Fachwerke aus Hohlprofilen zählen zu den am häufigsten im Stahlhochbau ausgeführten Konstruktionen. Der Einsatz hochfester Stähle ermöglicht Bauweisen mit geringerem Materialeinsatz und hohen Tragfähigkeiten. Zur Ausnutzung dieses Verbesserungspotentials mit Blick auf Wettbewerbsfähigkeit und Ressourceneffizienz erfordert es effiziente Bemessungsregeln.

Die aktuellen Bemessungsregeln für Anschlüsse mit Hohlprofilen wurden durch Versuche an normalfeste Stähle bis S355 validiert. Diese Regeln gehen von der Annahme aus, dass lokale Spannungsspitzen als Folge ungleichförmiger Steifigkeitsverteilung im Knoten durch plastische Lastumlagerung abgebaut werden und somit rechnerisch unberücksichtigt bleiben können. Es stellt sich die Frage, ob die lokalen Spannungsspitzen bei hochfesten Stählen berücksichtigt werden müssen, da deren hohe Streckgrenze und eingeschränkte Duktilität nur ein begrenztes Plastizieren zulassen.

Für K-Knoten wurde die Zuverlässigkeit der existierenden Abminderungsfaktoren für hochfeste Stähle durch umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen ermittelt. Zur Erreichung dieses Ziels wurden aufwändige Großbauteilversuche unter statischer Belastung an 19 K-Knoten und 12 X-Knoten aus den hochfesten Stahlsorten S460NH, S620QH und S890QLH durchgeführt. Die Durchführung der Versuche an K-Knoten erfolgt in einem Prüfstand an der MPA Universität Stuttgart bei dem über drei unabhängige Prüfzylinder beliebige Kombination (Druck und Zug) aus Gurt- und Strebenkräften erzeugt werden können. 
          
Durch fortschrittliche numerische Simulationen unter Verwendung innovativer schädigungsmechanischer Modelle konnten die Versagensmechanismen der Hohlprofilanschlüsse numerisch abgebildet und genau erfasst werden, was weitere umfassende Analysen und Untersuchungen ermöglichte.

Durch das Forschungsvorhaben wurden die Bemessungsregeln für Hohlprofilknoten mit K-Form in Bezug auf die einzelnen Versagensmodi überprüft um ggf. eine Anpassung der Abminderungsfaktoren für hochfeste Stähle vorzunehmen. Es wurden Empfehlungen für die Praxis entwickelt, die als Basis für eine normative Regelung im Bauwesen dienen und eine effiziente Bemessung geschweißter Hohlprofilknoten mit K-Form aus hochfesten Stählen ermöglichen. Dadurch wurden ökonomische sowie ökologische Vorteile, etwa durch Kosten- und Energieeinsparung bei geringem Materialaufwand, für die KMU orientierte Stahlbaubranche und die qualitätsorientierte Stahlindustrie erschlossen.

FOSTA P1503 - Hochfeste K-Knoten 
Effiziente Bemessung hochfester Hohlprofilknoten mit K-Form
Laufzeit: 01.10.2020 – 30.06.2024
Forschungsvereinigung: FOSTA - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.

Forschungsstellen RWTH Aachen University
Institut für Stahlbau
Mies-van-der-Rohe-Str. 1
52074 Aachen, Germany

Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann
Dr.-Ing. Helen Bartsch
Mirco Meissner M.Sc. (Bearbeiter) Universität Stuttgart
Institut für Konstruktion und Entwurf
Pfaffenwaldring 7
70569 Stuttgart, Germany

Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann
Wigand Knecht M.Sc. (Bearbeiter)

• Ummenhofer, T.; Weidner, P.; Münch, A.; Kuhlmann, U. et al. (2022) Statische Tragfähigkeit von geschweißten, hochfesten Hohlprofilknoten. Stahlbau 91, H. 10, S. 633–646. https://doi.org/10.1002/stab.202200056
• Stroetmann, R.; Hensel, J.; Kuhlmann, U.; Ummenhofer, T. et al. (2022) Ausführung und Fertigung von geschweißten, hochfesten Hohlprofilen. Stahlbau 91, H. 10, S. 647–659. https://doi.org/10.1002/stab.202200053
• Kuhlmann, U.; von Arnim, M.; Gölz, L.; Hofmann, G.; Knecht, W.; Mönch, S.; Pourostad, V.; Stempniewski, L. (2024) Steel and composite bridges – Enabling sustainable solutions. Steel Construction, Vol. 17, Issue 1, pp. 1-10. https://doi.org/10.1002/stco.202300035
• Kuhlmann, U.; Knecht, W.; von Arnim, M.; Gölz, L. (2024) Design of high-strength and ultra-high strength steels in the frame of Eurocode 3. Australasian Structural Engineering Conference (ASEC). ISBN 978-1-925627-76-3.