Hohlprofilstreben mit Verbindungselementen aus Stahlguss unter Erdbebenbelastung

Durch Diagonalen ausgesteifte Rahmentragwerke sind effiziente und gern verwendete Konstruktionen in halbhohen bis niedrigen Stahlbauten. Allerdings sind die Strebenverbindungen immer ein Schwachpunkt, sofern nicht aufwendige Entwurfs- und Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Rahmen mit Hohlprofilstreben, die so geschlitzt werden, dass eine zentrische Lasche eingeschweißt werden kann, sind insbesondere anfällig für Verbindungsversagen aufgrund von Spannungsspitzen im Nettoquerschnitt.

Um dieses Problem zu vermeiden, wurde an der Universität von Toronto ein Stahlguss verbindungselement entwickelt, das eine geschraubte Verbindung zwischen einer Rundhohlprofilstrebe und einem typischen Knotenblech ermöglicht. Im Gegensatz zur typischen geschlitzten Hohlprofilverbindung wurde das Stahlgussverbindungselement derart entwickelt, dass ein Versagen durch örtlich begrenzte Lasteinleitung im Strebenelement praktisch ausgeschlossen ist. Auf diese Weise können lästige Verstärkungsbleche vermieden werden. Das Verbindungselement wurde mit FE-Analysen auf Basis von Volumenmodellen entwickelt und aus Stahl der Güteklasse ASTM A958 gegossen, welcher den üblichen Baustählen sehr ähnlich ist.

Im folgenden Beitrag werden die Ergebnisse einer Serie von Versuchen an Streben in Originalgröße vorgestellt. Hierbei wurden vier moderat schlanke, kompakte Streben aus kaltverformten Rundhohlprofilen zyklisch bis zum Versagen beansprucht. Die Strebenanordnungen bestanden aus verschiedenen Rundhohlprofil- und Verbindungselementgrößen, wobei das Verbindungselement jeweils mit einem typischen Knotenblech verschraubt wurde. Alle Versuche erfolgten entsprechend der Vorgaben für knickresistente Streben in den Erdbebenvorschriften des amerikanischen Instituts für Stahlkonstruktionen (AISC). Alle Streben überstanden mehrere, über die Anforderungen hinaus gehende Zyklen und versagten auf Zug in der Strebenmitte. Die Stahlgussverbindungselemente zeigten in sämtlichen Versuchen keinerlei Anzeichen von Plastizierungen und illustrierten hiermit, dass die Verwendung dieser Bauelemente ein praktikables Mittel zum Anschluss von Rundhohlprofilstreben in seismischen Anwendungen darstellen kann.