DE2508592C3

DE2508592C3 - Konsole zum Anschluß eines Trägers an eine Stütze in Stahlskelett-Hochbauten

Info

Publication number: DE2508592C3
Application number: DE2508592A
Authority: DE
Inventors: Kaoru Hino Tokyo Mizukoshi; Kozo Itabashi Toyko Toyama
Original assignee: Kajima Corp; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Kajima Corp; Proterial Ltd
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1981-07-23
Also published as: DE2508592A1; US3960458A; JPS50130208A; JPS543525B2; DE2508592B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Konsole nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus der US-PS 17 44 600 bekannt.

Bei den bekannten Stahlskelettkonstruktionen aus Stützen mit Η-Querschnitt und Trägern mit I-Querschnitt trachtet man danach, am Träger wirksame Biegemomente und Querkräfte durch die Flansche und den Steg des Trägers auf die Säule zu übertragen. Die Konstruktion nach der US-PS 17 44 600 bedient sich hierzu außer der an den Flanschen des Trägers zu befestigenden Konsolen zusätzlich winkelförmiger Laschen, die am Steg des Trägers und an der Stütze verbolzt werden. Insgesamt ist somit ein beträchtlicher Aufwand an Montagematerial und -arbeit erforderlich, um einen Träger mit einer Stütze zu verbinden.

Wenn die äußeren Lasten allein über die an den Trägerflanschen befestigten Konsolen auf die Stützen übertragen werden, dann ergibt sich aufgrund der Zugspannung an der Anschlußplatte der Konsole, hervorgerufen durch ein Biegemoment am Träger, an den oberen und unteren Enden der Grundplatte der Konsole ein Hebeleffekt, der die Bolzen, mit denen die Konsole an der Stütze befestigt ist, zusätzlich zur

e>o Zugspannung einem Biegemoment aussetzt Dieser Hebeleffekt ist mit jenem vergleichbar, der auftritt, wenn man einen Nagel mit Hilfe eines Brecheisens auszieht.

Um diesen Hebeleffekt zu vermeiden, müßte man die Dicke der Konsolengrundplatte soweit vergrößern, daß eine gegen die auftretenden Biegekräfte ausreichende Steifigkeit gegeben ist. Hierdurch wird die Konsole relativ schwer.

Eine Verstärkung nur im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Grundplatte und Anschlußplatte der Konsole, wie in »Stahl im Hochbau«, 1947, Seite 62, beschrieben, hilft auch nicht weiter, weil die daran angrenzenden Bereiche der Grundplatte sich noch immer verbiegen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konsole der eingangs genannten Art zu schaffen, die relativ leicht ist und den Einsatz von Verbindungslaschen zwischen dem Trägersteg und der Säule entbehrlich macht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung ist eine Konsole geschaffen worden, die es zuläßt^einen Träger mit einer Säule ausschließlich über die I rägerflansche zu verbinden und die dabei gegenüber einer Konsole mit gleichmäßig dicker Grundplatte bei gleicher zulässiger Zugbelastung nur etwa ein Drittel des Gewichts aufweist

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen F i g. la und Ib zwei Konsolen nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Verbindung zwischen Konsole und Träger,

F i g. 3 eine Seitenansicht der Verbindung von F i g. 2, F i g. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 5 eine Verbindung zwischen Träger und Stütze mit zwei Konsolen von der Seite,

F i g. 6 eine Draufsicht auf die Konsolen an der Stütze bei der Verwendung nach F i g. 5,

F i g. 7 eine Ansicht von oben der Verbindung nach F ig. 5,

Fi g. 8 und 9 eine vierte und fünfte Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 10 eine Erläuterung der Belastungsverhältnisse, F i g. 11 eine Darstellung zu verwendeten Symbolen,

F i g. 12 ein Biegemomentendiagramm für die Grundplatte einer belasteten Konsole,

Fig. 13 ein Diagramm über die Zusammenhänge zwischen der Festigkeit der Verbindung zwischen Konsole und Stütze und der Lage der Bolzen bei verschiedenen Konsolen, und

Fig. 14 eine Teildarstellung, teilweise geschnitten, einer erfindungsgemäßen Konsole.

Fig. la zeigt eine Metallkonsole A, bestehend aus einer Grundplatte 7 zur Befestigung an einer Stütze und einer in der Mitte davon abstehenden Anschlußplalte 3 zum Anschluß an den Flansch eines Trägers. Die Anschlußplatte 3 ist an ihrer freien Längskante mit einer Abschrägung oder Auskehlung 3a versehen, die beim stumpfen Aneinanderschweißen von Konsole und Träger die Schweißraupe aufnehmen und damit die Schweißverbindung sehr widerstandsfähig machen soll.

Der Übergang zwischen der Anschlußplatte 3 und der Grundplatte 7 ist derart abgeschrägt, daß die Dicke der < undplatte 7 von der Verbindungsstelle mit der Anschlußplatte 3 ausgehend bis zu dem Bereich, in

welchem Bolzenlöcher 9 ausgebildet sind, gleichmäßig abnimmt Der Abschrägungswinkel hat, wie später noch erläutert wird, einen erheblichen Einfluß auf die Festigkeit der Konsole und bestimmt sich nach der Form der Grundplatte, dem aufzunehmenden Biegemoment und der Anordnung der Befestigungsbolzen. Die Bolzenlöcher 9 sind von Bolzenkopfsitzcn 8 umgeben, die einen festen Sitz der Köpfe von Bolzen oder Schrauben an der Konsole geben.

Die Konsole ist — ohne die spezielle Bemessung dir Abschrägung an der Grundplatte 7 — im wesentlichen vollständig beschrieben.

Hinzuzufügen ist, daß es in manchen Fällen vorteilhaft sein kann, zusätzlich auch den Steg des Trägers mit der Konsole zu verbinden. Zu diesem Zweck ist bei den in den Fi g. la und Ib beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zusätzlich eine Stegplatte 4 vorgesehen, die sich senkrecht zur Anschlußplatte 3 und der Grundplatte 7 erstreckt und mit beiden verbunden ist, und zwar als integraler Bestandteil der Konsole A (F i g. 1 a) oder als nachträglich daran angeschweißtes Bauelement, wie es in F i g. Ib dargestellt ist, wo auch eine Schweißraupe Sa zu erkennen ist Fig. Ib zeigt zugleich eine alternative Ausführungsform der Grundplatte bezüglich des Bereichs der Bolzenkopfsitze 8, der hier als ebener Streifen ausgeführt ist

Die Rückseite 7 J der Grundplatte 7 kann eben sein, wie dargestellt, oder eine andere, der Kontur der Stütze angepaßte Kontur haben.

Die F i g. 2 und 3 zeigen eine Verbindung zwischen einem Träger 2 und einer Konsole A entsprechend der Ausführungsform nach Fig. la in Draufsicht und von der Seite. Deutlich sind die verschiedenen Schweißnähte 5 und 6 zu erkennen, die den Träger 2 mit der Konsole A verbinden.

Die Au.sfü*- -ngsform nach F i g. 4 weist eine vertikale, .L,,, .wiichluß an einen Trägersteg bestimmte Stegplatte 4 auf, die gegenüber den vorgenannten Ausführungsformen verlängert ist und eine der horizontal verlaufenden, am Trägerflansch zu befestigenden Anschlußplatte 3 vergleichbare Länge aufweist. Die Kontaktfläche 4a für den Steg eines Trägers 2 wird dadurch erheblich vergrößert.

Die F i g. 5 bis 7 zeigen typische Verbindungen, wie sie unter Verwendung der Konsolen hergestellt werden können. Die Anschlußplatten 3 und Stegplatten 4 der Konsolen sind an die oberen und unteren Flansche sowie den Steg des Trägers 2 angeschweißt. Die Grundplatten 7 sind mit dem Flansch einet Stütze 1 mit w Hilfe von hochfesten Bolzen 10 verbunden. Diese Bolzen können genietet oder geschraubt sein.

Die F i g. 8 zeigt eine Konsolen-Ausführungsform B zur Befestigung am unteren Flansch eines Trägers 2. Diese Konsole B ist mit einer horizontalen Anschluß- π platte 11 versehen, in der Bolzenlöcher ausgebildet sind und auf die der untere Flansch eines an ihr zu befestigenden Trägers aufgelegt werden kann. Weiterhin ist an der Konsole B eine vertikal verlaufende Verstärkungsplatte 12 ausgebildet, die sich unterhalb wi der Anschlußplatte 11 in Richtung auf die Grundplatte 7 erstreckt. Bolzenkopfsitze 8 mit Löchern 9 darin sind wie bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen an der Grundplatte 7 ausgebildet. Diese Konsole ist als einstückiger Körper gegossen oder geschmiedet oder durch Walzen oder Strangpressen und nachfolgendem Schweißen hergestellt.

Die Fig.9 zeigt eine Konsole C mit einer Grundplatte 22, die ajf der einen Seite flach zum Anschluß an den Flansch einer Stütze 1 und auf der anderen Seite allmählich verdickt ausgebildet ist derart, daß die Verdickung in einen horizontalen Vorsprung 22a übergeht, der sich in einer angeschweißten Anschh'ßplatte 23 fortsetzt, die sich parallel zum Flansch eines an ihr anzuschließenden Trägers erstreckt und diesem als Auflage und Befestigungspunkt dient. Die Grundplatte weist passende Löcher 26 für Schrauben oder Bolzen auf. Die Dicke der Grundplatte am Fuß 23a der Anschlußplatte 23 ist größer als die Dicke des anzuschließenden Flansches, um dem gleichzeitigen Auftreten von Axial- und Querkräften Rechnung zu tragen. Die Länge der Anschlußplatte 23 ist ausreichend groß gewählt, daß in der Platte eine genügende Anzahl von Bolzenlöchern angebracht werden kann.

Es sollen nun Festigkeitsbetrachtungen an Hand der Fig. ."bis i 4 r ichfolgend angestellt werden.

Das Ende es Trägers 2 ist gewöhnlich einem Biegemoment M und gleichzeitig einer Querkraft Q unterworfen, wie durch entsprechende Pfeile in Fig. 10 angedeutet Diese Kräfte haben eine Zugspannung T und eine Druckbelastung N im Bereich der oberen und unteren Konsolen an der Stütze 1 zur Folge. Das Verhältnis zwischen den absoluten Werten dieser Kräfte und der Höhe H des Steges des Trägers 2 gehorcht der folgenden Beziehung:

\T\ = \N\ = M/H.

Andererseits gehorchen die Reaktionskräfte der Querkraft Q im Träger und Q\ bzw. Q₂ an den oberen bzw. unteren Konsolen der Gleichung:

Die Zugspannung Tarn oberen Flansch wird größer und <?i wird entsprechend kleiner und wird zu Null, wenn die Bolzen vom Flansch der Stütze gelöst werden. In dem zusammengesetzten System, in dem sich die Grundplatte der Konsole und der Flansch der Stütze gegenseitig tragen, da die fest angezogenen Bolzen 10 sie fest aneinanderpressen, trägt die Reibungskraft zwischen der Konsole und dem Flansch der Stütze dazu bei, der Querkraft zu widerstehen, die senkrecht zur Richtung der tragenden Oberflächen wirkt. Die Widerstandskraft Qo, die der Querkraft entgegenwirkt, hängt von der Spannung T₀ ab, unter der die Bolzen stehen, da letztere. Einfluß auf die Klemmwirkung zwischen Grundplatte und Flansch und dem Reibungskoeffizienten μ zwischen diesen hat. Wenn alle Bolzen der Konsole gleichmäßig angezogen sind, dann besteht zwischen den Größen Q₀, T₀ und μ die Beziehung

Wenn demnach die äußeren Kräfte Q kleiner sind als die Widerstandskraft Q), dann bietet die Konsole einen ausreichenden Widerstand gegen die Querkräfte. Wenn die Außenkraft Qo gleich oder größer als die Widerstandskraft Qo ist, dann muß die Zugkraft 7J der Bolzen vergrößert werden, oder man muß Konsolen verwenden, wie in F i g. 4 dargestellt. Die Querkraft wird selbstverständlich auf die oberen und unteren Konsolen über die Schweißnähte 5 übertragen, die die Konsolen mit dem Steg des Trägers verbinden.

Die Zugkraft Toder die Druckkraft Λ/in der Konsole geben nie zu irgendwelchen Problemen Anlaß, lediglich die Größe der Konsole muß entsprechend gewählt werden. Die Zugkraft wird aber über die Schweißnaht 6

vom Flansch des Trägers auf die Grundplatte 7 der Konsole übertragen und wirkt auf die Bolzen 10 als Zugkraft. Diese Zugkraft ist der von der Verbolzung hervorgerufenen Kraft entgegengerichtet. Wenn das Biegemoment als kritische Belastungsgröße der Verbindung angenommen wird, dann hängt diese Größe von der Art der Kor -öle und der Bruchfestigkeit der Bolzen ab. Gemäß der hrfindung ist die Konsole durch Gießen oder Schmieden oder durch Walzen bzw. Extrudieren und nachfolgendes Schweißen hergestellt, wodurch ihre Streckfestigkeit am meisten vorteilhaft beeinflußt werden kann.

Eine Winkelverbindung in einem Stahlgerüst, das erfindungsgemäße Konsolen verwendet, soll nachfo' gend mit solchen verglichen werden, in denen übliche T-förmige Verbindungsglieder oder Schweißplatten bekannter Art verarbeitet sind.

Bei einer Verbindung, wie sie in F i g. 10 dargestellt ist, wird das Biegemoment Af auf die Stütze in der Art übertragen, wie sie in Fig. 10 dargestellt. Es ruft entsprechende Zug- bzw. Druckkräfte Tund N hervor.

Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Konsole, worin die Buchstaben entsprechende Abmessungen veranschaulichen. Fig. 12 zeigt ein Belastungsdiagramm der Konsole nach F i g. 11, die einer Zugkraft Tunterworfen ist.

Es sei angenommen, daß eine Zugkraft, die auf die Bolzen 10 in dem Moment einwirkt, in dem die Grundplatte der Konsole sich gerade vom Flansch der Stütze löst die kritische Streckbelastung ist. Es wurde experimentell herausgefunden, daß diese kritische Belastung mit der Streckfestigkeit der Bolzen übereinstimmt

Es sei angenommen, daß die Grundplatte der Konsole sich vom Flansch der Säule in dem Moment löst, wo die Deformation der Grundplatte ihre Elastizitätsgrenze erreicht. Dies ist ein idealer Fall, bei weichem die Biegesteifigkeit der Grundplatte 7 und die Zugfestigkeit der Bolzen annähernd aufeinander abgestimmt sind.

Gleichungen, die diese Bedingungen wiederspiegeln, sind nachfolgend angegeben. Eine Querkraft Qac. die zwischen den Punkten A und Cund eine Querkraft Qa:. die zwischen den Punkten Cund fin Fig. 12 wirken, sind

QcE

bt²F 6 al '

+ k²) F

6ßl

T= Qce

O)

P = Qk + Qce ,
".8Tv .

Wenn man die Gleichungen (4), (1) und (2) in die Gleichung (5) einsetzt, ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Streckfestigkeit der Bolzen, den Dimensionen der Grundplatte und der Streckfestigkeit F der Grundplatte wie folgt:

worin b die Breite der Grundplatte und F die ^tr#»f~lrf ACliirt^it Hgr Grundplatte sind.

Da die Zugkraft 7~auf der einen Seite der Grundplatte angreift, entspricht sie Qce. d. h.

Die Zugkraft P, die auf die Bolzen auf einer Seite der Grundplatte einwirkt wird durch die nachfolgenden Gleichungen (4) und (5) angegeben, in der π die Anzahl der Bolzen ist die auf einer Seite der Grundplatte angeordnet sind, und die Streckfestigkeit eines Bolzens ist BTy.

br

I \ aß J

(6)

Eine zulässige Zugkraft To der Konsole wird unter Verwendung der Gleichung (3) durch die Gleichung (7) angegeben:

2Ta = 2 0, r

(7)

Unter Verwendung einer zulässigen Biegebelastung F/1,3 an Stelle von Fund einer zulässigen Zugbelastung BTa an Stelle von BTy und Elimination des Ausdrucks bt²F/6l aus den Gleichungen (2) und (6) und Substitution in die G leichung (7) ergibt sich, daß

21a - ^J —- nBTa,

1 + ak-

(8)

worin k die Steigung der Oberfläche der Grundplatte ist und a. die Position der Bolzen in bezug auf die Breite / der Grundplatte, wie in F i g. 11 dargestellt, bestimmt.

Wenn die Wirksamkeit der Verbindung angegeben wird als ein Verhältnis der zulässigen Gesamtbelastung der Bolzen zur zulässigen Gesamtbelastung der Konsole, dann sieht man, daß eine Konsole, mit der das Verhältnis Eins erreicht wird, für die betreffende Verbindung optimal gewählt ist

Fig. 13 zeigt im Diagramm einen Vergleich einer erfindungsgemäßen Konsole mit einer bisher üblichen T-förmigen Konsole. In dem Diagramm sind Kurven mit verschiedenem Parameter k über dem Wert λ ■■·■ -fgetragen, der von der Lage der Bolzen gemäß F i g. 11 abhängig ist

Die T-förmigen Konsolen werden im allgemeinen aus H-förmigen Stahiprofilen hergestellt Die Position der Bolzenlöcher ist bei ihnen entsprechend den Normen gewählt die vom japanischen Architekturinstitut angegeben sind, so daß der Wert χ eine im wesentlichen konstante Größe zu 0,44 ist Die Dicke einer Grundplatte bei bekannten T-förmigen Konsolen ist konstant, woraus ein Faktor k= 1,0 resultiert. Die Wirksamkeit oder Güte der Verbindung wird aus dem Diagramm unter Zugrundelegung dieser Werte ermittelt Das Ergebnis ist 0,6. Dies bedeutet daß die Streckfestigkeit der bekannten Konsole nur 60% der zulässigen Gesamtbelastung der Bolzen ist Dieser Prozentwert wurde durch experimentelle Untersuchungen bestätigt Wenn man eine dickere Grundplatte für die Konsole verwendet dann ist das nur eine Möglichkeit um die Verbindungsgüte zu erhöhen.

Im Gegensatz hierzu kann der Wert k sehr groß sein, da jede beliebige Gestalt der Konsole beim Gießen, Schmieden oder Walzen bzw. Extrudieren und Schweißen gewählt werden kann. Daher wird die Verbindungsgüte bei einer Konsole gemäß der Erfindung sehr viel höher als bei den bekannten Verbindungsgliedern. Es lassen sich Steigerungen um 50% erreichen.

Damit die benötigten Stahlsorten von erfrndungsge-

mäßer Konsole und bekannter T-förmiger Konsole miteinander verglichen werden können, ist nachfolgend Tabelle 1 angegeben, in der die Querschnittsflächen, die in Fig. 14 schraffiert dargestellt sind, solcher Bauelemente, die gleiche Streckfestigkeil aufweisen, aufgeführt sind.

Tabelle 1 (F = 3,3 io/cm\ BTa	= 11,8 to)	gemäß der I (mm)	Erfindung Qucrsehnittsliiche A (cm²)	Konsole mit I (mm)	k = I (Stand derTcchnik) Quersehnittsflüche .4 (cm³)
Zulässige Zugbelastung Ta (to)	Konsole k	Il 9 7 6	13,75 13,95 12,95 12,90	36 43 45 46	34,2 40,9 42,8 43,7
17,4 20,1 21,4 22,1	2 3 4 5

Mit größer werdendem Wert k wird auch die zulässige Belastung Ta größer, obgleich die Querschnittsfläche bei der erfindungsgemäßen Konsole kleiner wird. In der Tabelle sind außerdem die Dicke und die Querschnittsfläche der bekannten Konsolen aufgeführt. Man sieht hieraus, daß die erfindungsgemäßen Konsolen bei bemerkenswert geringeren Stahlmengen die gleichen Festigkeiten zeigen wie bekannte Konsolen, die sehr viel schwerer sind.

Unter der Annahme, daß die Flanschdicke des Trägers U und die Dicke am Fuß der horizontalen Anschlußplatte der Konsole / ist, wurde theoretisch ermittelt und experimentell bewiesen, daß die Streckfestigkeit der Verbindung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Konsole so groß ist wie 70 bis 80% der Streckfestigkeit des Trägers, wenn I=U- Die Streckfestigkeiten sind gleich groß, wenn r=1,5 tr.

Hier/u 5 Blatt Zcichnunucn

130 230/165

Claims

Patentansprüche:

1. Konsole zum Anschluß eines im Querschnitt I-förmigen Stahlträgers an eine im Querschnitt H-förmige Stahlstütze in Stahlskelett-Hochbauten, bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen, an der Stütze mittels Bolzen zu befestigenden Grundplatte und einer in der Mitte davon rechtwinklig abstehenden, zur Befestigung an einem Flansch des Trägers bestimmten Anschlußplatte, wobei die Dicke der Grundplatte von den Bolzenlöchern bis zur Verbindungsstelle mit der Anschlußplatte linear zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Grundplatte (7, 22) an der Verbindungssteile mit der Anschlußplatte (3, 23) etwa das 3- bis 5fache der Dicke im Bereich der Bolzenlöcher (9) beträgt.

2 Konsole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen der Grundplatte (7) und der Anschlußplatte (3) im Querschnitt kreisbogenförmig ausgebildet ist.

3. Konsole nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußplatte (23) an der Grundplatte (22) stumpf angeschweißt ist. 2 >

4. Konsole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grundplatte (7) zusätzlich eine in die Anschlußplatte (3) mündende, vertikal verlaufende, für den Anschluß des Steges eines Trägers (2) bestimmte Stegplatte (4) jo ausgebildet ist.

5. Konsole nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegplatte (4) an der Grundplatte (7) und der Anschlußplatte (3) angeschweißt ist.

6. Konsole nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegplatte (4) etwa so lang wie die Anschlußplatte (3) ist.

7. Konsole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grundplatte (7) um die Bolzenlöcher (9) Bolzenkopf- w sitze (8) ausgebildet sind.