Starre momentbeständige Beam-to-HSS-Säulenverbindungen

Es gibt eine Reihe von gemeinfreien Verbindungslösungen für momentbeständige Rahmen unter hoher seismischer Belastung, die als vorqualifizierte Designs in AISC 358 verfügbar sind, jedoch beziehen sich keine davon direkt auf hohle strukturelle Profilelemente. Dieses Fehlen von hochfesten seismischen Momentverbindungen für Hohlprofile wird in Nordamerika manchmal als Hindernis für die Verwendung von HSS-Säulen in solchen Rahmen wahrgenommen (wobei erkannt wird, dass W-Profile typischerweise für Träger gewählt werden).

Membranansatz

In Japan gibt es eine sehr hohe Nutzung von Hohlprofilen als Säulen in starr verbundenen momentfesten Stahlrahmen, da solche Verbindungen vorqualifiziert sind und die Fertigungsbetriebe mit dieser Bauweise sehr vertraut sind. Um die volle Momentkapazität zu erreichen, werden unter Verwendung eines (empfohlenen) Entwurfsverfahrens für starke Säulen und schwache Balken in der Regel Quersäulen-Versteifungen benötigt, um axiale Lasten in den Balkenflanschen zu übertragen. Diese (zwei) Versteifungen können entweder intern, extern oder durch Membranen sein, von denen Beispiele in Abb. 1.

Abb. 1: Membrananschluss an RHS-Säule: (a) extern; (b) durch

Entwurfsverfahren für diese Membrananschlussarten sind in Kapitel 8 des CIDECT-Entwurfsleitfadens Nr. 9 für Verbindungen zu HSS-Säulen (2004) angegeben. Die durchgehende Blende (Fig. 1 (b)) ist in Japan am beliebtesten, aber das Verfahren zur Herstellung von Membran zu Säule ist dort jetzt standardisiert und wird größtenteils von Schweißrobotern in der Werkstatt durchgeführt. Diese Technik und die daraus resultierende erwartete Qualität sind für Geschäfte, die mit einer solchen Herstellung nicht vertraut sind, schwer zu erreichen. Die externe Membranmethode zur Versteifung der Säule ist eine praktische Alternative für eine breite Implementierung; es ist viel einfacher herzustellen und die geformten Membranen können über eine HSS-Säule geschoben werden, ohne das Säulenteil zu schneiden. Dieses Konzept wurde bereits anderswo in schweren seismischen Regionen angewendet (z.B. Abb. 2).

Abb. 2: Externe membran zu runde HSS spalte verbindung (Auckland flughafen, Neuseeland)

Proprietären Verbindungen

AISC 358 hat präqualifiziert die ConXtech® ConXL™moment verbindung für Spezielle Moment Rahmen (SMFs) und Zwischen Moment Rahmen (IMFs), mit strahl klar spanne-zu-tiefe verhältnisse ≥ 7 (für SMFs) und ≥ 5 (für IMFs), und 16 in. quadratische Säulen. ConXtech® (www.conxtech.com ) hat auch die ICC-ES-Qualifikation für eine andere Version, die ConXR™ Moment Connection, für kleinere Säulen erhalten. Diese proprietäre Verbindung (dargestellt in Fig. 3) besteht aus Kragenanordnungen, die einen Kompressionskragen um eine quadratische HSS-Säule bilden, wenn sie mit hochfesten vorgespannten Schrauben befestigt werden. Zwischen der Säule (betoniert) und bis zu vier W-Profilträgern wird eine starre biaxiale Fixierung ohne Feldschweißen erreicht. Säulenkragen (mit einer 3D-Verjüngung) werden zunächst an allen vier Ecken der Säule und Balkenkragen (ebenfalls verjüngt) an den oberen und unteren Balkenflanschen ladengeschweißt, dann werden die Balken vor Ort in ihre Stützen auf der Säule abgesenkt und schließlich werden die Teile zusammen mit diagonalen Schrauben an den Säulenecken festgezogen. Die Kragen (geschmiedet und maschinell bearbeitet) sind so konstruiert, dass sie im Wesentlichen elastisch bleiben und eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um das Einklappen der Balken zu erzwingen. Bei herkömmlicher Momentenrahmenkonstruktion wird die Anzahl der Momentenrahmen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit auf ein Minimum beschränkt, aber mit diesem Rahmensystem wird ein „verteilter momentenwiderstehender Raumrahmen“ erreicht, da alle oder die meisten Balken-Säulen-Verbindungen momentenwiderstehend sind und dies zu einer viel größeren Redundanz und Robustheit führt, mit erhöhter Beständigkeit gegen progressives Kollabieren (AISC 358). Dieses patentierte biaxiale Rahmensystem von ConXtech® mit Sitz in Kalifornien ist nach AISC 358 für nur 16 Zoll präqualifiziert. derzeit quadratische UND mit Beton gefüllte Säulen.

Abb. 3: Modell der ConXtech® ConXL™ Momentverbindung und mit entferntem Strahl

Ein weiteres seismisches Momentverbindungssystem, das möglicherweise auf quadratische und rechteckige HSS anwendbar ist, aber derzeit nicht von AISC 358 präqualifiziert ist, ist SidePlate® (www.sideplate.com ). Dieses System benutzt eine Reihe geschweißte-auf Platten, um eine steife, örtlich festgelegte planare Verbindung zwischen der Spalte und dem W-Abschnittstrahl(s) herzustellen. In der Werkstatt werden Flanschdeckplatten an die Ober- und Unterseite des Trägers (der Träger) geschweißt, und Seitenplatten werden an zwei Seiten der Säule geschweißt. Vor Ort kann bei der neuesten Ausführungsform dieses Systems die Verbindung durch Verschrauben der Balkenabdeckplatten mit von den Säulenseitenplatten abstehenden Winkeln vervollständigt werden. Dieses Konzept hat das Potenzial für die Entwicklung als präqualifizierte proprietäre seismische Momentverbindung für HSS-Säulen.

Verschraubte Endplatten oder Halterungen für Beam-to-BEAM-Säulenverbindungen

Das Sortiment an vorqualifizierten Verbindungen in AISC 358 umfasst verschraubte, nicht versteifte und versteifte verlängerte Endplattenmomentverbindungen sowie die Kaiser Bolted Bracket, eine proprietäre Form mit versteiften Stahlgusshalterungen. Diese Standard- und proprietären Verbindungen wurden für die Verwendung mit W-Profilsäulen entwickelt. Die Anpassung solcher Konfigurationen an HSS-Säulen erfordert die Entwicklung von Lösungen, die sich mit dem Problem lokaler Verformungen in der Verbindungssäulen-Stirnfläche befassen.Das Erreichen der vollen Steifigkeit sowie der Momentüberfestigkeit bei direkten Schraubverbindungen mit den Stirnseiten von HSS-Säulen kann schwierig und oft unpraktisch sein, da die Säulenwände typischerweise auf irgendeine Weise verstärkt werden müssen; zum Beispiel durch Hinzufügen von Kragen oder Kragenplatten. Abb. 4 veranschaulicht eine mögliche Lösung für eine Endplattenverbindung mit einer betongefüllten HSS-Säule unter Verwendung langer „Durchgangsbolzen“. Zwei-Wege-Verbindungen könnten detailliert sein, so dass die Bolzen oder Stangen leicht versetzt sind.

Abb. 4: Endplattenverbindungen zu einer mit Beton gefüllten Säule mit langen „Durchgangsbolzen“