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.

Tubular brace members with cast steel connectors under seismic loading.
Although concentrically braced frames are an efficient and popular choice for the lateral force resisting systems of mid- to low-rise steel frames, their bracing connections may be prone to premature failure unless complex design and fabrication procedures are undertaken. Frames utilizing Hollow Structural Section (HSS) braces, slotted to receive a concentric welded gusset plate, are particularly susceptible to connection fracture due to stress concentrations arising from the shear lag phenomenon at the net-section.
To address this issue, a cast steel connector was developed at the University of Toronto that provides a bolted connection between a circular hollow section (CHS) brace and a typical corner gusset plate. Unlike standard, fabricated, slotted-tube type connections, the cast connector is designed such that shear lag in the brace member is virtually eliminated. Thus, there is no need for cumbersome reinforcing plates in the connection region. The connector was designed using solid modeling software and finiteelement analysis, and cast using ASTM A958 grade steel, which is very similar to most wrought grades.
This paper presents the results of a series of full-scale brace tests in which four moderately slender, compact, cold-formed CHS brace assemblies were cyclically loaded to failure. Each of the brace assemblies employed a different size of CHS and cast steel connector, with the latter in turn bolted to a typical corner gusset plate. Each of the tests followed the buckling restrained brace protocol specified in the American Institute of Steel Construction (AISC) Seismic Provisions. All of the braces survived several cycles beyond the protocol and failed in tension at the center of the brace. In each test the cast steel connectors showed no sign of yielding, illustrating that the use of a cast steel connector is a viable means of connecting CHS brace members for seismic applications.