002072

12. August 2026

Bewertung der Duktilität von Stirnplattenverbindungen mit Stahlanschlüssen für RFEM

Vier erweiterte Stirnplattenverbindungen zwischen Träger und Stütze (FS1–FS4, Stahl S355/S690) wurden experimentell geprüft und mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM 6 sowie mittels Handrechnung nach EN 1993-1-8 (Eurocode 3) nachgerechnet. Der Beitrag vergleicht die Biegetragfähigkeit und die Anfangsdrehfedersteifigkeit aller drei Methoden und dokumentiert die zugrundeliegenden T-Stummel-Komponentengleichungen.

Diese Studie bewertet den Entwurf von Stahlanschlüssen für RFEM, indem sie die Duktilitätseigenschaften und Versagensmodi von Träger-Stützen-Verbindungen mit überstehender Stirnplatte untersucht. Das strukturelle Verhalten und die Tragfähigkeit dieser Verbindungen werden gemäß den Bemessungsvorschriften des Eurocode 3 (EC3) analysiert, und die resultierenden Vorhersagen werden anschließend durch den Vergleich mit einem Finite-Elemente-Modell, das mit Stahlanschlüssen für RFEM entwickelt wurde, sowie mit entsprechenden experimentellen Daten validiert.

Analytisches Modell

Diese Studie übernimmt die in EN 1993-1-8 festgelegten Bemessungskriterien für die Bewertung des Schraubenwiderstands (Schub und Spannung) und des Plattenwiderstands (Lager und Durchstanzen) unter Verwendung der in Tabelle 3.4 angegebenen Grenzzustandsformulierungen.

Der Bemessungswiderstand des äquivalenten T-Stummels wird unabhängig für die Stirnplatte und die Stützenflanschkomponenten bewertet. Für jede Komponente wird der maßgebende Bemessungswiderstand F_T,Rd als der Mindestwert aus drei potenziellen Versagensmechanismen definiert.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

T-Stummel Bemessungswiderstand (maßgebender Wert von drei Ausfallmodi)

Der individuelle Widerstand für jeden Modus wird auf Grundlage der plastischen Momentenkapazität des Flansches (M_pl,1,Rd und M_pl,2,Rd) und des Zugwiderstands der Schraubengruppe (∑F_t,Rd) berechnet. Diese Modi berücksichtigen vollständiges Flanschfließen (Modus 1), Schraubenversagen in Kombination mit Flanschfließen (Modus 2) und reinen Schraubenbruch (Modus 3).

Versagensmodi:

F_{T, 1, Rd} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) \cdot M_{pl, 1, Rd}}{2 mn - e_{w} (m + n)}

T-Stummel-Tragfähigkeit – Versagensart 1 (Vollständiges Flanschfließen)

F_{T, 2, Rd} = \frac{2 \cdot M_{pl, 2, Rd} + n \cdot (\sum F_{t, Rd})}{(m + n)}

T-Stummel-Widerstand – Ausfallmodus 2 (Schraubenversagen mit Flanschfließen)

F_{T, 3, Rd} = \sum F_{t, Rd}

T-Stummel-Widerstand – Versagensart 3 (Schraubenbruch)

Plastische Widerstandsmomente:

M_{pl, 1, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 1} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastisches Momentwiderstand des Flansches (Ausfallmodus 1)

M_{pl, 2, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 2} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Biegetragfähigkeit des Flansches (Versagensart 2)

Die Anfangssteifigkeit der Verbindung ergibt sich aus der Formel:

S_{j, ini} = \frac{E \cdot z^{2}}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{k_{i}}}

Drehsteifigkeit am Anfang der Verbindung

Wobei E der Elastizitätsmodul ist, z der Hebelarm ist, K_i der Steifigkeitskoeffizient der i-ten Komponente ist und n die Anzahl der Grundkomponenten der Verbindung ist.

Geometrische Details der Träger-Stützen-Verbindung

Alle Träger- und Stützenelemente wurden aus S355-Stahl gemäß üblicher Baupraxis gefertigt. Die Stirnplatten bestanden entweder aus S355- oder S690-Stahl. Geometrische Details – einschließlich Stirnplattenabmessungen und Schraubengruppenanordnung – sind in Bild 2 dargestellt, während die Versuchsmatrix und die gemessenen Materialeigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Die Probekörper FS1 bis FS4 verwendeten ein HEM-340-Stützenprofil in Kombination mit einem IPE-300-Trägerprofil. Diese Konfiguration wurde gewählt, um das Verhalten von schwacher Stütze und starkem Träger zu untersuchen. Bei allen vier Probekörpern blieb das Trägerprofil konstant bei IPE 300, mit Stirnplattendicken von 10, 15, 20 und 10 mm für FS1, FS2, FS3 bzw. FS4.

Tabelle 1: Geometrische und materielle Details der getesteten Probekörper
Probekörper	Stütze	Stahlgüte	Träger	Stahlgüte	Stirnplattendicke, mm	Stahlgüte
FS1	HEM340	S355	IPE300	S235	10	S355
FS2	HEM340	S355	IPE300	S235	15	S355
FS3	HEM340	S355	IPE300	S235	20	S355
FS4	HEM340	S690	IPE300	S235	10	S690

Technische Zeichnung eines typischen geschraubten Träger-Stützen-Anschlusses mit einem IPE300-Träger, der an eine HE340M-Stütze angeschlossen ist, mit detaillierten Abmessungen und Plattendicken.

1 Typische geschraubte Träger-Stützen-Verbindung

Technische Zeichnung eines stirnplattenstoßes mit überstehender Stirnplatte, die Schraubenanordnung und Steifenkonfiguration für die Stahlanschlussanalyse zeigt.

2 a) Stirnplatte/Schraube, b) Steifenkonfiguration

Diskussion

Stahlanschlüsse für RFEM-Lösung

Mit dem Add-On Stahlanschlüsse für RFEM 6 wurde der Anschlussentwurf vollständig in das primäre Strukturmodell integriert. Diese Studie präsentiert eine experimentelle und numerische Untersuchung des strukturellen Verhaltens von vier Träger-Stützen-Verbindungen mit überstehender Stirnplatte, mit besonderem Schwerpunkt auf der Duktilitätsbewertung. Die Untersuchung wurde durch gezielte Charakterisierung der T-Stummel-Komponente und hochgenaue Finite-Elemente-Analysen (FE) ergänzt. Die entwickelten FE-Modelle wurden anhand experimenteller Messungen validiert und mit dem Bemessungsrahmen des Eurocode 3 (EC3) verifiziert und anschließend zur Gewinnung detaillierter Einblicke in das lokale Verformungsverhalten eingesetzt. Die Bilder 3 und 4 sowie die Tabellen 2 und 3 zeigen Vergleiche der Momentenbeanspruchbarkeit und der Rotationssteifigkeit zwischen den experimentellen Ergebnissen, den Vorhersagen der Stahlanschlüsse für RFEM 6 und den analytischen Lösungen des EC3.

Ein Balkendiagramm, das die Momententragfähigkeit von vier Stahlanschluss-Prüfkörpern auf Grundlage von Versuchsergebnissen, RFEM-Simulationen mit dem Add-On Stahlanschlüsse und Berechnungen nach Eurocode 3 vergleicht.

3 Vergleich der Momententragfähigkeit – Experimentell vs. Stahlknoten für RFEM und EC3

Balkendiagramm zum Vergleich der Anfangssteifigkeit für vier Testfälle, mit Ergebnissen aus Experimenten, Steel Joints für RFEM und EC3-Berechnungen.

4 Vergleich der Steifigkeit – Experiment vs. Stahlanschlüsse für RFEM und EC3

Tabelle 2: Vergleich der Momentenbeanspruchbarkeit – Experimentell vs. Stahlanschlüsse für RFEM & EC-3-1-8 | Momentenkapazität (kNm)
Probekörper	Experimente	Stahlanschlüsse in RFEM	EC3
FS1	107,45	107,53	77,52
FS2	167,93	122,51	132,09
FS3	182,46	126,09	187,29
FS4	164,56	118,46	124,44

Tabelle 3: Vergleich der Steifigkeit – Experimentell vs. Stahlanschlüsse für RFEM & EC-3-1-8 | Anfangssteifigkeit S_j,ini (MNm/rad)
Probekörper	Experimente	Stahlanschlüsse für RFEM	EC3
FS1	17,51	29,20	34,66
FS2	22,69	38,30	46,76
FS3	22,39	43,50	51,76
FS4	16,66	29,20	32,77

Finite-Elemente-Analyse-Ergebnisse mit Vergleichsspannungen nach von Mises und Vergleichsdehnungen für ein Stahlanschlussmodell mit 1 mm Dicke.

5 Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des FS-1mm-Modells

Finite-Elemente-Analyse eines Stahlanschlusses mit Darstellung der Vergleichsspannungen nach von Mises und der plastischen Dehnungen unter Last. Die Visualisierung zeigt die Spannungsverteilung und Verformung im Anschlussbereich.

6 Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des FS-2mm-Modells

Finite-Elemente-Analyse eines Stahlanschlusses mit Darstellung der Vergleichsspannungen nach von Mises und der äquivalenten plastischen Dehnungen unter den aufgebrachten Lastbedingungen.

7 Vergleichsspannungen und plastische Verzerrung des FS-3mm-Modells

Finite-Elemente-Analyse-Ergebnisse mit Vergleichsspannungen nach von Mises und äquivalenten plastischen Dehnungen für ein Stahlanschlussmodell.

8 Äquivalente Spannungen und plastische Dehnung des FS-4mm-Modells

Tabelle mit den Nachweisauslastungen für Platten-, Schrauben- und Kehlnahtkomponenten im Grenzzustand der Tragfähigkeit sowie den berechneten Rotationssteifigkeiten der angeschlossenen Bauteile.

9 Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des FS-1-Modells

Tabelle mit den Nachweisverhältnissen für Bleche, Schrauben und Schweißnähte sowie den berechneten Drehfedersteifigkeiten für einen Stahlanschluss.

10 Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des FS-2-Modells

Tabelle mit den Ausnutzungsgraden für Bleche, Schrauben und Kehlnähte sowie den berechneten Drehfedersteifigkeiten für die Anschlusselemente in einer statischen Berechnung.

11 Ausnutzung und Rotationssteifigkeit des FS-3-Modells

Tabelle mit Nachweisverhältnissen für Bleche, Schrauben und Schweißnähte sowie Drehfedersteifigkeitswerten für Anschlusselemente in einer statischen Berechnung.

12 Bemessungsauslastung und Rotationssteifigkeit des FS-4-Modells

Schlussfolgerungen

Der Vergleich zwischen experimentellen, komponentenbasierten Stahlanschlüssen für RFEM und EC-3-1-8-Vorhersagen zeigt, dass das RFEM-Modell eine gute Gesamtübereinstimmung mit den Testergebnissen sowohl für die Momentenbeanspruchbarkeit als auch für die Anfangssteifigkeit liefert, was seine Zuverlässigkeit für die Darstellung des tatsächlichen Anschlussverhaltens bestätigt. Die EC-3-1-8-Vorhersagen für die Momentenbeanspruchbarkeit variieren zwischen den Probekörpern (Verhältnisse von 0,72–1,49 relativ zu RFEM), was die Empfindlichkeit der analytischen Komponentenmethode gegenüber spezifischen geometrischen Parametern wie Plattendicke und Schraubenanordnung widerspiegelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Stahlanschlüsse für RFEM eine deutlich genauere Vorhersage der Anfangssteifigkeit der Verbindung liefert als die analytische Methode des EC-3. Dies bestätigt, dass der auf Finite-Elemente-Methoden basierende Ansatz von RFEM das tatsächliche Steifigkeitsverhalten der getesteten Verbindungen besser erfasst, was ihn zu einem zuverlässigeren Werkzeug für die praktische Bemessung und Analyse macht als die konservative und oft zu stark vereinfachte Komponentenmethode des EC3.

Referenzen

Europäisches Komitee für Normung (CEN). (1993). Eurocode 3. Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1–8: Bemessung von Anschlüssen (EN 1993-1-8). Brüssel, CEN.
Girão Coelho, A. M., Bijlaard, F. S. K., & Simões da Silva, L. (2004). Experimentelle Bewertung der Duktilität von überstehenden Stirnplattenverbindungen. Engineering Structures, 26(9), 1185–1206. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001

;