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Die Tragfähigkeit ist ein grundlegendes Konzept im Baustahlverbindungsdesign, das die Sicherheit, Leistung und Langlebigkeit von Stahlkonstruktionen direkt beeinflusst. Wenn Stahlelemente mit Schraubverbindungen verbunden werden, erzeugt die Wechselwirkung zwischen dem Bolzen und dem umgebenden Plattenmaterial lokale Druckspannungen, die als Lagerspannungen bekannt sind. Zu verstehen, wie sich diese Spannungen entwickeln, wie sie das Verbindungsverhalten beeinflussen und wie man die Tragfähigkeit richtig gestaltet, ist für Bauingenieure, die mit Stahlkonstruktionen arbeiten, unerlässlich.

Dieser umfassende Leitfaden untersucht die entscheidende Rolle der Tragkraft bei der Konstruktion von Stahlverbindungen und untersucht die grundlegenden Prinzipien, Berechnungsmethoden, Fehlermodi, Konstruktionsüberlegungen und Best Practices, die robuste und zuverlässige strukturelle Verbindungen gewährleisten.

Was ist Tragkraft in Stahlverbindungen?

Die Tragfähigkeit ist besonders wichtig für Verbindungen, Verbindungen und Lastübertragungspunkte, an denen konzentrierte Kräfte aufgebracht werden, wodurch die Tragfähigkeit von verschraubten, vernieteten oder verstifteten Verbindungen in Stahlkonstruktionen bestimmt wird Im Gegensatz zu Zug- oder Druckfestigkeit, die den gesamten Querschnitt eines Elements berücksichtigt, konzentriert sich die Tragfähigkeit speziell auf lokalisierte Kontaktbereiche, was sie zu einer einzigartigen und wesentlichen Eigenschaft im Verbindungsdesign macht.

Die beim Zusammendrücken zweier elastischer Körper entstehenden Spannungen werden als Lagerspannungen bezeichnet, die sich an der Materialoberfläche lokalisieren und aufgrund der geringen Berührungsflächen sehr hoch sein können, was bei Schraubverbindungen dann der Fall ist, wenn der Bolzenschaft an der Innenfläche des Bolzenloches in den verbundenen Platten anliegt.

Belastungsverteilung

Die mittlere Lagerspannung f p = P/(db t), wobei P die auf das Befestigungselement ausgeübte Kraft ist, wird jedoch bei dieser vereinfachten Berechnung von einer gleichmäßigen Spannungsverteilung ausgegangen. In Wirklichkeit ist die Intensität der Lagerspannung zwischen Niet und Loch nicht konstant, sondern variiert von Null an den Rändern bis zu einem Maximalwert direkt hinter dem Niet. Trotz dieser Komplexität liefert die gängige Praxis, die Lagerspannung gleichmäßig über die projizierte Fläche des Nietlochs zu verteilen, akzeptable Ergebnisse für die Auslegung.

Der Lagerspannungszustand kann durch das Vorhandensein eines nahe gelegenen Bolzens oder Randes erschwert werden, und der Bolzenabstand und der Kantenabstand wirken sich auf die Lagerfestigkeit aus, wobei dieses Zusammenspiel zwischen geometrischen Parametern und Tragfähigkeit eine entscheidende Rolle bei der Detaillierung der Verbindung spielt.

Materialverhalten unter Lagerlasten

Auf der Ebene der Mikrostruktur manifestiert sich die Lagerfestigkeit durch lokalisierte plastische Verformung und Verdichtung des Materials unter der Ladefläche, wo sich Versetzungen in der Kristallstruktur zu bewegen und zu vermehren beginnen, was zu Gleitebenen führt und schließlich zu einem plastischen Fluss führt. Dieses Verformungsverhalten ist progressiv und hängt stark von der Duktilität und den Festigkeitseigenschaften des Materials ab.

Die Lagerfestigkeit nimmt typischerweise mit der Zugfestigkeit zu, aber mit abnehmender Geschwindigkeit, und ultrahochfeste Stähle weisen aufgrund der verringerten Duktilität möglicherweise keine proportionalen Erhöhungen der Lagerfestigkeit auf Diese Beziehung unterstreicht die Bedeutung der Berücksichtigung sowohl der Festigkeit als auch der Duktilität bei der Auswahl von Materialien für Schraubverbindungen.

Arten von Verschraubungen und Lagerverhalten

Das Verständnis der verschiedenen Arten von Schraubverbindungen und der Art und Weise, wie sich die Lagerkräfte in jeder Konfiguration entwickeln, ist für die richtige Konstruktion unerlässlich, da die Verbindungsart die Lagerspannungsverteilung und die Ausfallmechanismen erheblich beeinflusst.

Lagerartige Verbindungen

Bei lagerartigen Verbindungen wird zunächst die Last durch Reibung bis zum Auftreten von Schlupf übertragen, wonach der Bolzenschaft und die Seite des Bolzenlochs unmittelbar in Kontakt kommen, es entstehen Lagerspannungen an den Kontaktflächen, und mit zunehmender Belastung nehmen die Kontaktspannungen zu, bis schließlich ein Lagerversagen eintritt, was die häufigste Verbindungsart im Baustahlbau ist.

Zwei getrennte Festigkeitskriterien müssen erfüllt sein: 1 die Scherfestigkeit des Bolzens selbst und 2 die Druckfestigkeit der zu verbindenden Elemente, da die Bolzen an der Innenfläche der Bolzenlöcher "liegen"; beide Kriterien müssen überprüft werden, um eine ausreichende Verbindungsleistung zu gewährleisten.

Schlupfkritische Verbindungen

In den weniger verbreiteten Fällen, in denen kein Schlupf gewünscht ist - beispielsweise bei Konstruktionen, die wiederholten Spannungsumkehrungen ausgesetzt sind - werden auf der Grundlage der Klemmkraft, die die Bolzen auf die zu verbindenden Stahlelemente aufbringen, sogenannte schlupfkritische Verbindungen ausgelegt, so dass die Reibung zwischen den zusammengeklemmten Flächen der Neigung der Bolzen zum Verrutschen innerhalb der Bolzenlöcher entgegensteht.

Sie werden meistens bei Ermüdung mit Umkehrung der Belastung, übergroßen Löchern, geschlitzten Löchern (außer wenn die Last normal zum Schlitz ist) und beim Verrutschen an der vergleitenden Oberfläche würde sich nachteilig auf die Leistung der Struktur auswirken.

Single Shear vs. Double Shear Verbindungen

Bei doppelter Scherkraft sind zwei Querschnitte wirksam, so daß der Bolzen bei doppelter Scherfestigkeit die doppelte Scherfestigkeit wie ein Bolzen bei einfacher Scherkraft hat. Die Scherkonfiguration wirkt sich auch auf das Lagerverhalten aus, da die Lastverteilung und die Plattendicke zwischen Einfachscher- und Doppelscheranordnung unterschiedlich sind.

Bei Bolzen mit Einfachscherung ist die maßgebliche Dicke die Dicke des dünneren Elementes, das zusammengefügt wird, während bei Bolzen mit Doppelscherung die maßgebliche Dicke entweder die des Mittelstücks oder die kombinierte Dicke der beiden äußeren (Seiten-)Stücke ist, je nachdem, welcher Wert geringer ist (vorausgesetzt, dass alle Elemente, die zusammengefügt werden, aus demselben Material bestehen).

Fehlermodi in Lageranschlüssen

Verschraubte Verbindungen können in verschiedenen Modi ausfallen, von denen jede unterschiedliche Eigenschaften und Auswirkungen auf das Design hat. Diese Fehlermodi zu erkennen und die Bedingungen zu verstehen, die zu jedem Typ führen, ist entscheidend für die Schaffung sicherer und effizienter Verbindungen.

Lagerversagen von Platten

Bei einem gewöhnlichen Bolzen, der Scherkräften ausgesetzt ist, erfolgt der Schlupf, und der Bolzen kommt mit den Platten in Kontakt, und die Platte kann zerquetscht werden, wenn das Plattenmaterial schwächer ist als das Bolzenmaterial, was zu einer übermäßigen Verformung und eventuellen Zerquetschung des Plattenmaterials um das Bolzenloch herum führt.

Die zwischen Bolzen und Platte auftretenden Druckspannungen sind auf übermäßige Verformungen an Bolzen und Platte zurückzuführen, und zur Berechnung der Lagerspannung zwischen Bolzen und Lochrand wird die Annahme einer gleichmäßigen Verteilung der Spannungen auf dieser Oberfläche definiert.

Lagerversagen von Schrauben

Der Bolzen ist um den halben Umfang zerquetscht, die Platte kann lagerfest sein und die am stärksten beanspruchte Platte kann den Bolzenschaft drücken, obwohl ein Lagerversagen von Bolzen in der Praxis im Allgemeinen nicht auftritt, es sei denn, die Platten bestehen aus hochfestem Stahl und die Bolzen aus sehr niedrigem Stahl, was bei modernen Bauweisen mit ordnungsgemäß spezifizierten Materialien relativ selten der Fall ist.

Tearout und Shear-Out-Versagen

Das Lagerproblem kann durch das Vorhandensein eines nahe gelegenen Bolzens oder die Nähe einer Kante in Richtung der Last erschwert werden, der Bolzenabstand und der Endabstand beeinflussen die Lagerfestigkeit und ein eventueller Fehlermodus, der durch übermäßiges Lagern verursacht wird, ist ein Scherausriss am Ende des Verbindungselements, der auftritt, wenn ein unzureichender Kantenabstand oder Endabstand das Material zwischen dem Bolzenloch und dem Plattenrand ausreißt.

Die Proben zeigten drei Fehlermodi: Nettoquerschnitt, Ausreißen und Splitting-Fehler, wobei Endabstand und Kantenabstand zwei kontrollierte Parameter waren, die die Fehlermodi bestimmten. Untersuchungen haben gezeigt, dass geometrische Parameter eine dominierende Rolle bei der Bestimmung des Fehlermodus spielen.

Nettoquerschnittsbruch

Bei den Schraubverbindungsversuchen wurden zwei Hauptfehlerarten beobachtet, nämlich Lager- und Netzteilspannungsfehler, nämlich ein Netzteilbruch, wenn die verringerte Querschnittsfläche an den Schraubenlöchern die aufgebrachte Zugkraft nicht aushalten kann, was zu einem Bruch über das Netzteil führt.

Aufgrund einer Verringerung der Nettofläche (d.h. aufgrund von Bolzenlöchern) der Platte entlang der Bolzenlinie ist die Zugfestigkeit der Platte geringer als der tatsächliche Wert in diesem Abschnitt, und aus diesem Grund kann die Platte unter Spannung versagen, daher wird es wichtig, die geringste Nettofläche unter verschiedenen Bolzenlinien zu berechnen, um die geringste Zugfestigkeit der Platte zu finden und sie auf Sicherheit für die aufgebrachte Last zu überprüfen.

Blockscherungsfehler

Die Blockscherung ist eine kombinierte Störungsart, bei der eine Scherung entlang einer Ebene und eine Spannung entlang einer senkrechten Ebene auftreten, was dazu führt, dass ein Block aus Material aus der Verbindung gerissen wird.

Die Blockscherfestigkeit R n wird aus den Streckgrenze-Zuständen entlang der Scherfläche bzw. der Bruchgrenzen-Zustände entlang der Zugfläche berechnet, was bei Verbindungen mit mehreren Bolzenleitungen und begrenzten Kantenabständen eine sorgfältige Berücksichtigung erfordert.

Design-Standards und Lagerfestigkeit Berechnungen

Verschiedene internationale Konstruktionsnormen enthalten spezielle Bestimmungen für die Berechnung der Tragfähigkeit von Stahlverbindungen.

AISC-Spezifikationen für die Tragefestigkeit

Die Festigkeit der Verbindung im Lager wird an den Bolzenlöchern pro AISC LRFD-Abschnitt J3.10 gemessen, und die konstruktive Lagerfestigkeit am Bolzenloch ist φRn. Die AISC-Spezifikation enthält detaillierte Gleichungen für verschiedene Lochtypen und Belastungsbedingungen.

Die Konstruktionstragkraft ist für die Betriebslast, wenn Verformung eine Konstruktionsüberlegung ist (die Lochrandverformung ist auf maximal 1⁄4 begrenzt), und der Bolzen steht auch in Verbindung mit Standard-, übergroßen und kurzschlitzigen Löchern unabhängig von der Belastungsrichtung oder einem langschlitzigen Loch mit dem Schlitz parallel zur Richtung der Lagerkraft: Rn = 1,2 LctFu ≤ 2,4 dtFu.

Die verfügbare Festigkeit für einen Bolzen im Lager, Rn/Ω = 1,5dbtFu, wobei der Sicherheitsfaktor für das Lager, Ω = 2,0. Diese Gleichungen berücksichtigen den freien Abstand zwischen den Bolzenlöchern oder zum Rand des verbundenen Teils.

Bolt Material Spezifikationen

ASTM-Bezeichnungen A325, F1852 und A-490, die neue ASTM-Spezifikation F1852 bezieht sich auf die Befestigungselemente häufig als Zugsteuerung, TC, Abdrehen oder Drehmoment-und-Schnapp-Befestigungen und Hochfeste Bolzen im Durchmesser von 1⁄2 bis 1 1⁄2 in.

Die nominale Schubspannung kann als 68 ksi für Bolzen der Gruppe A (A325) und 84 ksi für Bolzen der Gruppe B (A490) angesehen werden: Wenn man sie durch den Sicherheitsfaktor für Bolzenscherung, Ω = 2,00, teilt, werden die zulässigen Spannungen 34 ksi für Bolzen der Gruppe A und 42 ksi für Bolzen der Gruppe B.

Internationale Geschmacksmusterkodizes

Der Rechner unterstützt derzeit drei Hauptdesigncodes: IS 800:2007 (Indian Standard), AISC 360-16 (American) und Eurocode 3 (EN 1993-1-8), und die Berechnungen passen sich automatisch an die Anforderungen und Sicherheitsfaktoren des ausgewählten Codes an.

Obwohl sich das mechanische Verhalten von Edelstahl und Kohlenstoffstahl erheblich unterscheidet, basieren die Konstruktionsvorschriften für Edelstahlverbindungen in den aktuellen Normen im Wesentlichen auf den Regeln für Kohlenstoffstahl, und für Schraubverbindungen basieren die Konstruktionswiderstände in EN 1993-1-4 und das SCI/Euro Inox Design Manual für Edelstahl mit nur geringfügigen Änderungen auf denen in EN 1993-1-8 und EN 1993-1-3.

Kritische Faktoren, die die Lagerfestigkeit beeinflussen

Mehrere Faktoren beeinflussen die Tragfähigkeit von Stahlverbindungen, und das Verständnis ihrer individuellen und kombinierten Effekte ist für die Optimierung des Verbindungsdesigns unerlässlich.

Materialeigenschaften

Die Materialeigenschaften der miteinander verbundenen Platten und der Bolzen beeinflussen die Tragfähigkeit erheblich. Die Zugfestigkeit (Fu) des Plattenmaterials ist ein Hauptparameter bei der Berechnung der Tragfähigkeit. Bei Verbindungen aus verschiedenen Stahlsorten sollte die Tragfähigkeit für jedes Element auf der Grundlage seiner eigenen Dicke und Materialeigenschaften berechnet werden, wobei die geringere Kapazität das Verbindungsdesign für das Lager bestimmt.

Ingenieure begrenzen typischerweise die konstruktiven Lagerbelastungen auf 50-70% der endgültigen Lagerfestigkeit des Materials, um Unsicherheiten in der Belastung, Materialvariabilität und Umweltfaktoren zu berücksichtigen, und dieser Ansatz gewährleistet einen ausreichenden Spielraum gegen lokale Verformung.

Die Sicherheitsfaktoren für die Tragfähigkeit variieren je nach Anwendung: 2,0-2,5 für allgemeine strukturelle Anwendungen, 3,0-4,0 für kritische Verbindungen, die einer dynamischen Belastung ausgesetzt sind, und 1,5-2,0 für temporäre Strukturen mit genau definierten Belastungen.

Kantenabstand und Endabstand

Kantenabstand und Endabstand gehören zu den wichtigsten geometrischen Parametern, die die Lagerfestigkeit beeinflussen. Experimente und numerische Analysen wurden durchgeführt, um lagerartige Schraubverbindungen mit Endabständen und Kantenabständen im Bereich von dem einen bis zum zweifachen Durchmesser des Bolzenlochs zu untersuchen, und die Ergebnisse zeigten, dass Endabstand und Kantenabstand zwei kontrollierte Parameter waren, die die Fehlerarten bestimmten.

Unzureichende Kanten- oder Enddistanz kann zu einem vorzeitigen Ausfall führen, bevor die volle Tragfähigkeit entwickelt wird. Designcodes geben Mindestabstände an, um diesen Fehlermodus zu verhindern, aber optimale Abstände überschreiten oft diese Mindestwerte, um ein duktiles Verhalten und eine volle Tragfähigkeitsentwicklung zu gewährleisten.

Bolzenabstand

Der Abstand zwischen den Bolzen beeinflusst die Spannungsverteilung und die möglichen Fehlerwege in den Verbindungen. Sowohl ein Scher- als auch ein Lagerversagen der Platte kann vermieden werden, indem ausreichende Mitte-zu-Mitte-Abstände zwischen den Bolzen vorgesehen werden, wie in Abschnitt 10 von IS 800: 2007 erwähnt. Ein ausreichender Abstand verhindert die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bolzenlöchern und stellt sicher, dass jeder Bolzen seine volle Tragfähigkeit entfalten kann.

Mindestabstandsanforderungen liegen typischerweise zwischen dem 2,67- und 3-fachen des Bolzendurchmessers, wobei der bevorzugte Abstand vom 3-fachen des Durchmessers eine optimale Lastverteilung und Fertigungstoleranz bietet.

Plattendicke

Die Plattendicke wirkt sich direkt auf die Tragfähigkeit aus, da die Tragfähigkeit proportional zur projizierten Tragfläche ist (Bolzendurchmesser mal Plattendicke), dickere Platten bieten eine größere Tragfläche und im Allgemeinen eine höhere Tragfähigkeit, obwohl andere Fehlerarten bei sehr dicken Platten auftreten können.

Um dem verringerten Lagerwiderstand der verbundenen Werkstoffe Rechnung zu tragen, ist eine Änderung der Bestimmungen über den Lagerbeiwert für dünne G550- und G300-Blechstähle erforderlich, wobei diese Verringerung des Lagerwiderstands mehr auf die Stahldicke als auf die Stahlsorte (G550 vs. G300) zurückzuführen ist.

Bolt Hole Typ und Größe

Diese Löcher werden wie folgt klassifiziert: i Standardlöcher – 1/16 Zoll. größer als der Nenndurchmesser des Bolzens ii Übergroße Löcher – nicht in lagerartigen Verbindungen erlaubt iii Kurzschlitzlöcher – sowohl in rutschkritischen als auch in lagerartigen Bohrungen. Der Lochtyp beeinflusst die Lagerfläche und das Verformungspotenzial, bevor ein vollständiger Lagerkontakt hergestellt wird.

Standardbohrungen sind typischerweise 1/16 Zoll größer als der Nenndurchmesser für Bolzen bis zu 1 Zoll Durchmesser, wodurch eine ausreichende Fertigungstoleranz bei gleichzeitiger Minimierung der Verringerung der Nettoquerschnittsfläche gegeben ist.

Entwurfsverfahren für die Lagerfestigkeit

Ein systematischer Ansatz zur Auslegung auf Tragfähigkeit stellt sicher, dass alle relevanten Grenzzustände berücksichtigt werden und die Verbindung während ihrer gesamten Lebensdauer bestimmungsgemäß funktioniert.

Schritt 1: Bestimmen Sie die Designkräfte

Der erste Schritt beim Verbindungsdesign besteht darin, die faktorisierten Konstruktionskräfte zu bestimmen, denen die Verbindung standhalten muss. Diese Kräfte sollten alle anwendbaren Lastkombinationen und Lastfaktoren berücksichtigen, die durch den maßgeblichen Konstruktionscode festgelegt werden. Die Verteilung der Kräfte auf mehrere Bolzen muss auf der Grundlage der Verbindungsgeometrie und der Belastungskonfiguration bestimmt werden.

Schritt 2: Wählen Sie Bolt Size und Grade

Die Auswahl der Bolzen umfasst die Auswahl eines geeigneten Durchmessers und einer geeigneten Materialqualität, die den angewandten Scher- und Zugkräften standhalten kann. Der Bolzendurchmesser beeinflusst sowohl die Scherkapazität als auch die Lagerfläche, während die Bolzenqualität die Materialfestigkeitseigenschaften bestimmt. Übliche Bolzenqualitäten sind A325 und A490 für strukturelle Anwendungen, wobei A490-Schrauben eine höhere Festigkeit für anspruchsvolle Anwendungen bieten.

Schritt 3: Berechne die Boltscherkapazität

Die Scherleistung der Bolzen muss unter Berücksichtigung dessen berechnet werden, ob Fäden in die Scherebene einbezogen oder ausgeschlossen sind. Scherfestigkeit der Bolzen: Ω = 2,0 Bolzendurchmesser = 0,768 bei Nennscherfestigkeit, Fnv = 54 ksi Nennscherfestigkeit (pro Bolzen), Rnv = 0,6 Fnv Ab = 0,6 (54 ksi) 0,463 in^2 = 25,0 kips (Rnv / Ω) = 12,5 kips. Die Anzahl der Scherebenen (Einzel- oder Doppelscherung) muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Schritt 4: Berechnen der Tragfähigkeit

Lagerfestigkeit von Standard-Bolzenbohrungen: Ω = 2,0 (Verformung des Bolzenlochs bei Betriebslast) Kantenabstand, le = 0,84 in (klarem) Abstand zum benachbarten Loch, lc = 2,19 in, und da der Kantenabstand kleiner ist als der benachbarte Abstand zum nächsten Bolzenloch, wird der Kantenabstand kontrolliert.

Der Bolzenwert ist der kleinste Wert der Tragfähigkeit (Vdpb) und der Tragfähigkeit (Vdsb) des Bolzens.

Schritt 5: Überprüfen Sie die Plate Limit States

Es müssen mehrere Plattengrenzzustände überprüft werden, einschließlich:

  • Scherausbeute: Die Bruttofläche entlang der Scherebene muss ausreichend sein, um ein Ausweichen zu verhindern.
  • Scherbruch: Der Netzbereich (in dem Bolzenlöcher berücksichtigt werden) muss einem Bruch widerstehen.
  • Spannungsausbeute: Die Bruttofläche senkrecht zur Last darf nicht nachgeben
  • Spannungsbruch: Der Netzbereich muss einem Spannungsbruch standhalten
  • Blockscherung: Der kombinierte Scher- und Spannungsfehlerpfad muss überprüft werden

Die Festigkeit einer Schraubverbindung ist der kleinste Wert des Bolzens (Designfestigkeit des Bolzens) und der Designzugfestigkeit der Platte.

Schritt 6: Geometrische Anforderungen überprüfen

Alle geometrischen Anforderungen, die im Entwurfscode angegeben sind, müssen überprüft werden, einschließlich der minimalen und maximalen Kantenabstände, Endabstände und Bolzenabstände, die eine ordnungsgemäße Kraftverteilung gewährleisten, vorzeitige Ausfallarten verhindern und ausreichende Fertigungstoleranzen bieten.

Die Design-Lagerfestigkeiten werden für verschiedene Kantenabstände (1,25 Zoll und 2 Zoll), verschiedene Fu (58 und 65 ksi) und verschiedene Bolzendurchmesser (5/8 - 1-1/2 Zoll) Designtabellen in Stahlhandbüchern liefern tabellarische Werte für gängige Konfigurationen und rationalisieren den Designprozess.

Besondere Überlegungen im Lagerdesign

Bestimmte Bedingungen und Anwendungen erfordern zusätzliche Überlegungen über die Standard-Lagerfestigkeitsberechnungen hinaus.

Deformationsgrenzen

Bei einigen Anwendungen kann die Verformung bei Betriebslasten eine konstruktive Überlegung sein, selbst wenn die endgültige Festigkeit ausreichend ist. Lagerverformungen können zu einer übermäßigen Lochverlängerung führen, die die Funktionsfähigkeit der Struktur beeinträchtigt. Designcodes können Verformungsgrenzen angeben, typischerweise etwa 1/4 Zoll Lochverlängerung, die die Verwendung konservativerer Lagerfestigkeitsgleichungen erfordern.

Der Tragwiderstand von Schraubverbindungen wurde in früheren Untersuchungen entweder anhand eines Festigkeits- oder eines Verformungskriteriums bestimmt, wobei die Wahl zwischen festigkeits- und verformungsbasierter Konstruktion von den spezifischen Anwendungs- und Leistungsanforderungen abhängt.

Hochfeste Stahlverbindungen

Lagerverschraubungen werden häufig für Stahlkonstruktionsverbindungen verwendet und sind typischerweise klein, wenn sie zum Verbinden von hochfesten Stählen verwendet werden, jedoch sind Untersuchungen über den Ausfallmodus und die Tragfähigkeit von hochfesten Stahllagerverschraubungen nach unserem besten Wissen begrenzt.

Lagerfestigkeit steht oft im Konflikt mit Duktilitätsanforderungen, und höherfeste Stähle bieten typischerweise einen überlegenen Lagerwiderstand, können aber eine reduzierte plastische Verformungskapazität vor dem Versagen aufweisen, was möglicherweise zu plötzlicheren Versagensmodi führt.

Verbindungen aus dünnem Stahlblech

Mildbleche (G300) haben aufgrund ihrer erhöhten Duktilität eine erhöhte Verformungsfähigkeit im Vergleich zu G550blechen, und eine Erhöhung der Verformungsfähigkeit kann zu Rissen führen, die nicht nahe dem Rand des gestapelten Materials vor dem Bolzen, sondern näher am Zentrum des ursprünglich platzierten Bolzenlochs entstehen.

Normen können nicht verwendet werden, um den Ausfallmodus von dünnen Stahlschraubverbindungen, die in Scherbelastung geladen sind, genau vorherzusagen, und in der Regel wird ein Netzschnittbruch vorhergesagt, wenn die Prüfergebnisse zeigen, dass Lagerstress im Stahlblech der kontrollierende Fehlermodus ist.

Edelstahlverbindungen

Die Untersuchung ergab, dass sich das Verformungsverhalten von Edelstahlverbindungen etwas von dem von Kohlenstoffstahlverbindungen unterscheidet, wobei Edelstahl eine ausgeprägte Dehnungshärtung zeigte, jedoch entsprachen die von den numerischen Modellen erhaltenen Orte der Bruchinitiierung denen, die bei experimentellen Studien sowohl von Kohlenstoffstahlverbindungen als auch von Edelstahlverbindungen beobachtet wurden.

Das nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Edelstahl, insbesondere austenitischer Qualitäten, führt zu einer signifikanten Dehnungshärtung, die die Tragfähigkeit über die anfängliche Ausbeute hinaus erhöhen kann, was jedoch auch die Vorhersage von Verformungs- und Versagensmodi erschwert.

Gemeinsame Designfehler und wie man sie vermeidet

Das Verständnis der häufigsten Fallstricke beim Tragkraftdesign hilft Ingenieuren, kostspielige Fehler zu vermeiden und sichere, effiziente Verbindungen zu gewährleisten.

Unzureichender Kantenabstand

Während minimale Kantenabstände in Codes angegeben sind, können Abstände nahe dem Minimum zu einer verringerten Tragfähigkeit und zu spröden Ausfallarten führen. Durch die Bereitstellung von Kantenabständen von 1,5 bis 2 mal dem Bolzendurchmesser wird typischerweise eine ausreichende Tragfähigkeit und ein duktiles Verhalten gewährleistet.

Vernachlässigung der Materialverträglichkeit

Die Verwendung von höherwertigen Bolzen als nötig kann verschwenderisch sein und dazu führen, dass die Platten vor den Bolzen versagen (Lagerfehler), die Verbindung sollte so gestaltet sein, dass alle Komponenten effizient zusammenarbeiten, mit ähnlichen Auslastungsverhältnissen für verschiedene Grenzzustände, und fehlerhafte Materialstärken können zu ineffizienten Designs oder unerwarteten Ausfallarten führen.

Übermäßige Anzahl von Verbindungselementen

Die Verbindungskomponenten sollten in einer duktilen, vorhersehbaren Weise versagen, und das Hinzufügen von zu vielen Befestigungselementen kann die Platten aufgrund der reduzierten Nettoquerschnittsfläche schwächen, so dass es eine optimale Anzahl gibt, die auf der Lastverteilung und Geometrie basiert.

Ignorieren der Lastverteilung

Die Annahme einer gleichmäßigen Lastverteilung aller Bolzen ist möglicherweise nicht in allen Fällen genau, insbesondere bei langen Verbindungen oder Verbindungen mit exzentrischer Belastung, Elastikanalyse oder anspruchsvollere Methoden können erforderlich sein, um die tatsächlichen Bolzenkräfte zu bestimmen und eine ausreichende Tragfähigkeit an kritischen Stellen zu gewährleisten.

Fortgeschrittene Themen in der Lagerstärkeanalyse

Für komplexe Verbindungen oder spezielle Anwendungen können fortgeschrittene Analysemethoden erforderlich sein, um das Lagerverhalten und die Verbindungsleistung genau vorherzusagen.

Finite-Elemente-Analyse von Lagerverbindungen

Dieses Papier präsentiert eine experimentelle und numerische Studie, um die Lagerfestigkeit und Versagensmodi von Einzelbolzenverbindungen zu untersuchen, und dann wird eine FE-Modellierungsmethode unter Berücksichtigung der Zug- und Schermaterialeigenschaften an den entsprechenden Regionen vorgeschlagen, um das Lagerverhalten von Einzelbolzenverbindungen zu untersuchen. Finite-Elemente-Analyse kann komplexe Spannungsverteilungen, Material-Nichtlinearität und Kontaktverhalten erfassen, die vereinfachte Handberechnungen nicht ansprechen können.

Die Tragfähigkeit von mehr als 12 % Überschätzung und ein falscher Fehlermodus würde mit dem herkömmlichen FE-Modellierungsverfahren für Schraubverbindungen unter scherbelasteter Belastung durch Stahlscherverhalten erreicht werden.

Dehnungshärtungseffekte

Die Materialdehnungshärtung kann die Tragfähigkeit erheblich beeinträchtigen, insbesondere bei duktilen Materialien, die vor dem Versagen einer erheblichen plastischen Verformung unterzogen werden.

In der numerischen Simulation der Modelle wurde das nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Materialverhalten von Edelstahl unter Verwendung von Ausdrücken berücksichtigt, die den gesamten Dehnungsbereich bis zur endgültigen Zugdehnung darstellen. Dieser Ansatz liefert genauere Vorhersagen der endgültigen Kapazität und des Verformungsverhaltens.

Fracture Mechanics Ansätze

Das Frakturkriterium wird in FE-Modelle integriert, um die Beziehung zwischen der Lagerfestigkeit und dem Fehlermodus der verschraubten Verbindungen zu untersuchen. Frakturmechanikbasierte Ansätze können die Initiierung und Ausbreitung von Rissen in Lagerverbindungen vorhersagen und Einblicke in die Fehlermechanismen und die endgültige Kapazität liefern.

Die maximale plastische Dehnung im Plattenmaterial vor dem Bolzen erreicht die lokale Bruchdehnung des Materials, Bruch tritt auf und die maximale Belastung soll erreicht worden sein. Die Festlegung geeigneter Fehlerkriterien auf der Grundlage von Dehnungs-, Spannungs- oder Bruchmechanik ist entscheidend für die genaue Vorhersage der Tragfähigkeit.

Praktische Designbeispiele

Die Arbeit mit praktischen Beispielen hilft, das Verständnis von Lagerkraftberechnungen und Designverfahren zu verfestigen.

Beispiel: Einfache Scherverbindung

Scherverbindungen zwischen I-förmigen Abschnitten sind einige der häufigsten Verbindungen in der Stahlkonstruktion, und um die erforderlichen Konstruktionsprüfungen gemäß AISC 360 zu verstehen, wird dieser Artikel ein Ausführungsbeispiel verwenden, um sie zu erklären. Eine typische Scherverbindung zwischen einem Balkensteg und einer Säule oder einem Träger beinhaltet die Überprüfung der Bolzenscherung, das Lagern an Bolzenlöchern, das Nachgeben und Brechen der Plattenscherung und Blockscherung.

Der Entwurfsprozess beinhaltet die Auswahl einer geeigneten Anzahl und Größe der Bolzen, die Bestimmung der erforderlichen Plattendicke und die Überprüfung aller Grenzzustände. Versuchen Sie vier Reihen von Bolzen, 1/4-in-Platte Dicke und 3/16-in-Kehlschweißnahtgröße. Iteratives Design kann notwendig sein, um eine effiziente Verbindung zu erreichen, die alle Anforderungen erfüllt.

Beispiel: Tension Splice Connection

Zugspleißverbindungen erfordern neben der Lagerung und Scherung eine sorgfältige Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit des Nettoprofils. Die Verbindung muss die volle Leistungsfähigkeit des Zugglieds unter Beibehaltung ausreichender Sicherheitsränder für alle Grenzzustände entwickeln. Doppeldeckplattenspleißverbindungen bieten eine symmetrische Lastübertragung und werden üblicherweise für Zugglieder verwendet.

Die Schraubenwerte für einen Bolzen mit einem Durchmesser von 20 mm der Klasse 4.6 sind in den folgenden Fällen zu berechnen, wobei für alle Platten Fe410 angenommen wird.

Qualitätskontrolle und -kontrolle

Die richtige Qualitätskontrolle während der Herstellung und der Errichtung ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Verbindungen wie geplant funktionieren.

Bohrlochvorbereitung

Die Bohrungen sollten bis zur angegebenen Größe mit sauberen, glatten Kanten gebohrt oder gestanzt werden. Gestanzte Bohrungen können eine Reibung erfordern, wenn die Materialstärke bestimmte Grenzen überschreitet oder wenn die Qualität der Bohrungen unzureichend ist. Beschädigte oder übergroße Bohrungen können die Tragfähigkeit verringern und sollten repariert oder die Verbindung neu gestaltet werden.

Bolzeninstallation

Die richtige Montage der Schraube ist für die Verbindungsleistung von entscheidender Bedeutung. Hochfeste Schraube muss mit kalibrierten Schraubenschlüsseln oder anderen zugelassenen Verfahren auf die angegebene Vorspannung angezogen werden. Unterschraubte Schraube kann bei rutschkritischen Verbindungen keine ausreichende Reibung entwickeln, während überschraubte Schraube unter Umständen überbeansprucht wird oder das verbundene Material beschädigt.

Inspektionsanforderungen

Bei kritischen Verbindungen können detailliertere Prüfungen, einschließlich Ultraschallprüfungen oder anderer zerstörungsfreier Verfahren, vorgesehen werden. Zur Qualitätssicherung sollten Unterlagen über die Montage der Bolzen, einschließlich der Prüfung der Vorspannung, aufbewahrt werden.

Laufende Forschung verfeinert weiterhin unser Verständnis des Lagerverhaltens und verbessert die Konstruktionsmethoden für Stahlverbindungen.

Fortgeschrittene Materialien

Die Entwicklung neuer hochfester und Hochleistungsstähle erfordert aktualisierte Bestimmungen zur Tragfähigkeit. Materialauswahlentscheidungen gleichen oft die Tragfähigkeit mit der Herstellungsfähigkeit und den Kosten aus, und während höherfeste Stähle eine bessere Tragfähigkeit bieten, können sie Herausforderungen bei der Lochbildung darstellen und kerbempfindlicher sein. Die Erforschung des Tragverhaltens dieser Materialien trägt zur Optimierung ihres Einsatzes in strukturellen Anwendungen bei.

Performance-Based Design

Leistungsbasierte Designansätze, die das gesamte Spektrum des Verbindungsverhaltens berücksichtigen, von der anfänglichen Belastung über die ultimative Kapazität bis hin zur Reaktion nach den Spitzenzeiten, werden immer häufiger.

Digitale Tools und Automatisierung

Steel Connection Tool von Structural Central ist eine Bauingenieursoftware, mit der Sie schnell die Berechnungen erstellen können, die erforderlich sind, um die Festigkeit einer Stahlverbindung zu bestimmen, und die Berechnungen bewerten jeden der möglichen Grenzzustände für den bewältigten Balken, Bolzen, Schweißnähte, Winkel, Platten, Träger und / oder Säule, um festzustellen, welcher Fehlermodus die Tragfähigkeit des Designs steuert.

Machine Learning und künstliche Intelligenz werden für die Optimierung des Verbindungsdesigns und die Fehlervorhersage erforscht, was möglicherweise zu effizienteren und zuverlässigeren Verbindungen in der Zukunft führen wird.

Schlussfolgerung

Lagerfestigkeit ist eine kritische Überlegung in der Stahlverbindungskonstruktion, die sich direkt auf die Sicherheit, Leistung und Wirtschaftlichkeit von Stahlkonstruktionen auswirkt.Ein gründliches Verständnis des Lagerverhaltens, der Fehlermodi und der Konstruktionsverfahren ist für Bauingenieure, die mit Schraubverbindungen arbeiten, unerlässlich.

Die richtige Konstruktion von Lagern erfordert die Berücksichtigung mehrerer Faktoren, einschließlich Materialeigenschaften, geometrischen Parametern, Belastungsbedingungen und anwendbaren Konstruktionsnormen. Durch die Einhaltung systematischer Konstruktionsverfahren, die Überprüfung aller relevanten Grenzzustände und die Vermeidung häufiger Fehler können Ingenieure Verbindungen herstellen, die Lasten zwischen Bauteilen sicher und effizient übertragen.

Da sich Materialien und Baumethoden weiterentwickeln, stellen die laufende Forschung und Entwicklung von Konstruktionsvorschriften sicher, dass die Berechnung der Tragfähigkeit auch in modernen Baupraktiken korrekt und anwendbar bleibt. Die Integration fortschrittlicher Analysemethoden und digitaler Werkzeuge erhöht unsere Fähigkeit, optimierte Verbindungen zu entwerfen, die den anspruchsvollen Anforderungen moderner Strukturen gerecht werden.

Für zusätzliche Ressourcen zum Stahlanschlussdesign können Ingenieure das American Institute of Steel Construction (AISC) für umfassende Design-Leitfäden und Spezifikationen, das Steel Construction Institute für technische Anleitungen und Forschungspublikationen und BG Structural Engineering für praktische Design-Beispiele und Tutorials beziehen.