Structurae

Arten von Anschlüssen

Es gibt 5 Hauptanschlusstypen: T-, Y-, X-, N- und K-Anschlüsse. Wobei aber jeweils T- und Y-Anschlüsse sowie N- und K-Anschlüsse zusammengefasst und gleich behandelt werden. N- und K-Anschlüsse können noch mal unterteilt werden in Anschlüsse mit Spalt oder mit überlappung. Die Knotenart wird vorgegeben durch die Geometrie des Fachwerks und muss dann einem dieser Typen zugeordnet werden, um die entsprechend richtigen Tragfähigkeits-Formeln zu verwenden. Bild 1 zeigt die verschiedenen Anschlusstypen.

T (oder Y)-Anschluss	X-Anschluss	K (oder N)-Anschluss mit Spalt	K (oder N)-Anschluss mit Überlapung

Fertigungskosten der verschiedenen Profil- und Anschlusstypen

Stahlbau-Hohlprofile gibt es in kreisförmiger, quadratischer, rechteckiger und elliptischer Form. Die Entscheidung, welche Profilart verwendet wird, wird meist eher nach architektonischen Gesichtspunkten als aus wirtschaftlichen, fertigungstechnischen oder montagetechnischen Gründen getroffen. Die Fertigungskosten können aber je nach Profil- und Anschlussart stark variieren. Wenn quadratische oder rechteckige Hohlprofile zusammentreffen, können sie eben abgeschnitten werden. Bei kreisförmigen Profilen müssen die Stäbe kurvenförmig geschnitten werden, um sich dem Gurt anzupassen. Um die Enden der Streben richtig zu profilieren kann man entweder Schablonen (z.B. berechnet mit CAD oder anderer Software) benutzen und manuell schneiden oder spezielle automatische Einrichtungen verwenden. Für N- oder K-Anschlüsse mit rechteckigen Hohlprofilen müssen für einen Anschluss mit Spalt beide Streben nur einmal geschnitten werden. Bei einer teilweisen überlappung muss die überlappende Strebe zweimal geschnitten werden, was die Kosten erhöhat. Bei 100% überlappung wird wiederum nur jeweils ein einfacher Sägeschnitt gebraucht. Für kreisförmige Hohlprofile wird die Aufgabe komplexer, insbesondere bei einer teilweisen überlappung. Dies hat massive Auswirkungen auf die Verarbeitungskosten, wie in Tabelle 1 zu sehen ist. Dort sind die verschiedenen Anschlussarten anhand der Verarbeitungskosten geordnet aufgelistet.

Anstieg der Verarbeitungskosten	Rechteckiger Gurt – Anschluss mit Spalt
	Rechteckiger Gurt – Anschluss mit 100% überlappung
	Kreisförmiger Gurt – Anschluss mit Spalt
	Rechteckiger Gurt – Anschluss mit teilweiser überlappung
	Kreisförmiger Gurt – Anschluss mit 100% überlappung
	Kreisförmiger Gurt – Anschluss mit teilweiser überlappung

Tabelle 1: Wirtschaftlichkeit von geschweißten Hohlprofil-Anschlüssen

Parameter für die Tragfähigkeit von Anschlüssen

Ein Entwurf ist immer ein Kompromiss zwischen verschiedenen kollidierenden Anforderungen. Im Folgenden werden einige Punkte aufgelistet, die bei der Bemessung einer technisch und wirtschaftlich sinnvollen Konstruktion beachtet werden sollten. Daneben sollten auch die oben genannten unterschiedlichen Fertigungskosten der verschiedenen Varianten nicht außer Acht gelassen werden.

• Die Knotentragfähigkeit ist immer höher wenn ein dünnerer Stab an einen dickeren Stab angeschweißt wird anstatt anders herum.
• Anschlüsse mit überlappenden Streben haben eine höhere Tragfähigkeit als Anschlüsse mit Spalt zwischen den Streben.
• Die Knotentragfähigkeit steigt bei allen Anschluss- und Beanspruchungsarten (ausgenommen Verbindungen mit voller überlappung) wenn ein kleinerer dicker Gurt anstelle eines größeren dünneren Gurts gewählt wird.
• Anschlüsse mit einem Spalt zwischen den Streben haben eine höhere Tragfähigkeit wenn das Verhältnis der Streben- zur Gurtbreite so hoch wie möglich ist. Dies bedeutet, dass große dünne Streben in Kombination mit kleinen dicken Gurtstäben empfehlenswert sind.
• Anschlüsse mit teilweiser überlappung haben eine höhere Tragfähigkeit wenn sowohl der Gurtstab als auch die überlappte Strebe so klein und dick wie möglich sind. - Anschlüsse mit voller überlappung haben eine höhere Tragfähigkeit wenn die überlappte Strebe so klein und dick wie möglich ist. In diesem Fall hat der Gurt keinen Einfluss auf die Knotentragfähigkeit.
• Wenn man ähnliche Abmessungen miteinander vergleicht, haben Anschlüsse mit kreisförmigen Gurten eine höhere Tragfähigkeit als solche mit rechteckigen Gurtstäben.

Versagensformen von Anschlüssen

Wenn man den Anschlusstyp bestimmt hat, müssen als nächstes einige Grenzwerte überprüft werden. Je nach Anschlusstyp sind andere geometrische Parameter ausschlaggebend. Die Gültigkeitsbereiche stellen sicher, dass sich die Versagensformen der Anschlüsse innerhalb der experimentell nachgewiesenen Grenzwerte für die Bemessungsformeln befinden. Außerhalb dieser Parameter-Grenzwerte sind die Formeln nicht gültig und andere Versagensformen können maßgebend sein. Beispielsweise ist im Spaltbereich zwischen den Streben bei kreisförmigen K- und N-Anschlüssen für die Querkraft im Gurt keine überprüfung nötig, diese Versagensart kann aber außerhalb des angegebenen Gültigkeitsbereichs maßgebend werden.

Es gibt unterschiedliche Versagensformen je nach Anschlusstyp, geometrischer Parameter und der Art der Beanspruchung. Abbildung 2 zeigt eine kurze Beschreibung der Versagensarten.

Versagensmodus	Beschreibung
Flanschversagen des Gurtstabes	Plastisches Versagen des Flansches oder Plastizierung des Gurtstabes. Dies ist die am häufigsten auftretende Versagensart für Anschlüsse mit einer einzelnen Strebe sowie für K- und N-Anschlüsse mit Spalt bei kleinem Verhältnis von Streben- zu Gurtstabbreite.
Seitenwandversagen des Gurtstabes	Dies ist das Versagen durch Fließen, plastisches Stauchen oder Instabilität unterhalb der druckbeanspruchten Strebe.
Schubversagen des Gurtstabes	Dies kommt häufig im Spaltbereich eines K-Anschlusses vor. Die entgegen gesetzten vertikalen Strebenkräfte verursachen das Schubversagen des Gurtstabes.
Durchstanzen des Gurtstabflansches	Dies kann durch einen Riss im Gurtstabflansch initiiert werden, der zum Abriss der Strebe führt.
Versagen der Strebe	Die ungleichmäßige Spannungsverteilung verursacht eine verminderte effektive Breite der Strebe. Dies führt zu einer kleineren effektiv mittragenden Fläche.
Lokales Beulversagen des Gurtstabes oder der Streben	Aufgrund der ungleichmäßigen Spannungsverteilung am Knotenpunkt wird die effektiv mittragende Fläche für die übertragung der Strebenkräfte reduziert.
Abscheren der überlappenden Streben	Durch die horizontalen Strebenkräfte wird das Abscheren der Verbindung zwischen Streben und Gurtflansch verursacht. Diese Versagensart wird maßgebend für große überlappungen von über 80% oder 60%, je nach dem ob der verdeckte Fuß der überlappten Strebe an den Gurt angeschweißt wird.

Abbildung 2: Knotenversagensformen

DIN EN 1993-1-8 Abschnitte 7.4 und 7.5 geben eine Orientierungshilfe, welche Versagensarten für jeden Anschlusstyp betrachtet werden sollten. Ähnlich zu anderen Knotenbemessungshilfen werden hier nur die bekannten kritischen Versagensarten aufgeführt, die für die entsprechenden Gültigkeitsbereiche der Parameter maßgebend sind. Falls einer der Parameter außerhalb eines Grenzwertes liegt, dann müssen alle Versagensarten betrachtet werden.

IT Software

Um es Tragwerksplanern und Architekten zu vereinfachen, das Tragverhalten der Anschlüsse bereits in frühen Planungsphasen zu betrachten, wurde Computer-Software im Einklang mit den derzeitigen Normen entwickelt. Diese Software überprüft die Parameter und kann die Tragfähigkeit der Anschlüsse hinsichtlich der verschiedenen Versagensarten berechnen. Die Software basiert auf den einschlägigen Bemessungshilfen und bietet die Möglichkeit, die Realisierbarkeit der Knotenverbindungen schnell und unkompliziert zu überprüfen. Dies gibt Planungssicherheit, dass die Anschlüsse eine ausreichende Tragfähigkeit haben und spätere kosten- und zeitintensive Schwierigkeiten werden vermieden. Tata Steel Tubes Europe hat eigene Software basierend auf Excel für die Bemessung von Hohlprofil-Knotenverbindungen entwickelt.

Autorin dieses Beitrags:

Dipl.-Ing. Frau Kirstin Bach

Literatur

• DIN EN 1993-1-8:2005: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen; Deutsche Fassung EN 1993-1-8:2005
• DIN EN 1993-1-8:2005 Berichtigung 1: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen, Berichtigung zu
  DIN EN 1993-1-8:2005-07; Deutsche Fassung EN 1993-1-8:2005/AC:2009
• NA zu DIN EN 1993-1-8 Nationaler Anhang: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen
• >CIDECT: Design Guide 1: Berechnung und Bemessung von Verbindungen aus Rundhohlprofilen unter vorwiegend ruhender Beanspruchung
• CIDECT: Design Guide 3: Knotenverbindungen aus rechteckigen Hohlprofilen unter vorwiegend ruhender Beanspruchung
• Tata Steel Tubes: Broschüre Design of Welded Joints