Schlüsselprinzipien von IDEA StatiCa Connection
Einleitung
IDEA StatiCa Connection ist eine Bemessungssoftware der komponentenbasierte Finite-Elemente-Methode (CBFEM) zur Verwendung von Bauingenieuren, die mit der Bemessung von Stahlverbindungen vertraut sind. Es basiert auf dem Verständnis der Nutzer für die Konstruktionsprinzipien, um jede Verbindung korrekt zu simulieren und das resultierende Verhalten nach der FE-Analyse zu interpretieren. Als solches soll es nicht das technische Wissen des Nutzers ersetzen, sondern seine Fähigkeiten in der Bemessung durch die Nutzung der zugrunde liegenden CBFEM-Engine verbessern.
Dieser Ratgeber fasst einige Schlüsselelemente der Software zusammen und wird allen Nutzern von IDEA StatiCa empfohlen. Auf diese Weise vermeidet der Nutzer häufige Fehler, die möglicherweise zu fehlerhaften Ergebnissen führen können. Darüber hinaus werden die Online-Quellen im Support Zentrum ständig mit neuen Informationen über die Verwendung und Nutzungsprinzipien der Software aktualisiert. Zu guter Letzt empfehlen wir Ihnen dringend, auch den theoretischen Hintergrund und die nationalen Anhänge zu lesen.
IDEA StatiCa wurde entwickelt, um Stahlverbindungen zu modellieren und zu konstruieren. Insofern muss und darf die Verbindung einen einzigen identifizierbaren Knoten aufweisen, an dem alle Bauteile zusammenlaufen, egal wie komplex diese Verbindung auch sein mag. Bitte beachten Sie, dass kleine Exzentrizitäten von Bauteilen in Bezug auf den Knoten vom Finite-Elemente-Modell berücksichtigt werden und keine Probleme mit dem Konzept des fiktiven Knotens darstellen.
Wenn hingegen mehr als ein Knoten im Modell identifiziert werden kann, kann dies wahrscheinlich als Struktur klassifiziert werden und der Ansatz von IDEA StatiCa könnte ungeeignet sein und zu fehlerhaften Ergebnissen führen.
Der Nutzer muss sein technisches Urteilsvermögen nutzen, um festzustellen, ob eine Verbindung als ein oder mehrere Knoten betrachtet werden kann, und den geeigneten Ansatz verwenden.
Als allgemeine Regel darf der Knoten in IDEA StatiCa nur die Bauteile enthalten, die in der globalen Analysesoftware enthalten sind, da die Kräfte aus der Analyse nur Kräfte für diese Bauteile enthalten. Dies unterliegt natürlich dem Ermessen der Nutzer und kann von Fall zu Fall variieren.
Lasten werden standardmäßig am fiktiven Knoten definiert. Es steht dem Nutzer jedoch frei, die Position der Lastdefinition Bauteilweise zu ändern. Dies ist in einigen Fällen entweder aus der Norm (z.B. AISC- oder SCI-Fahnenblech Bemessung) oder der Bemessungsspezifiktation erforderlich.
Vor der Verwendung dieser Funktion muss sich der Nutzer bewusst sein, dass unterschiedliche Lastpositionen unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Es ist gängige Praxis, die Lasten für die Anschlussbemessung in Form von Belastungstabellen aus umhüllenden Ergebnissen zu verteilen, d.h., die Spannungskomponenten sind nicht koexistent.
Diese Belastungen erzeugen ein unrealistisches Spannungsfeld. In unserer Lösung spiegelt sich dieser unrealistische Spannungszustand im Modell wider und kann möglicherweise zu Fehlern führen.
Bitte beachten Sie, dass dies keine Besonderheit von IDEA StatiCa ist, da solche Spannungszustände bei gleichzeitiger Anwendung dieser maximalen Spannungskomponenten zu Fehlern im ursprünglichen globalen Entwurfsmodell führen würden. Dieses Problem wird durch die Anzahl der Verbindungsbauteile verschärft.
Um diese Situation zu vermeiden, wird dringend empfohlen, mehr als eine Kombination für Ihre Bemessungen, die aus dem ursprünglichen globalen Entwurfsmodell zu verwenden. Es ist bekannt, dass die Ergebnisse für jede Kombination um Knoten herum im Gleichgewicht sind.
Die Verwendung unserer BIM-Links macht den Übergang vom globalen Modell zur Verbindungsbemessung einfach und fehlersicher.
Darüber hinaus bietet IDEA StatiCa eine sehr einfache Möglichkeit, unausgeglichene Kräfte in Ihrem Modell zu identifizieren, indem Sie den Button Lasten im Gleichgewicht aktivieren. Dies sind die Kräfte, die durch die Reaktionen der als Lager definierten Bauteile ausgeglichen werden.
Das Vorzeichen der Momente folgt nicht der klassischen Konvention der Statik. Momente folgen der Rechte-Hand-Regel um die lokale Achse des Bauteils.
Um die lokale Achse eines Bauteils anzuzeigen, sollten Sie den Button LKS im Programmbereich Beschriftungen aktivieren.
Um ein positives Moment um eine Achse zu definieren, muss der Nutzer mit dem rechten Daumen auf die positive Seite dieser Achse zeigen. Dann stellt die Krümmung der Finger eine Drehung dar, die das positive Moment um diese Achse widerspiegelt.
Bitte beachten Sie, dass BIM-Links die erforderlichen Umwandlungen automatisch bei der Lastübernahme aus der Quellsoftware übernehmen.
IDEA StatiCa ermöglicht die Definition verschiedener Optionen für den Modelltyp in Bauteilen, wobei jede davon beeinflusst, welche Art von Lagerung auf das Bauteilende angewendet wird (wobei N-Vy-Vz-Mx-My-Mz ein freies/unabhängiges Ende ist). Im Wesentlichen wird es verwendet, um sicherzustellen, dass die aufgebrachte Belastung dem globalen Modellverhalten entspricht.
Wenn beispielsweise erwartet wird, dass ein Aussteifungsbauteil Axial- und Querlasten, aber kein Moment trägt, wäre die Verwendung eines Modells ohne Lagerungen nicht angemessen, da das Aussteifungsbauteil entlang seiner Länge ein Moment entwickeln würde. Dies kann durch die Verwendung eines N-Vy-Vz-Modells verhindert werden, bei dem die Randbedingungen selbst dem Moment widerstehen (was auf dem Tab Nachweis -> Tabelle "Analyse" als Nichtkonformität angezeigt wird). Diese Lagerungen können auch verwendet werden, um die Stabilität in einem bestimmten Modell sicherzustellen, indem einige Freiheitsgrade gesperrt werden. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist eine Verstrebungsverbindung mit nur einer Schraube, bei der sich die Verstrebung frei um die Schraubenachse drehen könnte. In diesem Fall verhindert die Verwendung eines geeigneten Modelltyps die Entwicklung eines Mechanismus.
Im Allgemeinen, wenn der Wert der aufzunehmenden Kräfte/Momente die aufgebrachte Last erheblich überschreitet (vorbehaltlich der Beurteilung des Konstrukteurs), könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass der gewählte Modelltyp für die Verbindung möglicherweise nicht geeignet ist und zu einer nicht konservativen Bemessung führen. In diesen Fällen ist es am besten, einen alternativen Modelltyp auszuwählen, der den erwarteten Belastungs-/Randbedingungen entspricht, oder das uneingeschränkte N-Vy-Vz-Mx-My-Mz-Modell zu verwenden.
Die Wahl des Modelltyps unterliegt im Allgemeinen dem Ermessen des Konstrukteurs, da die erforderlichen Randbedingungen meistens von den Projektspezifikationen und den im Modell zu simulierenden Lastbedingungen abhängen.
Beispiel für eine Verstrebungsverbindung mit nur einer Schraube, bei der der Modelltyp N-Vy-Vz sein muss, um einen Mechanismus zu verhindern:
Obwohl es möglich ist, dass die Beulanalyse für stabile Verbindungen nicht kritisch ist, wird sie als integraler Bestandteil der CBFEM-Methode angesehen. Daher wird dringend empfohlen, eine Beulanalyse nach der standardmäßigen Spannungs-/Dehnungsanalyse durchzuführen, um sicherzustellen, dass ihre Grenzen (siehe unseren theoretischen Hintergrund) eingehalten werden und um zu beweisen, dass sich die aus der Spannungs-Dehnungs-Analyse vorhergesagte Festigkeit vollständig kann entwickeln kann.
Außerdem kann das Beulen von Verbindungsbauteilen die Stabilität der gesamten Konstruktion beeinflussen. In diesem Fall können wir sagen, dass der Beulmodus global ist. Andernfalls wird der Beulmodus als lokal bezeichnet.
Es ist sehr wichtig darauf hinzuweisen, dass unterschiedliche Untergrenzen des kritischen Faktors (αcr, limit) für verschiedene Arten von Beulformen gelten. Für lokale Beulmodi kann eine Untergrenze des kritischen Faktors von 3 angenommen werden, während für globale Beulmodi eine Untergrenze von 15 angenommen werden sollte (für detaillierte Informationen siehe Abschnitt 4.9 unseres theoretischen Hintergrundteils im Eurocode).
Leider unterliegt die Art der Beulform dem Ermessen des Ingenieurs und kann nicht von der Software entschieden werden. Es liegt in der Verantwortung des Nutzers zu entscheiden, welche Art von Beulen für sein Modell gilt, indem er sich die verformten Beulformen ansieht.
Wenn wir dem Modell ein Bauteil hinzufügen, wird seine Länge automatisch von der Software, basierend auf der Höhe des Querschnitts, berechnet. Der Berechnungsalgorithmus ist Teil der CBFEM-Methode und wird nach numerischen und experimentellen Ergebnissen kalibriert.
Die berechnete Bauteillänge stellt sicher, dass eine ordnungsgemäße Spannungsverteilung gemäß der CBFEM-Methodik erfolgt.
Falls diesem Bauteil ein Element oder eine Bearbeitung (Schraubenlöcher, Einkerbungen, Öffnungen usw.) hinzugefügt wird, passt die Software die Gesamtlänge entsprechend an, um einen Abstand von der Diskontinuität einzuhalten.
Die Software erlaubt jedoch die Änderung des Standardfaktors für die Berechnung der Bauteillänge über die Einstellungen der "Normeinstellung", der dann die Gesamtlänge beeinflusst. Nutzern wird dringend empfohlen, diesen Wert als Standardwert zu belassen, da solche Änderungen die Ergebnisse erheblich beeinflussen können. Alle unsere Verifizierungen wurden mit den Standardeinstellungen durchgeführt.
In seltenen Fällen können die Standardwerte dieser Einstellung zu einem Fehler führen, der sonst nicht auftreten würde. Beispiele für seltene Szenarien können sein:
1. zu tiefe Träger (z.B. über 1,5 m), die zu einem übermäßigen Abstand von der nächsten Diskontinuität führen, oder
2. hohe lokale Scherkräfte, die auf einen kurzen Abschnitt ausgeübt werden (z.B. eine kurze Konsole, die einen Kranbahnträger hält), die IDEA StatiCa standardmäßig länger als in der Realität modellieren würde.
Beide Fälle würden zu einer hohen Biegung am belasteten Ende führen.
Aus diesem Grund ist diese Einstellung verfügbar, um erfahrenen Nutzern eine gewisse Flexibilität im Umgang mit diesen seltenen Fällen zu bieten, in denen eine reduzierte Länge erforderlich sein könnte.
In solchen Fällen, in denen es absolut klar ist, dass das Problem allein auf die Bauteillänge zurückzuführen ist, müsste der Nutzer eine Studie durchführen, um die Auswirkungen einer Reduzierung des Verhältnisses Tiefe/Länge auf das Modellverhalten (Spannung/Dehnung Felder und Kräfte in den verschiedenen Komponenten). Sollte die Ausgabe übereinstimmen, ist möglicherweise eine Reduzierung des Parameters möglich, dies muss jedoch in einigen Modellen in Verbindung mit den Netzeinstellungen erfolgen.
Mit anderen Worten: Wenn der Nutzer sich entschließt, diese Einstellung zu ändern, muss er dies angemessen begründen können, indem er sich auf die Ergebnisse einer zugehörigen Studie bezieht, aus der hervorgeht, dass die Reduzierung die Ausgabe in den Anschlusskomponenten nicht beeinflusst hat.
Aus diesem Grund empfehlen wir, sich mit unserem Support-Team in Verbindung zu setzen, bevor Sie einen dieser kritischen Parameter ändern.
Beispielstudie, die eine Reduzierung des Längen-/Tiefe-Verhältnisses von Bauteilen ohne wesentliche Auswirkungen auf das Spannungsfeld und die Bauteilbelastung zeigt.
Es ist wichtig zu wissen, dass verschiedene Normen unterschiedliche Konventionen für die Schweißnahtdefinition verwenden. Die amerikanische Norm verwendet zum Beispiel Schenkellängen, während der Eurocode Halsdicken für die Berechnung verwendet. Diese Konvention wird während des gesamten Projekts berücksichtigt, einschließlich der Berichtsausgabe und der Zeichnungen.
Daher liegt es in der Verantwortung des Nutzers, diese Schweißnahtgrößen bei Bedarf anzupassen, um sie mit Dritten (z.B. Herstellern) zu kommunizieren, die andere Konventionen verwenden.
IDEA StatiCa Connection ist ein Werkzeug, das hauptsächlich für die Bewertung von Verbindungen von warmgewalzten Bauteilen bestimmt ist, die nicht wesentlich durch Beulen beeinträchtigt werden. Aufgrund ihrer schnellen und stabilen Berechnung werden geometrisch lineare und material nichtlineare Analysen durchgeführt. Diese Art der Analyse berücksichtigt jedoch nicht den Stabilitätsverlust für jeden Berechnungsschritt, da die Beulanalyse linear ist, während der Stabilitätsverlust die Durchführung einer geometrisch nichtlinearen Analyse erfordert.
Wenn Sie darauf bestehen, IDEA StatiCa Connection für den Nachweis von dünnwandigen (kaltgeformten) Bauteilverbindungen zu verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie ein erfahrener Nutzer der Software sind und bereit sind, Ihr technisches Urteil zumindest in den folgenden Punkten sorgfältig anzuwenden:
- Führen Sie eine lineare Beulanalyse durch und bewerten Sie jede Beulform sorgfältig. Bitte beachten Sie, dass die 5 zuerst berechneten Beulformen möglicherweise nicht ausreichen.
- Verlassen Sie sich nicht auf die Plastizität dünnwandiger Bauteile, sondern begrenzen Sie stattdessen die von Mises-Spannung auf die Streckgrenze oder bei Bedarf sogar darunter.
- Beachten Sie, dass die Entwicklung von lokalem Beulen, das nicht in jedem Berechnungsschritt berücksichtigt wird, Schnittgrößen in Bauteilen unterschiedlich umverteilen kann.
- Beachten Sie, dass die Steifigkeit der Komponenten aufgrund unterschiedlicher Versagensmodi oder deren Kombination unterschiedlich sein kann.
- Beachten Sie, dass die angezeigten Nachweise und Zeichnungen von Komponenten (z.B. Schrauben, Schweißnähte) den für warmgewalzte Bauteile geltenden Anforderungen entsprechen. Falls die einschlägigen Normanforderungen für dünnwandige Bauteile abweichen, gelten die vorgesehenen Nachweise nicht für diese.
In IDEA StatiCa Connection steht es dem Nutzer frei, Verbindungstopologien zu modellieren, die zuvor nicht entworfen werden konnten. Die Palette der bereitgestellten Werkzeuge und verschiedenen Analysearten (Beulen, Steifigkeit usw.) bietet weitaus bessere Einblicke in das Verhalten der konstruierten Verbindungen als zuvor.
Es liegt in der Verantwortung des Nutzers, diese Werkzeuge zu erlernen, zu verstehen und auf seine Konstruktionen anzuwenden, insbesondere wenn er beschließt, von etablierten und getesteten Verbindungstopologien abzuweichen.
Es muss klar sein, dass IDEA StatiCa keine konzeptionellen Konstruktionsfehler „korrigieren“ kann. Obwohl es helfen kann, sie zu verhindern, mit der richtigen Anwendung der bereitgestellten Reihe an Werkzeugen.
Eine konzeptionell falsche Verbindung mit der fehlenden oberen Schraubenreihe besteht scheinbar alle Normnachweise, aber mit dem Tool Verformte Form werden übermäßige Verformungen und Konzentrationen plastischer Dehnungen aufgedeckt. Dies kann zu Gebrauchstauglichkeitsproblemen führen, jedoch ohne katastrophales Versagen (z.B. einen Bruch).
