1 in. Der Kantenabstand hat die geringste verfügbare Festigkeit (φr_n = φ1,2dtF_u = 17,4 kips), er erreicht zuerst eine 100%ige Ausnutzung. Die anderen Schrauben sind stärker (φr_n = 35,8 kips, AISC Manual Table 7-1), aber sie erreichen nicht 100 % Auslastung, was zu einer Verbindungsfestigkeit von 52,5 kips führt. Nach herkömmlichen Berechnungen wird davon ausgegangen, dass jede Schraube ihre effektive Festigkeit erreicht, was zu einer Verbindungsfestigkeit von 89,0 kips führt, die 70 % höher ist als die Festigkeit von IDEA StatiCa.

Drei-Schrauben-Schraubverbindung

Drei-Schrauben-Schraubverbindung mit 57,5 kips aufgebrachten Lasten

In Abschnitt J3.11a der AISC-Spezifikation sind zwei Gleichungssätze enthalten, einer, wenn die Verformung am Schraubenloch bei Betriebslast eine Konstruktionsüberlegung ist, und einer, wenn die Verformung am Schraubenloch bei Betriebslast keine Konstruktionsüberlegung ist. Die Auswahl, ob die Verformung an der Schraubenbohrung bei Betriebslast eine konstruktive Überlegung ist, kann im Fenster "Code einrichten" vorgenommen werden.

Andere Gleichungen sind auch in AISC-Spezifikationsabschnitt J3.11a für lange Langlöcher vorgesehen, wenn der Schlitz senkrecht zur Kraftrichtung steht. Langlöcher können in IDEA StatiCa über den Platteneditor definiert werden. Die Lager- und Ausreißgleichungen in der AISC-Spezifikation für Langlöcher werden für alle Langlöcher in IDEA StatiCa verwendet, unabhängig von der Schlitzlänge.

Der AISC-Spezifikationsabschnitt J3.11b verlangt die Verwendung der Lagerbestimmungen des Abschnitts J7 für Schrauben oder Stangen, die vollständig durch ein nicht versteiftes Kastenelement oder einen hohlen Strukturabschnitt (HSS) verlaufen. Diese Bestimmung ist in IDEA StatiCa nicht implementiert, und die Lager werden in solchen Verbindungen so bewertet, als ob es sich um normale Schraubverbindungen handeln würde, bei denen alle Lagen festen Kontakt herstellen. Im Bericht wird eine Warnung ausgegeben, wenn die Länge des Schraubengriffs größer ist als die Summe der Dicken der verbundenen Platten. 

Bei der Bewertung des Ausrisses bestimmt IDEA StatiCa den deutlichen Abstand in Richtung der Kraft zwischen der Kante der Bohrung und der Kante der angrenzenden Bohrung oder der Kante des Materials, l_c, unter Verwendung der Kraftrichtung für jede Schraube aus der nichtlinearen Analyse. Diese Funktion ist besonders hilfreich bei exzentrisch belasteten Schraubengruppen, bei denen die Kraftrichtung von Schraube zu Schraube variiert. Der Ausreißgrenzzustand wurde in diesem Artikel für Konsolenplattenverbindungen und in diesem Artikel für Einzelplattenschubverbindungen untersucht.

Ausrutschen

Verbindungen müssen als rutschkritisch ausgelegt werden, wenn sie einer Ermüdungsbelastung mit Umkehrung der Belastungsrichtung ausgesetzt sind, wenn sie übergroße Bohrungen verwenden, wenn ein Schlupf an den Fayingflächen die Leistung der Struktur beeinträchtigen würde und aus anderen Gründen. Die verfügbare Festigkeit für den Grenzzustand des Gleitens ist in der AISC-Spezifikation Abschnitt J3.9 mit zusätzlichen Bestimmungen in Abschnitt J3.10 für kombinierte Zug- und Schubkräfte in rutschkritischen Verbindungen definiert. IDEA StatiCa verwendet diese Rückstellungen direkt, um die verfügbaren Festigkeiten zu berechnen, die mit den erforderlichen Festigkeiten verglichen werden, die aus der nichtlinearen Analyse ermittelt wurden.

Der Schlupfkoeffizient μ wird in der Codeeinrichtung definiert. Der Faktor für Füllstoffe, h_f, wird automatisch ermittelt.

Unterschiede zwischen IDEA StatiCa und Handberechnungen können aufgrund des Reduktionsfaktors für die Spannung, k_sc, auftreten, der in AISC-Spezifikationsabschnitt J3.10 definiert ist. IDEA StatiCa verwendet die Spannung in der Schraube aus der nichtlinearen Analyse, um k_sc zu berechnen, auch wenn die Spannung in der Schraube nicht durch eine aufgebrachte Spannung verursacht wurde, die die Nettoklemmkraft verringert. Bei einer verlängerten Stirnplattenmomentverbindung mit einer schlupfkritischen Verbindung zwischen der Endplatte und dem Stützenflansch (wie unten dargestellt) verursacht das Moment im Träger beispielsweise eine Spannung in den Schrauben in IDEA StatiCa. Physikalisch gesehen wird jeder Verlust der Klemmkraft in der Nähe der Schrauben auf der Zugseite des Trägers aufgrund des Moments durch eine Erhöhung der Klemmkraft in der Nähe der Schrauben auf der Druckseite des Trägers ausgeglichen. In Handberechnungen würde der Faktor k_sc für diese Verbindung nicht verwendet werden (es sei denn, der Träger hat eine Nettozugkraft). Da IDEA StatiCa jedoch Schrauben einzeln bewertet, wird k_sc konservativ auf die Schrauben auf der Zugseite des Trägers angewendet, wodurch die Gesamtrutschfestigkeit der Verbindung verringert wird. Die zufällige Spannung in einer überwiegend schubbelasteten Verbindung und die Spannung durch Hebelwirkung werden bei der Berechnung von k_sc in IDEA StatiCa ebenfalls konservativ berücksichtigt. 

Der AISC-Spezifikationsabschnitt J3.9 verlangt, dass schlupfkritische Verbindungen zusätzlich zum Schlupf für die Grenzzustände von lagerartigen Verbindungen ausgelegt werden. IDEA StatiCa prüft nicht den Bruch, das Lager oder den Ausriss von Schrauben, die für die Kraftübertragung durch Reibung bestimmt sind. Darüber hinaus werden schlupfkritische Verbindungen anders modelliert als lagerartige Verbindungen in IDEA StatiCa. Bei schlupfkritischen Verbindungen werden die Kräfte von einer Platte auf eine andere über eine größere Fläche übertragen, die eher für die Kraftübertragung durch Reibung repräsentativ ist. Die größere Streuung der Übertragungskräfte kann zu einer erhöhten Festigkeit der Verbindungselemente für Grenzzustände wie z.B. Blockscherbruch führen. Bei den meisten Verbindungen ist die Gleitfestigkeit geringer als die Festigkeit für die Grenzzustände von Lagerverbindungen. Ingenieure sollten sich dieser Einschränkungen jedoch bewusst sein und sie bei der Konstruktion berücksichtigen. Es wird empfohlen, schlupfkritische Verbindungen in IDEA StatiCa zweimal zu analysieren: einmal als schlupfkritische Verbindung (d. h. mit dem auf "Reibung" eingestellten Querkraftübertragungstyp) und ein weiteres Mal als Lagerverbindung (d. h. mit dem auf "Lager – Zug-/Schubwechselwirkung" eingestellten Querkraftübertragungstyp), um sicherzustellen, dass alle Grenzzustände angemessen bewertet werden.

Zugzug-Nachgiebigkeit

Die Zugstreckgrenze gehört zu den grundlegendsten Grenzzuständen im Stahlbau. Die Nennfestigkeit für die Zugstreckgrenze ist in der AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt D2 für Zugelemente und Abschnitt J4.1 für Verbindungselemente als spezifizierte Mindeststreckgrenze F_y multipliziert mit der Bruttofläche A_g definiert. Trotz der Einfachheit dieser Gleichung wird sie nicht zur Bewertung der Festigkeit in IDEA StatiCa verwendet. Stäbe und Verbindungselemente werden in IDEA StatiCa mit Schalenelementen modelliert, denen eine nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehung zugeordnet ist, die aus einem linearen elastischen Bereich und einem linearen plastischen Bereich besteht. Schalenelemente können entlang mehrerer Achsen Spannungen ausgesetzt sein, und die Spannungs-Dehnungs-Beziehungen erklären dies. Bei einachsiger Beanspruchung ist die Steifigkeit im elastischen Bereich der Elastizitätsmodul E, die Steifigkeit im plastischen Bereich ein Tausendstel des Elastizitätsmoduls E/1000 und der Übergang zwischen elastisch und plastisch erfolgt bei einer Spannung von F_y mal einem Widerstandsfaktor von 0,9 für LRFD oder dividiert durch einen Sicherheitsfaktor von 1,67 für ASD.

Anstatt die erforderliche Festigkeit auf die verfügbare Festigkeit (z. B. R _u ≤ φR_n) zu begrenzen, begrenzt IDEA StatiCa die plastische Dehnung auf 5 %. Dies ist zwar eine grundlegend unterschiedliche Bewertung, aber die resultierenden Festigkeiten für die Zugstreckgrenze des Bruttoquerschnitts eines Bauteils oder Bauteils aus den beiden Ansätzen werden sich nie wesentlich unterscheiden. Geringfügige Unterschiede können sich aus zwei Gründen ergeben: 1) dem geringen Anstieg der Spannung nach dem Nachgeben in IDEA StatiCa und 2) kleinen Unterschieden in der Querschnittsfläche.

Eine kleine Nachstreckgrenze (ein Tausendstel der elastischen Steifigkeit) wird in IDEA StatiCa verwendet, um die Berechnungsschwierigkeiten zu vermeiden, die bei einer Nachstreckgrenze von Null auftreten würden. Bei der plastischen Dehnungsgrenze von 5 % ergibt sich eine Spannung von ca. 0,05×E/1000 = 0,05×(29.000 ksi)/1000 = 1,45 ksi über der Fließspannung. Für ASTM A992-Stahl mit einem F_y von 50 ksi und unter Verwendung von LRFD beginnt die Zugstreckgrenze in IDEA StatiCa bei 0,9×50 ksi = 45 ksi. Die zusätzlichen 1,45 ksi an Spannung, die sich nach dem Nachgeben angesammelt hat, können zu einer Steigerung der Festigkeit um etwa 3 % führen.

Stahlbauteile werden mit Schalenelementen in IDEA StatiCa modelliert, was zu einigen Vereinfachungen der physikalischen Geometrie führt. Die Schalenelemente stellen nur rechteckige Bauteile dar, so dass Verrundungen vernachlässigt werden. Da Schalenelemente an Knoten verbunden sind, die sich in der Mitte der Dicke befinden, gibt es außerdem eine gewisse Überlappung an den Verbindungen von Querschnittselementen. Die folgende Abbildung zeigt die Vereinfachungen für eine breite Flanschform. Die Vereinfachungen verursachen kleine Unterschiede in der Querschnittsfläche, die sich auf die Zugstreckgrenze auswirken können. Bei einem W14x159 beträgt die in Tabelle 1-1 des AISC-Handbuchs aufgeführte Querschnittsfläche 46,7 Zoll. ². Die Querschnittsfläche bei der Modellierung wie in IDEA StatiCa beträgt 2b f _tf+(d-t _f)t_w = 2(15,6 Zoll) (1,19 Zoll) + (15,0 Zoll – 1,19 Zoll) (0,745 Zoll) = 47,4 Zoll ^2, wobei die Querschnittsabmessungen auch aus der AISC-Handbuchtabelle 1-1 ermittelt wurden. Dies entspricht einer Differenz von 1,5 %.

Der Gesamteffekt dieser geringfügigen Unterschiede kann in einem einfachen IDEA StatiCa-Modell einer Spleißverbindung zwischen zwei W14x159 (ASTM A992) Stahlformen beobachtet werden. Der Spleiß wird stumpf geschweißt (z.B. CJP) und auf Zug belastet. Gemäß der AISC-Spezifikation (2022) beträgt die Auslegungsfestigkeit des Breitflanschzugstabs 0,9×(50 ksi)×(46,7 Zoll).²) = 2.100 Kips. Die maximale Last, die auf die Verbindung in IDEA StatiCa (Version 22.1) angewendet werden kann, beträgt 2.180 kips, 4 % mehr als die gemäß der AISC-Spezifikation berechnete Auslegungsfestigkeit. Die Verteilung der plastischen Dehnung in der Verbindung zeigt, dass der volle Querschnitt nachgegeben hat.

Zugbruch

Bestimmungen für den Grenzzustand des Zugbruchs sind in Kapitel D der AISC-Spezifikation enthalten. Auf diese Bestimmungen wird in der AISC-Spezifikation Abschnitt J4.1 für Verbindungselemente verwiesen. Die Nennfestigkeit für den Zugbruch errechnet sich aus der Zugfestigkeit des Materials, Fu, multipliziert mit der effektiven Nettofläche_, A_e. Die effektive Nettofläche berücksichtigt das abgetragene Material, einschließlich Schraubenlöcher, und die Auswirkung des Scherabstands durch den Scherverzögerungsfaktor U, der in der AISC-Spezifikationstabelle D3.1 definiert ist. Zur Bestimmung der Bemessungsfestigkeit wird ein Widerstandsfaktor von φ = 0,75 auf die Nennfestigkeit angewendet.

Der Grenzzustand des Zugbruchs wird in IDEA StatiCa nicht direkt ausgewertet. Sie wird erfasst, indem die Menge an Kunststoffbelastung begrenzt wird, der ein Bauteil ausgesetzt sein kann. Der Standardgrenzwert für plastische Dehnungen in IDEA StatiCa beträgt 5 %. Weder F_u noch der Widerstandsfaktor von φ = 0,75 werden in IDEA StatiCa verwendet. IDEA StatiCa verwendet eine bilineare Spannungs-Dehnungs-Beziehung, bei der die Streckgrenze bei der Streckgrenze des Stahls, F_y, multipliziert mit einem Reduktionsfaktor von standardmäßig 0,9 auftritt (der Benutzer kann diesen Faktor anpassen). Nach der Streckgrenze beträgt die Steifigkeit von Stahl nur ein Tausendstel des Elastizitätsmoduls. Diese Nachstreckgrenze ist für die numerische Stabilität enthalten und sorgt nicht für eine signifikante Kaltverfestigung. Darüber hinaus verwendet IDEA StatiCa nicht die Scherverzögerungsfaktoren der AISC-Spezifikationstabelle D3.1. Stattdessen wird die Scherverzögerung explizit modelliert.

Auch die Spannungen, die in Verbindungsbereichen entstehen, sind selten rein einachsig. IDEA StatiCa verwendet das von-Mises-Fließkriterium, um zu erkennen, wann unter diesen komplexen Spannungszuständen ein Fließen auftritt, was zu einer scheinbaren Erhöhung der Festigkeit führen kann. Um diesen Effekt zu veranschaulichen, betrachten Sie die einfache Spleißverbindung, die in der folgenden Abbildung dargestellt ist. Die Stärke der zentralen Platte in der Nähe der Schrauben steuert die Festigkeit dieser Verbindung. Basierend auf manuellen Berechnungsverfahren kann man erwarten, dass die Festigkeit, die IDEA StatiCa bestimmt, die Spannung ist, bei der das Fließen auftritt, multipliziert mit der Nettofläche (in der Abbildung durch eine rot gestrichelte Linie dargestellt). Für diese Verbindung beträgt die Nettofläche (1/2 Zoll) × (8 Zoll – 2d_h) = 2,875 Zoll ², wobei der Durchmesser des Lochs, DH_, 1-1/8 Zoll beträgt. (Beachten Sie, dass IDEA StatiCa nicht die 1/16 Zoll für Schäden enthält, die in der AISC-Spezifikation Abschnitt B4.3b beschrieben sind, siehe den Eintrag zur Nettoflächenbestimmung für weitere Informationen - ANKER HINZUFÜGEN). Für LRFD beträgt die Spannung, bei der das Fließen in IDEA StatiCa auftritt, 0,9F_y und es gibt eine minimale Kaltverfestigung (siehe den Eintrag zum Zugfließen für weitere Informationen). Für das in diesem Beispiel verwendete A36-Material tritt das Fließverhalten bei 0,9 (36 ksi) = 32,4 ksi auf. Daher kann man erwarten, dass die Stärke dieser Verbindung in IDEA StatiCa (2,875 Zoll) beträgt.²) ×(32,4 kSi) = 93,1 Kips. Da die Spannung jedoch nicht rein einachsig am Netzquerschnitt ist, erhöhen die anderen Spannungskomponenten effektiv die Fließspannung senkrecht zur Nettofläche, und 5 % plastische Dehnung werden erst bei einer aufgebrachten Last von 111,7 kips erreicht.

Einzeln betrachtet führen die Unterschiede zwischen herkömmlichen Berechnungen und IDEA StatiCa zu niedrigeren Festigkeiten in IDEA StatiCa (nur mit F _y und nicht mit F_u), höheren Festigkeiten in IDEA StatiCa (unter Verwendung eines Materialfestigkeitsreduktionsfaktors von 0,9 statt φ = 0,75) und unterschiedlichen Festigkeiten in Abhängigkeit von der spezifischen Verbindung (explizite Modellierung des Schubabstands anstelle der Verwendung des Schubverzögerungsfaktors, Zusammengenommen ergeben sich aus den Unterschieden in der Regel, aber nicht immer, die gleiche oder eine geringere Festigkeit von IDEA StatiCa als aus herkömmlichen Berechnungen.

Der Grenzzustand des Zugbruchs wurde in dieser Studie durch Vergleich mit Hunderten von experimentellen Ergebnissen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass IDEA StatiCa im Allgemeinen konservativ ist, insbesondere bei der Nennfestigkeit, aber es gibt einige Fälle, in denen die verfügbare Festigkeit von IDEA StatiCa größer ist als die gemäß der AISC-Spezifikation berechnete. Unter Verwendung von gemessenen Material- und geometrischen Eigenschaften ohne angewendete Widerstandsfaktoren war die Festigkeit von IDEA StatiCa kleiner oder gleich der experimentell beobachteten Festigkeit für alle bis auf 12 von 529 Proben (von denen 9 aus hochfestem Stahl hergestellt wurden, F_y = 122,8 ksi) und kleiner oder gleich der erwarteten Zugbruchfestigkeit, die mit Hilfe von Bemessungsgleichungen für alle bis auf 30 von 529 Proben berechnet wurde. Unter Verwendung des nominalen Materials und der geometrischen Eigenschaften mit angewendeten Widerstandsfaktoren wurde festgestellt, dass die Festigkeit von IDEA StatiCa größer ist als die gemäß der AISC-Spezifikation berechnete Festigkeit für einige Verbindungen ohne physikalische Gegenstücke, insbesondere Plattenzugglieder mit relativ kurzen Schweißnähten und rechteckige HSS-Zugglieder. Da die experimentellen Daten für diese Fälle begrenzt sind, wird derzeit daran gearbeitet, festzustellen, ob die Unterschiede das Ergebnis von Unkonservatismus in IDEA StatiCa oder Konservatismus in den AISC-Spezifikationsgleichungen sind.

Druckfließen und Knicken

Die verfügbare Festigkeit der betroffenen Elemente von Bauteilen und Verbindungselementen unter Druck ist in Abschnitt J4.4 der AISC-Spezifikation definiert. Wenn das Schlankheitsverhältnis L_c/r kleiner oder gleich 25 ist, gilt die Druckstreckgrenze, und die Nennfestigkeit wird als Produkt der angegebenen Mindeststreckgrenze und der Bruttofläche (d. h. P_n = F_yA_g) berechnet. Wie beim Tensile Yield wird der Grenzzustand des Druckfließens in IDEA StatiCa mit der 5%-plastischen Dehnungsgrenze bewertet.

Wenn das Schlankheitsverhältnis L_c/r größer als 25 ist, gelten die Bestimmungen der AISC-Spezifikation Kapitel E. Zu den Grenzzuständen in Kapitel E der AISC-Spezifikation gehören Biegeknicken, Torsionsknicken und Biegetorsionsknicken. Die nichtlineare Analyse, die in IDEA StatiCa durchgeführt wird, ist nichtlinear, da sie Effekte wie Fließen und Kontakt umfasst. Geometrische Nichtlinearitäten wie P-Δ-Effekte werden bei der Analyse in der Regel nicht berücksichtigt (geometrische Nichtlinearitäten werden berücksichtigt, wenn HSS als Lagerbauteile verwendet werden).

Ingenieure müssen auch eine lineare Beulanalyse durchführen, um Beulen zu erkennen. Mit einer linearen Knickanalyse kann die elastische Knicklast ermittelt werden, ausgedrückt als Verhältnis zur aufgebrachten Last. Die lineare Knickanalyse liefert zwar nützliche Informationen, die als Richtschnur dienen können, berücksichtigt jedoch weder das potenzielle Fließverhalten, das die Steifigkeit und die Knicklast verringern kann (d. h. inelastisches Knicken), noch die Auswirkungen anfänglicher geometrischer Unvollkommenheiten. Aufgrund dieser Einschränkungen muss die Verbindung für die Verwendung von IDEA StatiCa so gedrungen sein, dass weder elastisches noch unelastisches Knicken auftritt. Das elastische Knicklastverhältnis bietet ein bequemes Maß für die Strumpfigkeit (oder Schlankheit).

Berücksichtigen Sie die Grenze des Schlankheitsverhältnisses in Abschnitt J4.4 der AISC-Spezifikation von L_c/r ≤ 25, um von einer Druckstreckgrenze auszugehen. Ein Schlankheitsverhältnis von L c/r = 25 entspricht einer _elastischen kritischen Spannung F e = π 2 E/(L_c/r)2 = π 2(29.000 ksi)/(25)² = 458 ksi. Bei A36-Stahl entspricht dies dem 14-fachen der faktorisierten Streckgrenze für LRFD und dem 21-fachen der faktorisierten Streckgrenze für ASD. Bei Stahl der Güteklasse 50 entspricht die elastische kritische Spannung dem 10-fachen der faktorisierten Streckgrenze für LRFD und dem 15-fachen der faktorisierten Streckgrenze für ASD. Dementsprechend sollte das elastische Knicklastverhältnis größer als diese Verhältnisse gehalten werden, um Fälle zu vermeiden, in denen inelastisches Knicken kontrolliert werden könnte.

Der geeignete Grenzwert für das elastische Knicklastverhältnis hängt von der Verbindungskonfiguration ab. Beim Plattenbeulen ist die Grenze viel niedriger. Basierend auf den Grenzwerten für Breite und Dicke in der AISC-Spezifikationstabelle B4.1a sollte das elastische kritische Knicklastverhältnis bei LRFD und 4,5 bei ASD auf mindestens 3 gehalten werden . Eine Auswertung der Konsolplatten ergab elastische kritische Knicklastgrenzen von 4 für LRFD und 6 für ASD. Die Verwendung eines kritischen Knicklastverhältnisses von 3 wurde für Lagersteifen (LINK ZUM LAGERSTEIFENBERICHT ), gekämmte Träger und Träger-Stützen-Verbindungen bewertet.

Elemente von Verbindungen, die schlank genug sind, um unelastisches Knicken zu verursachen, haben immer noch Festigkeit, möglicherweise genug Festigkeit für eine bestimmte Anwendung. Ohne die Möglichkeit, die inelastische Knickfestigkeit in IDEA StatiCa genau zu quantifizieren, müssen diese Fälle jedoch vermieden werden.

Schernachgiebigkeit und Bruch

Die verfügbare Festigkeit der betroffenen Elemente von Bauteilen und Verbindungselementen in der Schubkraft ist in der AISC-Spezifikation Abschnitt J4.2 definiert. In diesem Abschnitt werden zwei Grenzzustände beschrieben: Schubnachgiebigkeit und Schubbruch. Für beide Grenzzustände berechnet IDEA StatiCa nicht die verfügbare Festigkeit gemäß der AISC-Spezifikation, sondern stützt sich stattdessen auf die 5%-Grenze der plastischen Dehnung, um zu bewerten, ob die Verbindung ausreichend stark ist.

Unter Zug ist die Spannungs-Dehnungs-Beziehung, die in IDEA StatiCa verwendet wird, linear bis zum Fließen, mit einer Steifigkeit, die dem Elastizitätsmodul entspricht, und danach linear mit einer Steifigkeit, die einem Tausendstel des Elastizitätsmoduls entspricht. Die Streckgrenze erfolgt bei der angegebenen minimalen Streckgrenze des Stahls, F_y, mal 0,9 für LRFD oder dividiert durch 1,67 für ASD. IDEA StatiCa verwendet das von-Mises-Fließkriterium, um zu bestimmen, wann das Fließen unter mehrachsigen Spannungszuständen beginnt. Nach dem von-Mises-Fließkriterium gibt Material, das reiner Scherung ausgesetzt ist, nach, wenn die Schubspannung gleich der Fließspannung dividiert durch die Quadratwurzel von 3 ist. Die Umkehrung der Quadratwurzel von 3 ist ungefähr gleich 0,577, was ungefähr dem Faktor 0,6 entspricht, der auf die Scherfestigkeitsgleichungen in der AISC-Spezifikation angewendet wird. Diese Differenz oder ähnliche Unterschiede, wenn sich das Element nicht ausschließlich in reiner Scherung befindet, können zu Unterschieden zwischen IDEA StatiCa und herkömmlichen Berechnungen führen. Die geringe Kaltverfestigung kann auch zu Unterschieden führen, wie im Eintrag zum Zugfließen beschrieben.

Unterschiede können auch dadurch entstehen, dass in der AISC-Spezifikation Abschnitt J4.2 der Widerstandsfaktor für die Schubstreckung mit 1,00 und der Sicherheitsfaktor für die Schubnachleitung mit 1,50 definiert ist. IDEA StatiCa nutzt diese Faktoren nicht und reduziert stattdessen die Streckgrenze um den Faktor 0,9 für LRFD oder durch Division durch 1,67 für ASD, basierend auf dem typischen Widerstandsfaktor und dem Sicherheitsfaktor für die Streckgrenze.

Weitere Unterschiede bestehen für den Grenzzustand des Scherbruchs. Wie für den Grenzzustand des Zugbruchs beschrieben, nutzt IDEA StatiCa weder die Zugfestigkeit des Stahls, F_u, noch den Widerstandsfaktor oder den Sicherheitsfaktor für den Scherbruch. Auch hier wird die Streckgrenze für die Spannung mit 0,9 F y für LRFD und F_y/1,67 für ASD angenommen. Das Ergebnis dieser Unterschiede hängt vom Verhältnis der Materialfestigkeiten ab. Auch bei Schraubverbindungen verläuft die Schubfläche typischerweise durch die Mittellinien der Schrauben. Die Verteilung der plastischen Dehnungen am Grenzpunkt in IDEA StatiCa kann unterschiedlich sein, wie in diesem Artikel für Einzelplatten-Schubverbindungen zu sehen war.

Blockscherbruch

Ein Blockschubbruch ist ein kombiniertes Zug- und Schubversagen, bei dem ein Materialblock von einem Bauteil oder Verbindungselement weggerissen wird. Die verfügbare Festigkeit für den Grenzzustand des Blockscherbruchs ist in der AISC-Spezifikation Abschnitt J4.3 definiert. Wie der Grenzzustand des Zugbruchs wird auch der Grenzzustand des Blockscherbruchs in IDEA StatiCa nicht direkt ausgewertet. Sie wird erfasst, indem die Menge an plastischer Dehnung, der ein Bauteil ausgesetzt sein kann, auf maximal 5 % begrenzt wird (der Benutzer kann diese Grenze ändern). Die wesentlichen Unterschiede zwischen den traditionellen Berechnungen und IDEA StatiCa ergeben sich aus der Spannungs-Dehnungs-Beziehung, die in IDEA StatiCa verwendet wird. Es wird nur eine minimale Nachverfestigung berücksichtigt (d. h. die Spannungen erreichen F_u nicht), und die Fließspannung wird für LRFD um 0,9 reduziert (d. h. nicht φ = 0,75, wie für den Blockscherbruch angegeben).

Ein Vergleich zwischen herkömmlichen Berechnungen und IDEA StatiCa für den Grenzzustand des Blockschubbruchs in Schraubenverbindungen wird in diesem Artikel vorgestellt (LINK ZUM KOMMENDEN ARTIKEL ÜBER BLOCKSCHUBRISSE). Die Vergleichsergebnisse zeigen, dass die Festigkeit von IDEA StatiCa in einigen Fällen höher sein kann als die nach AISC-Spezifikation, insbesondere wenn das Verhältnis von Zugfestigkeit zu Streckgrenze (F _u/F_y) relativ niedrig ist. Forscher haben jedoch festgestellt, dass die Bestimmungen der AISC-Spezifikation im Vergleich zu experimentellen Ergebnissen konservativ sein können. Die Bruchfestigkeit der Blockscherung von IDEA StatiCa erwies sich im Vergleich zum kanadischen Standard und einer von den Forschern vorgeschlagenen alternativen Bemessungsgleichung als genau oder konservativ.

Die Festigkeit für den Grenzzustand des Blockscherbruchs in IDEA StatiCa kann je nach Art der Querkraftübertragung der Schrauben variieren. In IDEA StatiCa werden bei schlupfkritischen Verbindungen Kräfte von einer Platte auf eine andere über eine größere Fläche übertragen als bei lagerartigen Verbindungen. Die größere Streuung der Übertragungskräfte ist zwar physikalisch repräsentativ für die Lastübertragung durch Reibung, kann aber zu unterschiedlichen Versagenspfaden bei Blockscherbrüchen und erhöhter Festigkeit führen. Bei den meisten Verbindungen ist die Rutschfestigkeit geringer als die Bruchfestigkeit der Blockschere. Da jedoch neben dem Schlupf auch schlupfkritische Verbindungen für die Grenzzustände von lagerartigen Verbindungen ausgelegt werden müssen (AISC-Spezifikation Abschnitt J3.9), wird empfohlen, schlupfkritische Verbindungen in IDEA StatiCa zweimal zu analysieren: einmal als schlupfkritische Verbindung (d. h. mit dem auf "Friction" eingestellten Querkraftübertragungstyp) und einmal als Lagerverbindung (d. h. wobei der Schubkraftübertragungstyp auf "Lager – Zug-/Schubwechselwirkung" eingestellt ist. Weitere Erläuterungen finden Sie im Eintrag zu Slip.

Biege-Nachgiebigkeit

Die Nennfestigkeit für das Biegefließen ist in der AISC-Spezifikation (2022) Kapitel F für Biegeelemente und Abschnitt J4.5 für Verbindungselemente definiert. Die Nennfestigkeit für den Grenzzustand des Biegefließens wird im Allgemeinen als die angegebene Mindeststreckgrenze F_y multipliziert mit dem plastischen Querschnittsmodul Z angenommen. Anstatt die erforderliche Festigkeit auf die verfügbare Festigkeit (z. B. M _u ≤ φ M_n) zu begrenzen, werden Stäbe und Verbindungselemente in IDEA StatiCa mit Schalenelementen modelliert, denen eine nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehung zugeordnet ist, die aus einem linearen elastischen Bereich und einem linearen plastischen Bereich besteht, und die plastischeDehnung ist auf 5 % begrenzt.

Die Modellierung von Bauteilen und Verbindungselementen als Schalenelemente führt zu einigen Vereinfachungen der physikalischen Geometrie. Schalenelemente stellen z. B. nur rechteckige Komponenten dar, sodass Verrundungen vernachlässigt werden. Da Schalenelemente an Knoten verbunden sind, die sich in der Mitte der Dicke befinden, gibt es außerdem eine gewisse Überlappung an den Verbindungen von Querschnittselementen. Die folgende Abbildung zeigt die Vereinfachungen für eine breite Flanschform.

Breite Flanschform wie in IDEA StatiCa modelliert

Bei einem W24x176 beträgt der im AISC Steel Construction Manual (2023) Tabelle 1-1 aufgeführte Modul des Kunststoffquerschnitts um die Hauptachse (x-Achse) 511 Zoll. ³. Der plastische Querschnittsmodul um die Hauptachse des von den Schalenelementen gebildeten Querschnitts (mit Querschnittsabmessungen gemäß Tabelle 1-1 des AISC-Handbuchs) wird wie folgt berechnet:

\[\frac{t_w(d-t_f)^2}{4}+2b_f t_f \left ( \frac{d-t_f}{2} \right ) = \frac{0.75 \textrm{ in.} (25.2 \textrm{ in.} -1.34\textrm{ in.}) ^2}{4}+2(12.9\textrm{ in.}) (1.34\textrm{ in.}) \left ( \frac{25.2\textrm{ in.} -1.34\textrm{ in.}} {2} \right ) = 519.2 \textrm{ in.} ^3\]

Dies ist 1,6 % größer als der in der Tabelle des AISC-Handbuchs aufgeführte Modul des Kunststoffquerschnitts.

Die Spannungsverteilung an der plastischen Dehnungsgrenze in IDEA StatiCa unterscheidet sich ebenfalls von der idealisierten Spannungsverteilung, die zur Berechnung von M _p verwendet wird. Im Gegensatz zur idealisierten Spannungsverteilung sind die Spannungen in der Nähe der neutralen Achse niedriger als F_y, da die plastische Dehnungsgrenze bei einer endlichen Krümmung erreicht wird. Außerdem sind die Spannungen an den äußersten Fasern des Querschnitts größer als F_y, da in der Spannungs-Dehnungs-Beziehung in IDEA StatiCa ein geringer Anteil an Nachverhärtung angenommen wird.

Der Gesamteffekt dieser geringfügigen Unterschiede kann bei einer einfachen Spleißverbindung zwischen zwei W24x176 (ASTM A992) Stahlformen beobachtet werden. Der Spleiß wird stumpf geschweißt (z. B. CJP) und in der Hauptachsbiegung belastet. Die Auslegungsfestigkeit des breiten Flansches gemäß der AISC-Spezifikation (2022) mit Widerstandsfaktor φ = 0,9 beträgt 0,9 × 50 ksi × 511 Zoll. 3 = 1916,3 kip-ft. Das maximale Moment, das auf die Verbindung in IDEA StatiCa (Version 23.0) angewendet werden kann, beträgt 2000,7 kip-ft., 4,4 % größer als die gemäß der AISC-Spezifikation berechnete Bemessungsfestigkeit. Die plastische Dehnungsverteilung am Grenzbereich ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Erwartungsgemäß haben die oberen und unteren Flansche nachgegeben, aber der Steg an der neutralen Achse bleibt elastisch.

Plastische Dehnungsverteilung für ein W24x176-Biegeglied bei der 5%-plastischen Dehnungsgrenze

Der Zusammenhang zwischen dem aufgebrachten Moment und der maximalen plastischen Dehnung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Bemessungsbiegefestigkeit, die mit dem plastischen Querschnittsmodul aus dem AISC-Handbuch berechnet wird, wird als φM_p (Manuell) angegeben. Die Bemessungsbiegefestigkeit, berechnet mit dem plastischen Querschnittsmodul, das wie oben gezeigt auf der Grundlage der Darstellung des Querschnitts in IDEA StatiCa berechnet wurde, wird als φM_p (IDEA) angegeben.

Angelegtes Moment vs. plastische Dehnung für ein W24x176-Biegeelement

Bei einem breiten Flanschträger wird der größte Teil des Biegewiderstands durch das Verhalten der Schalenelemente in der Ebene erfasst. Das Out-of-Plane-Verhalten der Schalenelemente kann durch eine Untersuchung der Blechbiegung bewertet werden.

Für eine Platte (ASTM A36, F_y = 36 ksi) mit einer Breite von b = 10 Zoll. und Dicke, t = 0,5 Zoll, wird der Modul des plastischen Querschnitts für die Biegung außerhalb der Ebene als Z = bt²/4 = 0,625 Zoll berechnet. ³ und die Auslegungsfestigkeit φM_p mit Widerstandsfaktor φ = 0,9 wird als 0,9 x 36 ksi x 0,625 Zoll berechnet. ³ = 20,25 Kip-in. Die oben beschriebenen geometrischen Vereinfachungen für einen breiten Flanschquerschnitt gelten nicht für eine einfache rechteckige Platte, aber die Unterschiede in der Spannungsverteilung bleiben bestehen. Das maximale Moment, das in IDEA StatiCa (Version 23.0) auf die Platte aufgebracht werden kann, beträgt 19,66 Kip-in., 2,9 % weniger als die gemäß der AISC-Spezifikation berechnete Auslegungsfestigkeit. Die plastische Dehnungsverteilung für die Platte, die bei der Biegung der kleinen Achse belastet wird, und ein Diagramm des angelegten Moments im Vergleich zur plastischen Dehnung sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Plastische Dehnungsverteilung für die Biegung der Platte außerhalb der Ebene bei der Grenze von 5 % plastischer Dehnung

Angelegtes Moment vs. plastische Dehnung für eine Platte, die in der Biegung der kleinen Achse belastet wird

Zerkleinerung von Beton

An Stützensockeln werden tragende Spannungen auf Betonfundamenten und Fundamenten entwickelt. Die AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt J8 enthält eine Gleichung für die Festigkeit des Betons für den Grenzzustand der Betonzerkleinerung, die mit den entsprechenden Bestimmungen in ACI 318 (ACI 2019) identisch ist. Die Festigkeit hängt von der Fläche des Stahls ab, die auf einem Betonträger aufliegt, von der Geometrie des Betonträgers und von der angegebenen Druckfestigkeit des Betons.

IDEA StatiCa verwendet diese Bestimmungen, um die Betonzerkleinerung zu bewerten. Einige Unterschiede zwischen IDEA StatiCa und herkömmlichen Handberechnungen bei der Bewertung der Betonzerkleinerung ergeben sich jedoch aufgrund von Unterschieden im zugrunde liegenden Analyseansatz. Bei Handberechnungen ist es üblich, davon auszugehen, dass die Lagerspannung über die Kontaktfläche unförmig ist. In IDEA StatiCa werden die Steifigkeit des Betonfundaments, die Steifigkeit des Stützenfußes und des Kontakts explizit modelliert, was zu einer physikalisch realistischeren, formfreien Verteilung der Lagerspannung führt. Die Lagerfläche in IDEA StatiCa wird als die Fläche des Stahls berechnet, die mit dem Beton in Kontakt steht und eine Lagerspannung aufweist, die größer als ein Cutoff-Wert ist (die Spannungsgrenze ist definiert als Verhältnis zur maximalen Lagerspannung mit dem im Code-Setup wählbaren Verhältnis). Dies kann zu einer relativ komplexen Form für den Lagerbereich führen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Nichtsdestotrotz werden die gesamte Lagerkraft, die Lagerfläche und die geometrisch ähnliche Fläche im Betonträger für die Verwendung in der Codegleichung berechnet.

Dreidimensionale Ansicht (links) und Draufsicht (rechts) der Spannung in Beton an der Stahl-Beton-Grenzfläche einer konzentrisch belasteten Grundplattenverbindung. Die Begrenzung der Lagerfläche (A₁ in AISC-Spezifikation Abschnitt J8) wird in der Draufsicht als durchgezogene schwarze Linie dargestellt. Beachten Sie die unregelmäßige Form, die den Spannungskonturen und den Ankerstangenlöchern folgt. Die Betonauflagefläche (A₂ in AISC-Spezifikation Abschnitt J8) ist als schraffierter Bereich der Draufsicht dargestellt und ebenfalls unregelmäßig.

Weitere Informationen finden Sie in diesen Artikeln:

• https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background#Structural_model_of_a_concrete_block
• https://www.ideastatica.com/support-center/check-of-components-according-to-aisc
• https://www.ideastatica.com/support-center/check-of-concrete-blocks-according-to-aisc
• https://www.ideastatica.com/support-center/base-plate-connections-aisc

Weblokales Yielding

Das lokale Fließen gehört zu den Grenzzuständen, die für konzentrierte Kräfte gelten, die senkrecht auf den Flansch von Breitflanschabschnitten und ähnlichen aufgebauten Formen angewendet werden. Die Nennfestigkeitsgleichungen für das lokale Fließen des Stegs in Abschnitt J10.2 der AISC-Spezifikation basieren auf der Streckgrenze über eine Länge, die der Länge des Lagers zuzüglich einer angenommenen Verteilung der Kraft durch den Flansch entspricht. Während das Fließen des Stegs explizit in IDEA StatiCa modelliert wird, sind einige Merkmale der Designgleichungen nicht modelliert. Die Gleichungen gehen von einem Spannungsgradienten von 2,5:1 durch den Flansch und die Verrundung von gewalzten Formen aus. In IDEA StatiCa wird der Flansch mit Schalenelementen modelliert und die Verrundung vernachlässigt, so dass die Verteilung der Kräfte weitgehend von den Randbedingungen zwischen Flansch und Steg abhängt. Es gibt zwei getrennte Gleichungen in AISC-Spezifikationsabschnitt J10.2 für das weblokale Fließen in Abhängigkeit vom Abstand der Kraft von den Stabenden. In IDEA StatiCa wird die Verringerung der Festigkeit aufgrund der Nähe zum Stabende durch die direkte Modellierung des Stabes erfasst. Für den Grenzzustand des Web Local Yielding gelten ein Widerstandsfaktor von φ = 1,00 und ein Sicherheitsfaktor von Ω = 1,50. IDEA StatiCa nutzt diese Faktoren nicht und reduziert stattdessen die Streckgrenze um den Faktor 0,9 für LRFD oder durch Division durch 1,67 für ASD, basierend auf dem typischen Widerstandsfaktor und dem Sicherheitsfaktor für die Streckgrenze.

Die Gesamtwirkung dieser Unterschiede wurde in diesem Artikel für Träger-Stützen-Verbindungen und in diesem Bericht für allgemeine konzentrierte Kräfte untersucht.

Bahn-Kompressionsknicken

Das Druckknicken des Stegs gehört zu den Grenzzuständen, die für konzentrierte Kräfte gelten, die senkrecht auf den Flansch von Breitflanschabschnitten und ähnlichen aufgebauten Formen ausgeübt werden. Sie tritt auf, wenn ein Kräftepaar den Steg von beiden Flanschen an der gleichen Stelle entlang der Länge des Bauteils zusammendrückt. Der AISC-Spezifikationsabschnitt J10.5 enthält eine Gleichung für die Nennfestigkeit für Stegdruckknicken. Die Gleichung basiert auf der elastischen Knickfestigkeit einer einfach gelagerten Platte, die gleichen und entgegengesetzten konzentrierten Kräften ausgesetzt ist.

In IDEA StatiCa kann die Bemessung für Stegdruckknicken erreicht werden, indem sichergestellt wird, dass die elastische kritische Knicklast ausreichend groß ist (siehe Erläuterung im Eintrag über Druckstreckfließen und Knicken). Durch Vergleiche mit geometrischen und materiellen nichtlinearen Analysen mit Imperfektionen (GMNIA)wurde ein n elastisches kritisches Knicklastverhältnis von 3 als angemessene Untergrenze ermittelt.

Steg-Panel-Zonen-Schubnachgiebigkeit

Die verfügbare Festigkeit für den Grenzzustand der Schubleistung in der Plattenzone bei Breitflansch- und ähnlichen Aufbauformen ist in Abschnitt J10.6 der AISC-Spezifikation definiert. In diesem Abschnitt werden vier verschiedene Gleichungen für die Nennfestigkeit bereitgestellt. Ein Gleichungspaar wird bereitgestellt, wenn der Einfluss der inelastischen Plattenzonenverformung auf die Rahmenstabilität in der Analyse nicht berücksichtigt wird, und ein weiteres Gleichungspaar, wenn dies der Fall ist. Das erste Gleichungspaar begrenzt das Verhalten der Panelzone auf den elastischen Bereich. Das zweite Gleichungspaar bietet eine höhere Festigkeit; Eine plastische Verformung der Plattenzone ist jedoch notwendig, um eine höhere Festigkeit zu erreichen. Die zusätzlichen Verformungen können die Gesamtverformungen des Rahmens und die Effekte zweiter Ordnung erheblich erhöhen. Wenn das Potenzial für eine unelastische Verformung der Paneelzone bei der Berechnung der erforderlichen Festigkeiten von Bauteilen und Verbindungen nicht berücksichtigt wird, verlangt der AISC-Spezifikationsabschnitt J10.6, dass das Verhalten der Paneelzone auf den elastischen Bereich begrenzt wird.

In IDEA StatiCa wird die Schubfließfähigkeit in der Plattenzone explizit mit nichtlinearen Schalenelementen modelliert und durch eine plastische Dehnungsgrenze begrenzt. Der Grenzzustand der Schubnachgiebigkeit zwischen Platte und Zone wurde in diesem Artikel für verzögerte Endplattenmomentverbindungen und in diesem Artikel für verschraubte Flanschplattenmomentverbindungen untersucht. Unter Verwendung der standardmäßigen plastischen Dehnungsgrenze von 5 % übertrifft die Festigkeit von IDEA StatiCa die aus der AISC-Spezifikation, wenn der Einfluss der inelastischen Verformung der Plattenzone auf die Rahmenstabilität in der Analyse nicht berücksichtigt wird. Die Reduzierung der plastischen Dehnungsgrenze auf einen kleinen Wert (z. B. 0,1 %) in IDEA StatiCa erzwingt jedoch ein im Wesentlichen elastisches Verhalten und führt zu Festigkeiten, die im Vergleich zu den Gleichungen der AISC-Spezifikation genau sind, wenn die Auswirkungen der inelastischen Verformung der Plattenzone auf die Rahmenstabilität in der Analyse nicht berücksichtigt werden.

Ingenieure sollten wissen, ob die Auswirkungen der inelastischen Verformung der Plattenzone auf die Rahmenstabilität in der Analyse berücksichtigt wurden, um die erforderlichen Festigkeiten zu bestimmen (d. h. nicht in der IDEA StatiCa-Analyse). Und wenn dies nicht der Fall ist, sollten sie das Verhalten der Panel-Zone so einschränken, dass es im Wesentlichen elastisch ist.

Designüberlegungen und -anforderungen

Neugierige Aktion

Bei Schraubverbindungen kann der Kontakt zwischen den Verbindungselementen die Zugkräfte über die nur durch die aufgebrachten Lasten hinaus erhöhen. Dieses Phänomen wird als Hebelwirkung bezeichnet und tritt nur in Verbindung mit Zugbolzenkräften auf. Der Kontakt, der die Schraubenkräfte erhöht, entsteht durch die Verformung des Verbindungselements. Daher ist die Hebewirkung sowohl für Schrauben als auch für Verbindungselemente eine konstruktive Überlegung.

Die relative Steifigkeit und Festigkeit der Schrauben und der Verbindungselemente steuert das Verhalten. Wenn die Verbindungselemente im Verhältnis zu den Schrauben steif sind, verformen sich die Verbindungselemente, ohne sich zurückzubiegen und zu berühren, und es treten keine Hebelwirkungen auf. In diesem Fall steuert die Festigkeit der Schrauben die Konstruktion. Wenn die Verbindungselemente im Verhältnis zu den Schrauben schwach sind, geben die Verbindungselemente nach und geben Hebelkräfte auf die Schrauben ab, begrenzen aber auch die Kraft in den Schrauben. In diesem Fall wird die Festigkeit der Verbindungselemente die Konstruktion bestimmen. Dazwischen steuern die Festigkeit der Schrauben und der Verbindungselemente gleichzeitig die Konstruktion.

Eine Anleitung zur Berücksichtigung von Hebelwirkung bei der Konstruktion ist in Teil 9 des AISC-Handbuchs enthalten. Die im AISC-Handbuch vorgestellten Gleichungen wurden für die üblichen Fälle eines T-Stücks und Back-to-Back-Winkel entwickelt und anhand experimenteller Daten validiert. IDEA StatiCa modelliert explizit die Steifigkeit und Festigkeit von Schrauben und Verbindungselementen, einschließlich des Kontakts, so dass die Hebelwirkung unabhängig von der spezifischen Konfiguration natürlich von der Analyse erfasst wird. Für T-Stub-Verbindungen wurde ein Vergleich zwischen den manuellen Gleichungen von AISC und den Ergebnissen von IDEA StatiCa durchgeführt. Ein ähnlicher Vergleich mit dem Bemessungsansatz für Hebelwirkungen, der im Leitfaden für Bemessungskriterien für Schraub- und Nietverbindungen (Kulak et al. 1987) empfohlen wird, wurde ebenfalls durchgeführt. Das Aufhebeln wird in anderen Nachweisbeispielen gezeigt, z. B. für Verstrebungsverbindungen und Verbindungen mit verlängerten Endplattenmomenten.

Verformungsverträglichkeit bei langen Verbindungen

Bei langen endbelasteten Verbindungen ist der Dehnungsunterschied zwischen den verbundenen Elementen an den Enden der Verbindung am größten. Infolgedessen ist die Spannung in Schrauben und Schweißnähten in langen, endbelasteten Verbindungen nicht gleichmäßig. Da es bei herkömmlichen Berechnungen üblich ist, von einer gleichmäßigen Spannung auszugehen, enthält die AISC-Spezifikation eine Verringerung der Länge von langen endbelasteten Schweißnähten und der nominalen Schubspannung von Schrauben. Der AISC-Spezifikationsabschnitt J2.2b definiert die effektive Länge von endbelasteten Kehlnähten, einschließlich der Reduzierungen, wenn die Länge der Schweißnaht das 100-fache der Schweißnahtgröße überschreitet. Die Werte der nominalen Schubspannung in der AISC-Spezifikationstabelle J3.2 beinhalten eine Reduzierung um 10 %, um Längeneffekte zu berücksichtigen, und eine zusätzliche Reduzierung ist für endbelastete Verbindungen mit einer Verbindungselementlänge von mehr als 38 Zoll erforderlich.

IDEA StatiCa setzt diese Reduktionen nicht direkt um. Vielmehr wird das zugrundeliegende Verhalten, das diese Reduktionen motiviert, explizit modelliert. IDEA StatiCa modelliert die Steifigkeit von Schrauben, Schweißnähten und Verbindungselementen, so dass die ungleichmäßige Spannungsverteilung in Schrauben und Schweißnähten auf natürliche Weise entsteht. Wenn die Festigkeit von Schrauben und Schweißsegmenten einzeln beurteilt wird, ist die resultierende Verbindungsfestigkeit vergleichbar mit der aus herkömmlichen Berechnungen. Einen detaillierten Vergleich zwischen IDEA StatiCa und den aus herkömmlichen Berechnungen ermittelten Berechnungen für lange endbelastete Verbindungen finden Sie in diesem Artikel [Link zum Artikel über lange Verbindungen]

Verformungsverträglichkeit bei exzentrisch belasteten Schrauben- und Schweißgruppen

Schrauben und Schweißnähte in exzentrisch belasteten Gruppen unterliegen einer direkten Scherung plus zusätzlicher Scherung aus dem induzierten Moment. Die resultierende Spannung in den Schrauben oder Schweißnähten variiert sowohl in der Größe als auch in der Richtung von Schraube zu Schraube und von Schweißnahtsegment zu Schweißsegment. Wie in den Teilen 7 und 8 des AISC-Handbuchs beschrieben, können Ingenieure die Methode des momentanen Rotationsschwerpunkts oder die elastische Methode verwenden, um exzentrisch belastete Schrauben- oder Schweißgruppen zu analysieren. Berechnungen mit der Methode des momentanen Rotationszentrums werden in der Regel anhand von tabellarischen Werten durchgeführt, die im AISC-Handbuch angegeben sind.

In IDEA StatiCa wird die erforderliche Festigkeit von Schrauben und Schweißnahtsegmenten aus den Ergebnissen der nichtlinearen Analyse ermittelt. Jede Schraube und jedes Schweißsegment wird einzeln modelliert und das Gleichgewicht wird erzwungen. Die verfügbaren Festigkeiten werden gemäß der AISC-Spezifikation ermittelt.

Die Methode des momentanen Rotationszentrums basiert ebenfalls auf einer nichtlinearen Analyse, aber es gibt wesentliche Unterschiede zwischen den nichtlinearen Analysen der Methode des momentanen Rotationszentrums und IDEA StatiCa. Bei der Methode des momentanen Drehzentrums wird davon ausgegangen, dass die Verbindungselemente starr sind, was bei IDEA StatiCa nicht der Fall ist. Auch das Kraft-Verformungs-Verhalten von Schrauben und Schweißnähten unterscheidet sich zwischen den beiden Methoden. Das Kraft-Verformungs-Verhalten, das in IDEA StatiCa für Schrauben und Schweißnähte verwendet wird, ist bilinear und wird im theoretischen Hintergrund beschrieben.

Die Unterschiede führen in der Regel zu ähnlichen oder niedrigeren Festigkeiten von IDEA StatiCa, wie in diesem Artikel über Konsolenplattenverbindungen gezeigt. Vergleiche zwischen herkömmlichen Berechnungen und IDEA StatiCa für exzentrisch belastete Schraubengruppen werden auch in diesem Artikel über Einplatten-Schubverbindungen angestellt.

Auswirkung der Lochgröße

Die AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt J3.3 beschreibt die Verwendung von Standard-, Übermaß-, Kurzschlitz- und Langschlitzlöchern für Schrauben in Stahlbauverbindungen. Standardbohrungen sind die Standardbohrungen in IDEA StatiCa. Übergroße Bohrungen können durch Bearbeiten des Bohrungsdurchmessers in der Schraubenbaugruppe erreicht werden. Langlöcher können für Platten im Platteneditor definiert werden.

Die Bohrungsgröße wirkt sich auf mehrere Aspekte des Verhaltens aus, und einige Konstruktionsanforderungen basieren auf der Bohrungsgröße.

• Das Material, das für Schraubenlöcher abgetragen wird, wirkt sich auf die Nettofläche aus. Dieser Effekt wird in IDEA StatiCa explizit durch die Definition des Schalenelementmodells für Stäbe und Verbindungselemente adressiert. Die zusätzlichen 1/16 Zoll. für Schäden, die in der AISC-Spezifikation Abschnitt B4.3b gefordert werden, wird nicht automatisch umgesetzt (siehe Nettoflächenermittlung)
• Die Lochgröße wirkt sich auf den lichten Abstand aus, der zur Bestimmung der Ausreißfestigkeit verwendet wird. Dieser Effekt wird in IDEA StatiCa explizit adressiert, indem der lichte Abstand basierend auf der Geometrie des verbundenen Materials und der Richtung der Kraft in der einzelnen Schraube berechnet wird.
• Übergroße Bohrungen sind bei Lageranschlüssen nicht zulässig. IDEA StatiCa prüft diese Anforderung nicht und ermöglicht die Verwendung von Lagerquerkraftübertragung bei Übermaß.
• Der Widerstandsfaktor für den Grenzzustand des Schlupfes hängt vom Lochtyp ab. IDEA StatiCa passt den Widerstandsfaktor nicht automatisch an den Lochtyp an. Der Widerstandsfaktor kann im Code-Setup manuell eingestellt werden.

Die Lochgröße kann sich auf das Last-Verformungs-Verhalten der Schraube auswirken. Das in IDEA StatiCa verwendete Schraubenlast-Verformungsmodell hängt nicht von der Bohrungsgröße ab, aber es wird angenommen, dass die Schubübertragung in Längsrichtung der Langlöcher Null ist.

Mühlen-Unterlauf

Variationen in der Stablänge können zu erheblichen Unterschieden bei den Abmessungen führen, die bei der Bemessung von Verbindungen verwendet werden. In mehreren Berechnungen in den AISC-Designbeispielen wurde ein 1/4 Zoll. Die Toleranz wird von einer Länge subtrahiert, um einen möglichen Fräsunterlauf zu berücksichtigen. IDEA StatiCa berücksichtigt mögliche Mühlenunterschreitungen nicht automatisch, aber mögliche Mühlenunterschreitungen können berücksichtigt werden, indem die Verbindung mit der angenommenen Unterschreitung manuell definiert wird.

Kontakt und Reibung

Stahl kann Stahl physikalisch nicht durchdringen, dennoch ist dies das Standardverhalten bei Finite-Elemente-Analysen. Kontaktflächen müssen definiert werden, um zu verhindern, dass sich Material bei Verformung überlappt. Der Flächen-zu-Fläche-Kontakt wird automatisch mit Schraubengruppenoperationen definiert. Der Flächen-zu-Fläche-Kontakt kann mit der Operation "Schraubengruppe/Kontakt" definiert werden. Der Rand-zu-Kante-Kontakt oder der Kante-zu-Fläche-Kontakt kann mit der Operation "Allgemeines Schweißen oder Kontakt" definiert werden.

Nicht alle potentiellen Kontaktflächen werden von IDEA StatiCa automatisch definiert. Daher ist es wichtig, dass der Benutzer das beabsichtigte Verhalten der Verbindung gut versteht und die verformte Form untersucht, um zu bestätigen, dass die Verbindung modelliert ist und sich wie beabsichtigt verhält.

Kontaktlager können ein effizientes Mittel zur Kraftübertragung in einer Verbindung sein, wenn die Verbindung detailliert ist und die Oberflächen sorgfältig vorbereitet sind, so dass eine Lagerung vorhanden ist (Muir 2015). Da eine spezielle Detaillierung erforderlich ist, um die Wirksamkeit der Kontaktlagerung zu gewährleisten, wird der Rand-zu-Kante- und Kante-zu-Flächen-Kontakt in IDEA StatiCa nicht automatisch definiert, sondern kann manuell mit der Operation "Allgemeine Schweißnaht oder Kontakt" definiert werden. Verschraubte Stützenspleiße sind ein Beispiel, bei dem die Definition des Rand-zu-Kante-Kontakts zwischen den Bauteilen die Anforderungen an die Schrauben reduziert, was zu einer effizienteren Verbindung führt. Der Einsatz von Kontaktlagern kann auch in Verbindung mit Schweißnähten zwischen Säulen und Grundplatten effizient sein. Schweißnähte werden standardmäßig nicht mit Kontakt definiert und somit auch auf Druckkräfte geprüft. Durch die Kombination von Schweiß- und Kontaktoperationen können kleinere Schweißnähte verwendet werden. Schweißnähte sind steif und ziehen auch in Kombination mit Kontakt Lasten an, aber die Anforderungen durch Druckkräfte überschreiten selten die Kapazität, selbst wenn die Größe der Schweißnaht reduziert wird.

Die Reibung an Stahl-Stahl-Kontaktflächen wird in IDEA StatiCa konservativ vernachlässigt, mit Ausnahme von Schrauben, die als Übertragung von Querkräften durch Reibung bezeichnet sind (d. h. schlupfkritische Schrauben). Die Reibung nur dann zu berücksichtigen, wenn vorgespannte Schrauben die Klemmkraft bereitstellen, ist auch typisch für traditionelle Berechnungen. Aufgrund von Reibung können jedoch einige Unterschiede in den Ergebnissen zwischen IDEA StatiCa und herkömmlichen Berechnungen auftreten. Zum Beispiel definiert der AISC-Spezifikationsabschnitt J3.10 einen Reduktionsfaktor, der auf die Gleitfestigkeit anzuwenden ist, wenn eine rutschkritische Verbindung einer kombinierten Zug- und Schubbelastung ausgesetzt ist. Der Reduktionsfaktor basiert auf der Zugbelastung, die auf die Verbindung ausgeübt wird. IDEA StatiCa hat keine Möglichkeit zu quantifizieren, wie viel von einer Zugbelastung in einer Schraube auf die aufgebrachte Last im Vergleich zu anderen Quellen wie z. B. Hebelwirkung zurückzuführen ist. Wenn durch Aufhebeln eine Spannung in einer rutschkritischen Schraube induziert wird, wird die Rutschfestigkeit in IDEA StatiCa reduziert. Die Rutschfestigkeit nach herkömmlichen Berechnungen würde sich nicht verringern. Eine detaillierte Untersuchung dieses Unterschieds wird in diesem Artikel für T-Stub-Verbindungen beschrieben.

Ermittlung der Nettofläche

Die AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt B4.3b verlangt, dass die Breite eines Schraubenlochs als 1/16 Zoll angegeben wird. größer als die Nennabmessung der Bohrung bei Berechnung der Nettofläche bei Zug oder Schub. Durch die Umsetzung dieser Anforderung wird die Nettofläche reduziert, um mögliche Beschädigungen um ein Schraubenloch bei Bohr- oder Stanzvorgängen zu berücksichtigen. Diese Anforderung wirkt sich auf Grenzzustände wie den Zugbruch des Nettoquerschnitts und den Blockscherbruch aus, nicht jedoch auf den Grenzzustand des Ausreißens an den Schraubenlöchern.

In IDEA StatiCa haben die Standard-Schraubenbaugruppen einen Bohrungsdurchmesser, der der Nennlochabmessung entspricht. Während die 1/16 Zoll. kann manuell zum Schraubenlochdurchmesser addiert werden, indem die Schraubenbaugruppe bearbeitet wird, wird diese Anforderung in IDEA StatiCa nicht automatisch berücksichtigt. Wenn der Lochdurchmesser der Schraubenbaugruppe vergrößert wird, gilt der vergrößerte Durchmesser für alle Aspekte der Analyse, einschließlich der Bewertung des Ausreißens. Weitere Informationen darüber, wie sich die Bohrungsgröße auf die Ergebnisse in IDEA StatiCa auswirkt, finden Sie im Eintrag über den Einfluss der Bohrungsgröße.

Die AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt B4.3b enthält auch Bestimmungen für die Bestimmung der Nettofläche, wenn sich eine Kette von Schraubenlöchern über ein Teil in einer Diagonal- oder Zickzacklinie erstreckt. In diesen Fällen erhält man die Nettobreite des Teils, indem man von der Bruttobreite die Summe der Durchmesser (einschließlich der 1/16 Zoll für Beschädigung) aller Löcher in der Kette abzieht und für jeden Messraum in der Kette die Menge s²/4 g addiert, wobei

g = Querabstand von Mitte zu Mitte (Manometer) zwischen den Lehrlinien der Verbindungselemente

s = Längsabstand von Mitte zu Mitte (Teilung) von zwei aufeinanderfolgenden Schraubenlöchern

Die resultierende Nettobreite unterscheidet sich von der Länge der Versagensfläche (d. h. der roten gestrichelten Linie in der Abbildung unten) und berücksichtigt die Kombination von Spannung und Schub entlang der schiefen Ebene. Da IDEA StatiCa die Nettofläche nicht explizit berechnet, sind die Nettobreitenangaben nicht in der Software implementiert. Das Versagenspotenzial entlang einer diagonalen oder Zickzacklinie von Schrauben, einschließlich der Wechselwirkung von Zug und Schub entlang der geneigten Ebene, wird jedoch explizit durch die Modellierung der verbundenen Elemente erfasst.

Der Effekt von gestaffelten Schraubenlinien kann bei einer einfachen Spleißverbindung beobachtet werden. Eine Prüfplatte wird zwischen zwei Reaktionsplatten geschraubt und auf Zug belastet. Die Dicke der Prüfplatte beträgt 1/2 Zoll. und die Dicke jeder Reaktionsplatte beträgt 3/8 Zoll. Alle Platten sind 6 Zoll. breit und entspricht ASTM A572 Gr 50 (F _y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). Der Anschluss hat (6) 7/8 Zoll. Schrauben mit A325-Durchmesser in zwei versetzten Linien. Der Abstand zwischen den Schrauben in einer Linie beträgt 3 Zoll, das Messgerät g 3 Zoll und der Kantenabstand 1,5 Zoll. Die Staffelung zwischen den beiden Schraubenlinien wird durch das Maß s gemessen.

Eine dreidimensionale Ansicht der Verbindung mit s = 1,5 Zoll. ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Analysen wurden für Verbindungen durchgeführt, deren Abmessung s von Null (d. h. keine Staffelung) bis 3 Zoll variierte . in Schritten von 0,5 Zoll. Die Festigkeit gemäß der AISC-Spezifikation wurde unter Verwendung der Bestimmungen in Abschnitt B4.3b berechnet. Der Grenzzustand des Zugbruchs entlang der Zickzacklinie, der in der obigen Abbildung als rot gestrichelte Linie dargestellt ist, wird für alle Fälle kontrolliert. Die Festigkeit pro IDEA StatiCa wurde iterativ mit Hilfe einer Spannungs-Dehnungs-Analyse bestimmt, indem die aufgebrachte Last auf einen Wert eingestellt wurde, den das Programm als sicher erachtet, der jedoch bei einer Erhöhung um einen kleinen Betrag (0,1 kip) vom Programm als unsicher eingestuft würde. Die Dehnungsgrenze von 5 % Kunststoff wird für alle Fälle kontrolliert. Die Ergebnisse der Analysen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Ergebnisse der AISC-Spezifikation zeigen einen klaren Trend zur Zunahme der Festigkeit mit der Dimension s. Die IDEA StatiCa-Ergebnisse zeigen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber der Dimension s und die Festigkeit ist größer als die aus der AISC-Spezifikation für alle außer s = 3 Zoll. Fall. Das erwartete Zickzack-Versagensmuster wird jedoch vom Modell erfasst, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, die die plastische Dehnung in der Prüfplatte bei der maximal zulässigen aufgebrachten Last zeigt.

Anforderungen an die Kehlnahtgröße

AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt J2.2b enthält Einschränkungen für Kehlnähte.

Die Punkte (a) bis (c) des Abschnitts J2.2b legen geometrische Beschränkungen für die Größe und Mindestlänge von Kehlnähten fest. Diese Einschränkungen werden bei der Berechnung überprüft, wenn in der "Code-Einrichtung" die Option "Detaillierung" aktiviert ist. Die überprüften spezifischen Einschränkungen werden in diesem Artikel beschrieben. Eine Schweißnaht besteht die Normprüfung aufgrund eines Detaillierungsfehlers nicht, wenn Einschränkungen nicht erfüllt sind. Bemaßungen, die sich in der Nähe oder am Grenzwert befinden, werden aufgrund der numerischen Genauigkeit oder der Rundung möglicherweise nicht wie erwartet ausgewertet.

Abschnitt J2.2b Punkt (d) legt die effektive Länge von Kehlnähten einschließlich der Reduzierungen für lange endbelastete Kehlnähte fest. IDEA StatiCa berechnet nicht die effektive Länge für Kehlnähte und verwendet daher nicht diese Vorgabenrichtung, aber der Einfluss der ungleichmäßigen Spannungsverteilung auf die Festigkeit von endbelasteten Kehlnähten wird durch eine explizite Modellierung der Steifigkeit der Schweißnaht und des verbundenen Materials erfasst. Siehe (LONG CONNECTIONS REPORT LINK) für eine detaillierte Untersuchung dieser Bestimmung.

Die Punkte (e)-(i) des Abschnitts J2.2b spezifizieren Grenzwerte, die nicht von IDEA StatiCa geprüft werden und gegebenenfalls vom Ingenieur gesondert bewertet werden müssen.

Bemessungswandstärke für HSS

Die AISC-Spezifikation (2022) Abschnitt B4.2 verlangt, dass die Wanddicke bei Festigkeitsberechnungen für hohle Strukturprofile (HSS) als Bemessungswand t verwendet wird. Die Bemessungswand entspricht der Nenndicke t_nom für Kastenprofile und HSS, die nach ASTM A1065/A1065M oder ASTM A1085/A1085M hergestellt werden. Die Auslegungswand entspricht dem 0,93-fachen der Nennwanddicke (d. h. t = 0,93t_nom) für andere Normen, die für die Verwendung durch die Spezifikation zugelassen sind, einschließlich ASTM A500/A500M. ASTM A500 Gr. C ist die bevorzugte Materialspezifikation in den Vereinigten Staaten für rechteckiges und rundes HSS (Tavarez 2022).

IDEA StatiCa passt die Wandstärke von HSS-Querschnitten nicht automatisch materialabhängig an. Daher muss sich der Benutzer dieser Anforderung bewusst sein und sicherstellen, dass die richtige Dicke zugewiesen wird.

Bei der Definition des Querschnitts in IDEA StatiCa haben vordefinierte Querschnitte in der Kategorie mit der Bezeichnung "HSS (AISC 15.0 - A1085, A1065)" eine Wanddicke, die der Nennwanddicke entspricht, und diejenigen in der Kategorie mit der Bezeichnung "HSS (AISC 15.0 - A500, A501, A618, A847)" haben eine Wandstärke, die dem 0,93-fachen der Nennwanddicke entspricht.

Referenzen

AISC (2022), Spezifikation für Stahlbaugebäude, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

AISC (2023), Steel Construction Manual, 16. Auflage, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., und Struik, J. H. A. (1987). Leitfaden zu Bemessungskriterien für Schraub- und Nietverbindungen, zweite Auflage. John Wiley & Sons, Inc.

Muir, L. (2015), "Bear It and Grin" Moderner Stahlbau, AISC. (Dezember).

Tavarez, J. (2022), "Spezifizieren Sie Materialien richtig?" Moderner Stahlbau, AISC. (Juni), 16.-22. Juni.