Kondensierte Superelemente - unsichtbar, aber unverzichtbar

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Warum verhält sich das realistischste Verbindungsmodell noch realistischer?

Bis zum Erscheinen der Version 21 gab es nicht viele Möglichkeiten, die Stahlträgeranschlüsse realistischer zu modellieren als mit dem Programm IDEA StatiCa. Aber dennoch gab es Situationen, in denen die Randspannungswerte ungenau waren und nicht dem realen Verhalten der Stahlträger entsprachen. Es war nicht einfach, den richtigen Weg zu finden, um sich auf den Anschlussentwurf zu konzentrieren, nur den Bereich in der Nähe des Strukturknotens zu lösen und gleichzeitig das Verhalten der restlichen angeschlossenen Stäbe zu berücksichtigen. 

Aber das Entwicklungsteam hat es geschafft, den Weg zu finden. Sie haben das Modell drastisch vergrößert, indem sie Stabteile hinzugefügt haben, die nicht sichtbar sind, aber für das gesamte Modell wesentlich sind. Diese Teile werden kondensierte Superelemente genannt und sie machen die ganze harte Arbeit mit der Verhaltensverbesserung. 

Diese Änderung stellt sicher, dass die in der Modellszene sichtbaren Enden der Stäbe gar nicht die Enden sind. In früheren Versionen waren die Endabschnitte in ihrer Ebene fixiert und oft konnten sich hier nicht realistische Spannungsspitzen entwickeln. Jetzt können sie verformen - sie können sich nicht nur innerhalb der Querschnittsebene, sondern auch senkrecht zu dieser Ebene verformen.

Insbesondere bei den Hohlprofilverbindungen zeigen die Ergebnisse eine bessere Übereinstimmung mit experimentellen Tests und Bemessungsformeln.

Auf der anderen Seite bedeutet diese Änderung auch, dass sich die Spannungsspitzen, die sich ursprünglich in den Endabschnitten befanden, näher an den Anschlussknoten bewegen können und werden. In einigen Fällen können die Verbindungselemente in "kondensierten Superelementen" größeren Kräften ausgesetzt sein.    

Drei Vorteile für Sie

Diese Verbesserung bringt auch sehr angenehme Nebeneffekte mit sich - die durch Schalenelemente simulierten Stabstümpfe können nun kürzer sein. Die Hauptvorteile dieser Änderung sind:    

  • 30% schnellere Berechnungszeiten im Durchschnitt 
  • Schnellere Visualisierung der Ergebnisse 
  • Genauere Modellierung von Hohlprofilanschlüssen  

Weitere großartige neue Funktionen und Verbesserungen, die mit der Version 21 eingeführt wurden, sind in unseren detaillierten Release notes aufgeführt.

Neue Stablängen

Unsere Anwender sind an die Standardlängen der Stäbe im Verbindungsbemessungsmodell gewöhnt. Sie waren abhängig von der Art des Querschnitts (hohl / offen).

Jetzt wird die Standardlänge für beide Typen auf den gleichen Wert von 1,25 x Querschnittshöhe gesetzt. Die Länge der kondensierten Superelemente beträgt 4 x Querschnittshöhe für die Standard-Spannungs-Dehnungsanalyse. Da wir die Knickformen in den Innenplatten des Anschlusses und nicht in den Stäben halten wollten, wird die Länge der Superelemente für die lineare Knick- und Steifigkeitsanalyse auf 0,5 x Querschnittshöhe gesetzt.

Obwohl diese Änderungen ursprünglich für die Verbesserung von Hohlprofilverbindungen vorgenommen wurden, halfen sie auch anderen Verbindungstypen, näher an das reale Verhalten heranzukommen.

Sie fragen sich vielleicht, was sind die Hauptauswirkungen? Zweifelsohne werden einige Ergebnisänderungen zwischen den Versionen auftreten. Bei der überwiegenden Mehrheit der Verbindungen liegen die Unterschiede in den Ergebnissen unter 1%. 

Fälle mit größeren Unterschieden bringen ein Augenmerk auf das Thema, wo die Praxis mit der Theorie kollidiert. Dieses Thema bezieht sich auf Torsionseffekte bei Profilen mit offenem Querschnitt. Aus verschiedenen Gründen werden diese Effekte von Statikern vernachlässigt und sind auch nicht in die FEM-Gesamtanalyseanwendungen eingebettet.  

Torsionseffekte

Nun, es ist keine Raketenwissenschaft, aber es muss auch nicht selbstverständlich sein. Bringen wir also etwas Theorie ins Spiel:

Abhängig von der Art des offenen Querschnitts, den Stabrandbedingungen und der Art der Belastung können zwei Arten von Torsionsverhalten auftreten, wenn man die Hypothese von Vlasov berücksichtigt: 

  • Pure (St. Venant) Torsion 
  • Gemischte Torsion, kombiniert aus pure Torsion und Verwindungstorsion
          • pure Torsion ist gekennzeichnet durch die innere Kraft Tt (pures Torsionsmoment) mit resultierender reiner Schubspannung τt 
          • Wölbkrafttorsion ist gekennzeichnet durch die Schnittgrößen B (bimoment) und Tw (Wölbkrafttorsionsmoment) mit resultierender Wölbkraftnormalspannung σw und Wölbkrafttorsionsspannung τw

In IDEA StatiCa Connection Version 21.0 wurde die Verwölbung durch die Mehrpunkt-Zwangsbedingungen, die den Knoten mit dem Trägerende verbinden, eingeschränkt. Diese Zwangsbedingungen werden verwendet, um Lasten in das Modell einzuleiten. Das neue kondensierte Superelement schiebt die Zwangsbedingungen weiter und der Stab ist in der Lage, sich zu verformen. Dies führt zu einem größeren Bimoment in der Verbindung. 

Hier sehen Sie ein paar Anschlussbeispiele, bei denen diese Änderungen zu einem deutlich anderen Ergebnis führten: 

Der Trägerstumpf unter Torsion


Einseitige Stirnplatte Träger-zu-Träger-Verbindung


Balken-Stützen-Verbindung

Wenn Sie sich mit solchen Fällen befassen, insbesondere wenn Sie Ergebnisse zwischen verschiedenen Versionen vergleichen, sollten Sie bedenken, dass die Berechnungsmodelle nicht die gleichen sind. Die Stäbe sind länger und die Steifigkeit der Verbindung ist geringer.  Daher sind die Unterschiede in den Ergebnissen bei einigen Verbindungselementen zu erwarten.

Sie müssen jedoch immer einige Optionen überprüfen, um falsche Ausgaben zu vermeiden. Ab Version 21 ist es wichtiger denn je, die Funktion "Lasten im Gleichgewicht" zu verwenden. 

Möglicherweise möchten Sie Ihre Verbindung aus einer älteren Programmversion mit der aktuellsten Version prüfen. Dann sollten Sie nicht vergessen, die Parameter im Code-Setup auf die neuen Standardwerte einzustellen.

Wenn Sie jedoch zu 100% sicher sein möchten, dass Ihre IDEA StatiCa-Anwendung Version 21.0 mit den bestmöglichen Daten funktioniert, modellieren Sie das gesamte Berechnungsmodell in Version 21 von Grund auf neu.

Wenn Sie sich für den theoretischen Hintergrund der in Version 21 eingeführten Verbesserungen interessieren, finden Sie in diesem Knowledge Base Article sehr nützliche und gründlich vorbereitete Informationen von unseren Spezialisten. 

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