Schrauben und Schraubenverbindungen

Schraubenmodell gemäß CBFEM

IDEA StatiCa verfügt über eine einzigartige Methode in seinem Solver, die Komponentenbasierte Methode der finiten Elemente (CBFEM). Das in CBFEM verwendete Schraubenmodell wird beschrieben und anhand mehrerer Stahlbaunormen verifiziert. Die Lasttragfähigkeit und Verformungskapazität werden zudem mit den wichtigsten experimentellen Forschungsprogrammen verglichen.

In der Komponentenbasierten Methode der finiten Elemente (CBFEM) wird die Schraube mit ihrem Verhalten auf Zug, Querkraft und Lochleibung als Komponente durch abhängige nichtlineare Federn beschrieben. Die Schraube auf Zug wird durch eine Feder mit ihrer axialen Anfangssteifigkeit, dem Bemessungswert der Tragfähigkeit, der Fließinitiierung und der Verformungskapazität beschrieben. Für die Fließinitiierung und die Verformungskapazität wird angenommen, dass plastische Verformungen nur im Gewindebereich des Schraubenschafts auftreten.

In unserem theoretischen Hintergrund finden Sie weitere Informationen darüber, wie die CBFEM-Methode Schrauben beschreibt und verifiziert. Wenn Sie mehr über CBFEM im Allgemeinen erfahren möchten, ist der vollständige Allgemeine theoretische Hintergrund definitiv der beste Ausgangspunkt.

Schrauben gemäß Bemessungsnormen

Schauen wir uns an, wie CBFEM Schrauben aus der Perspektive einzelner Bemessungsnormen behandelt. Bisher unterstützt IDEA StatiCa acht Bemessungsnormen, in denen Bemessung und/oder konstruktive Durchbildung von Schrauben und vorgespannten Schrauben behandelt werden. 

Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß Eurocode

Die Anfangssteifigkeit und der Bemessungswert der Tragfähigkeit von Schrauben auf Abscheren werden in CBFEM gemäß Abschn. 3.6 und 6.3.2 in EN 1993-1-8 modelliert. Die Feder für Lochleibung und Zug weist ein bilineares Kraft-Verformungs-Verhalten mit einer Anfangssteifigkeit und einem Bemessungswert der Tragfähigkeit gemäß Abschn. 3.6 und 6.3.2 in EN 1993-1-8 auf.

Konstruktive Durchbildung 

Nachweise von Schrauben werden durchgeführt, wenn die Option in den Normeinstellungen ausgewählt ist. Abstände vom Schraubenmittelpunkt zu Blechrändern und zwischen Schrauben werden überprüft. Der Randabstand e = 1,2 und der Schraubenabstand p = 2,2 werden in Tabelle 3.3 in EN 1993-1-8 empfohlen. Benutzer können beide Werte in den Normeinstellungen ändern.

Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß AISC

Die Kräfte in den Schrauben werden durch die Finite-Elemente-Analyse bestimmt. Die Zugkräfte beinhalten Abhebekräfte. Die Schraubentragfähigkeiten werden gemäß AISC 360 - Kapitel J3 nachgewiesen.

Konstruktive Durchbildung 

Der Mindestabstand zwischen Schrauben und der Abstand vom Schraubenmittelpunkt zum Rand eines angeschlossenen Bauteils werden überprüft. Der Mindestabstand von 2,66-mal (in den Normeinstellungen editierbar) dem Nennschraubendurchmesser zwischen Schraubenmittelpunkten wird gemäß AISC 360-16 – J.3.3 überprüft. Der Mindestabstand vom Schraubenmittelpunkt zum Rand eines angeschlossenen Bauteils wird gemäß AISC 360-16 – J.3.4 überprüft; die Werte sind in Tabelle J3.4 und J3.4M angegeben.

Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß anderen Normen

• Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß CISC (Kanada)
• Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß chinesischer Norm (GB)
• Normnachweis von Schrauben gemäß Hong Kong Code (HKG)
• Normnachweis von vorgespannten Schrauben gemäß IS 800 (Indien)
• Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß SP (Russland)
• Normnachweis von Schrauben und vorgespannten Schrauben gemäß AS (Australien)

Konstruktive Durchbildung von Schrauben 

So werden die Abstände festgelegt

Randabstände, die für die Lochleibungstragfähigkeit von Schrauben verwendet werden, müssen für allgemeine Blechgeometrien, Bleche mit Öffnungen, Ausschnitten usw. relevant sein.

Der Algorithmus liest die tatsächliche Richtung des resultierenden Querkraftvektors in einer gegebenen Schraube und berechnet dann die für den Lochleibungsnachweis erforderlichen Abstände.

Der End- (e₁) und Randabstand (e₂) werden durch Unterteilung der Blechkontur in drei Segmente bestimmt. Das Endsegment wird durch einen 60°-Bereich in Richtung des Kraftvektors gekennzeichnet. Die Randsegmente werden durch zwei 65°-Bereiche senkrecht zum Kraftvektor definiert. Der kürzeste Abstand von einer Schraube zu einem relevanten Segment wird dann als End- oder Randabstand verwendet.

Die Abstände zwischen Schraubenlöchern (p₁; p₂) werden bestimmt, indem die umliegenden Schraubenlöcher virtuell um die Hälfte ihres Durchmessers vergrößert werden und dann zwei Linien in Richtung und senkrecht zum Querkraftvektor gezogen werden. Die Abstände zu den vergrößerten Schraubenlöchern, die von diesen Linien geschnitten werden, werden dann als p₁ und p₂ in der Berechnung berücksichtigt.

Verifikationsbeispiele

Wir haben mehrere Verifikationsbeispiele vorbereitet, um die Ergebnisse im Vergleich mit anderen Berechnungsmethoden zu überprüfen.

EN

• Geschraubte Verbindung – Stöße auf Querkraft
• Geschraubte Verbindung – Interaktion von Querkraft und Zug
• Gevouteter Knoten – Kapazitätsbemessung

AISC

• Geschraubte Stoßverbindung
• Geschraubte Flanschplatten-Momentenverbindung – LRFD
• Verlängerte Momenten-Stirnplattenverbindung – ASD

Patentierte Technologie für Tragwerksplaner

Wussten Sie, dass unser Schraubenmodell Teil eines US-Patents ist? Lesen Sie hier über unsere Erfolgsgeschichte. 

 Ein-Schrauben-Verbindung – unsere Lösung 

Manchmal muss der Ingenieur eine Verbindung mit nur einer Schraube ausführen, insbesondere wenn z. B. ein Gelenk, eine Aussteifung, ein Stab oder eine Diagonale vorgesehen ist. Um diese Art von Operation zu modellieren und zu berechnen, müssen Sie einen geeigneten Modelltyp des Bauteils definieren. Mehr darüber kann hier gelesen werden. 

Schrauben, Schweißnähte und Steifigkeit einer Verbindung

Sowohl Schrauben als auch Schweißnähte haben ihre Vor- und Nachteile. Einer der wichtigen Aspekte bei der Wahl einer Verbindung ist ihre geplante Steifigkeit. Im Allgemeinen ist eine geschraubte Verbindung nie so starr wie eine geschweißte Verbindung.  Wenn Sie eine Schraubenverbindung wählen, empfehlen wir, die Steifigkeit einer solchen Verbindung zu berechnen und die resultierende Steifigkeit in der Gesamtstruktur zu berücksichtigen. Sie können hier nachlesen, wie eine solche Berechnung aussieht und was sie beinhaltet, oder dieses Video ansehen.