Erforschung und Herausforderungen der Kerntechnologie der Montage von Stahlbauknotenpunkten

01 Übersicht der montierten Stahlbauknoten

Bei der von China im Laufe der Jahre geförderten Entwicklung von zusammengesetzten Gebäuden haben sich die zusammengesetzten Knoten aus quadratischen Stahlsäulen und -trägern aufgrund ihrer hohen Effizienz und ihrer Vorteile für den Umweltschutz allmählich zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt. Die montierte Stahlkonstruktion unterscheidet sich deutlich von der traditionellen Gebäudestruktur, da sie in der Fabrik vorgefertigt wird, was den Zeitaufwand und die Ungewissheit beim Bau vor Ort verringert und auch die ökologischen Eigenschaften des Gebäudes verbessert. Stahlbauten werden von Ingenieuren wegen ihrer hohen Festigkeit und ihrer guten seismischen Eigenschaften bevorzugt. Bei montierten Stahlkonstruktionen gibt es verschiedene Arten von Verbindungsknoten für quadratische Stahlstützen und -träger, wie z. B. Muffenverbindungen, modulare Stützen-Träger-Verbindungen, Träger-Stützen-Endplatten-Verbindungen, freitragende Stützen-Stützen-Träger-Verbindungen und Träger-Durchgangsverbindungen, die Gegenstand umfangreicher Forschung waren.

[Hintergrund und Entwicklung]

Im Jahr 2016 hat China eine Reihe von Stellungnahmen zur Umsetzung der Entwicklung der Bauindustrie herausgegeben, in denen die Zielrichtung für die Förderung der Entwicklung des Montagebaus klar vorgegeben ist. Herkömmliche Stahlkonstruktionsknoten werden meist geschweißt, aber das Schweißen vor Ort ist nicht nur ineffizient, sondern wird auch von der Umgebung und den Betriebsbedingungen beeinflusst, was es schwierig macht, die Qualität der Schweißnähte zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu werden Stahlbauknoten in Fabriken vorgefertigt, ohne dass sie vor Ort geschweißt werden, was nicht nur die Effizienz und Qualität der Konstruktion verbessert, sondern auch den Energieverbrauch, den Verbrauch nicht erneuerbarer Ressourcen und die Kohlendioxidemissionen aufgrund der umweltfreundlichen Konstruktion verringert, was dem Konzept des grünen Bauens entspricht.

[Typ des Verbindungsknotens]

In montierten Stahlkonstruktionen gibt es viele Arten von Verbindungsknoten für quadratische Stahlstützen und -träger, wie z. B. Muffen und modulare Knoten, die mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, Installationsanforderungen und Tragfunktionen kombiniert werden. Diese Knotenpunkte mit ihren unterschiedlichen Konstruktions- und Verbindungsmethoden bieten oft eine hervorragende seismische Leistung und einen hervorragenden Energieverbrauch, was die Entwicklung von montierten Gebäuden entscheidend unterstützt.

02 Anschlussknoten vom Typ Muffe

Bei montierten Stahlkonstruktionen ist der Muffenknoten eine wichtige Verbindungsmethode, die in Bezug auf Entwurf und Leistung viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat.

[Konstruktion und Leistung von Hülsenknoten]

Ummantelte Knoten sind so konzipiert, dass sie ohne Schweißnähte auskommen und vollständig verschraubt sind. Sie können in der Fabrik vorgefertigt werden und weisen somit eine hervorragende seismische und energieverbrauchende Leistung auf. Li Liming und andere schlugen einen Knoten mit vollständig verschraubter Außenhülse und H-Träger-Stützen-Verbindung vor. Nach einer eingehenden Untersuchung des seismischen Verhaltens des Knotens wurde festgestellt, dass der Knoten nicht nur ein ausgezeichnetes seismisches Verhalten, sondern auch einen hervorragenden Energieverbrauch aufweist und dass das seismische Verhalten und die Steifigkeit des Knotens durch eine angemessene Vergrößerung der Dicke der Außenhülse weiter verbessert werden können. Die Installation dieses Knotens ist jedoch kompliziert, und die größte Herausforderung besteht darin, dass der Installationsprozess innerhalb der Beschränkungen des geschlossenen Querschnitts von quadratischen Stahlstützen durchgeführt werden muss, was den Montageprozess relativ mühsam macht.

Wang Yan et al. untersuchten die Anwendung von Zugbolzen in Träger-Stützen-Verbindungsknoten von montierten Stahlkonstruktionen, insbesondere für die beiden Knotenarten innere Hülse und äußere Hülse. In dieser Literatur wurde ein innovativer Balken-Stützen-Knoten mit Innenhülse und T-Stück vorgestellt, der quadratische Stahlstützen, Innenhülsen, T-Stücke und H-Träger kombiniert und mit Hilfe von hochfesten Schrauben und Zugbolzen sicher verbunden wurde.

(Herausforderungen bei der Installation und Gestaltung von Hülsenknoten)

Die Untersuchung zeigt, dass der Abstand zwischen der inneren Hülsendicke und der Säulenwand einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Knotens hat und streng kontrolliert werden muss. Wenn die Dicke der Hülse die Dicke der Säulenwand um einen bestimmten Wert übersteigt, ist die Hystereseleistung des Knotens am besten. Bei der Konstruktion des Knotens mit Innenhülse stellt sich jedoch das gleiche Problem: Die Verwendung von Zugbolzen führt zu einer symmetrischen konkaven Biegung, die sich bis zu einem gewissen Grad auf die Energieverbrauchskapazität des Knotens auswirkt.

03 Modulare Anschlussknoten

Modulare Knotenpunkte, die für ihre Vorfertigung und schnelle Montage bekannt sind, stellen einen wichtigen Forschungsbereich für montierte Stahlkonstruktionen dar.

[Modularer Knotenentwurf und Leistungsstudien]

Modulare Knoten, bei denen quadratische Stahlsäulen und -träger mit vollständig verschraubten Verbindungen kombiniert werden, weisen eine gute Duktilität sowie eine hohe Energieaufnahmekapazität auf. Xuechun Liu und andere Forscher führten eine eingehende Finite-Elemente-Modellierung und -Analyse von geschweißten, geschraubten und hybriden geschraubt-geschweißten Knoten durch, bei der die vollständig geschraubten Knoten eine gute Tragfähigkeit und Duktilität aufwiesen.

In der Arbeit von Liu Xuechun et al. wurde der modulare Knoten einer vollständig verschraubten Verbindung zwischen einer quadratischen Stahlsäule und einem H-Träger eingehend untersucht, indem die Dicke der Flanschplatte verändert, die Dicke der Schrauben verändert und die Anzahl der Schrauben auf der Deckplatte angepasst wurde, um die Leistung des Knotens in allen Aspekten zu analysieren, und es wurde festgestellt, dass die Energieverbrauchskapazität des Knotens effektiv verbessert werden konnte, sobald die Anzahl der Schrauben erhöht wurde. Es wurde festgestellt, dass die Energieverbrauchskapazität des Knotens effektiv verbessert werden konnte, sobald die Anzahl der Schrauben erhöht wurde.

Seismische Untersuchung von modularen Knotenpunkten

Eine Verringerung des axialen Druckverhältnisses der Säulen und das Hinzufügen von Versteifungsrippen bei der Konstruktion von modularen Knoten kann die Leistung effektiv verbessern. Eine Studie hat gezeigt, dass solche Konstruktionsinitiativen in der Praxis die Tragfähigkeit und Stabilität der Knoten erhöhen können, aber die Konstruktionslücken in den Knoten, die das modulare Gebäude mit dem Fundament verbinden, schränken seine weitere Expansion und sein Potenzial für Hochhausanwendungen ein.

04 Knotenpunkt eines freitragenden kurzen Trägers und Endplattenanschluss

Die Verbindung zwischen der quadratischen Stahlsäule und dem kurzen Kragbalken kann flexibel gestaltet werden, um unterschiedliche Konstruktionsanforderungen zu erfüllen.

Vielfältiger Entwurf von kurzen freitragenden Balkenknoten

Die Kombination von quadratischen Stahlsäulen und freitragenden Trägern wurde entwickelt, um den Spannungszustand des oberen Flansches des Knotens zu verbessern, indem die I-Träger- und Doppelkanal-Stahlknoten getestet wurden. Einige Wissenschaftler, wie z. B. Guo Zhipeng, haben eingehende Studien zum seismischen Verhalten der Verbindungsknoten von quadratischen Stahlsäulen mit Z-förmigen freitragenden Trägern und geschwächten Trägern durchgeführt, und die I-Träger-Knoten zeigen eine stabile Energiedissipation, während die Doppelkanalträger-Knoten im geschwächten Bereich instabil sind.

[Dauerhaftigkeit und Verbesserung von Endplattenverbindungen]

Endplatten-Verbindungsknoten, die durch den Einbauraum für die Schrauben begrenzt sind und somit eine Herausforderung für die Mensch-Maschine-Interaktion darstellen. Die unidirektionale Schraubentechnologie bietet eine verbesserte Idee für den Endplattenknoten. Die Tragfähigkeit und die Rotationsfähigkeit des Knotens müssen weiter theoretisch untermauert werden. Li Guoqiang und andere Wissenschaftler haben auf innovative Weise die Einwegbolzen-Technologie für den Endplattenknoten eingeführt und damit eine Lösung geschaffen, die kein Schweißen vor Ort erfordert.

05 Strahl durch den Knoten

Durchlaufknoten sind aufgrund ihrer einfachen Konstruktion für montierte Stahlkonstruktionen geeignet.

[Anwendung und Herausforderungen von Strahlendurchdringungsknoten]

Die Art von Knoten, bei der die Träger durch die Knoten hindurchgeführt werden, ist für niedrige Gebäude intelligent und praktisch, aber sobald sie die oberen Stockwerke erreichen, kann es zu Problemen mit der Tragfähigkeit des Knotens kommen. Liu Haojin und einige andere Experten führten eine gründliche Untersuchung durch und fanden heraus, dass das Verhältnis der Stützen aufgrund des axialen Drucks einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Knotens hat. Wenn das Verhältnis der Spalten aufgrund der axialen Druck zu groß ist, dann kann der Knoten erscheinen die Art der Spalte Querschnitt ist leicht zu knacken, die Schäden Zustand, so wird vorgeschlagen, das Verhältnis der Spalten aufgrund der axialen Druck ist nicht mehr als 0,3.

Die Entwicklung zusammengesetzter Stahlkonstruktionen hat nicht nur die Effizienz der Bauarbeiten verbessert, sondern ist aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit und ihrer hervorragenden Bauleistung auch zu einem wichtigen Wegweiser für die künftige Entwicklung des Bauwesens geworden. Dennoch stehen die verschiedenen Arten von Knotenpunkten immer noch vor einer Vielzahl technischer Herausforderungen, die weiter erforscht und erkundet werden müssen, um die breite Anwendung von montierten Stahlkonstruktionen im Bauwesen zu fördern.