CBFEM – Funktionsweise, Normkonformität, Validierung und Verifizierung
CBFEM ist eine einzigartige Methode zur Bemessung und zum Normnachweis von Stahlanschlüssen, Bauteilen und Verankerungen. Sie kann für die Mehrzahl der Verbindungen, Verankerungen und Details mit verschiedenen Topologien verwendet werden.
Komponentenbasierte Methode der finiten Elemente (CBFEM) ist:
- Allgemein genug, um für die meisten Verbindungen, Fundamente und Details in der Ingenieurpraxis anwendbar zu sein.
- Einfach und schnell genug im täglichen Einsatz, um Ergebnisse in einer Zeit zu liefern, die mit aktuellen Methoden und Werkzeugen vergleichbar ist.
- Umfassend genug, um Tragwerksplanern klare Informationen über das Verbindungsverhalten, Spannungen, Dehnungen, Reserven der einzelnen Komponenten sowie über die Gesamtsicherheit und Zuverlässigkeit zu liefern.
Der Nachweis einer Verbindung in einer standardmäßigen komponentenbasierten Methode und in der in IDEA StatiCa Connection verwendeten CBFEM basiert auf dem Nachweis aller Teile der Verbindung – der Komponenten. Komponenten können Schrauben, Anker, Schweißnähte, Bleche und Beton am Fundament sein.
CBFEM teilt die gesamte Verbindung in die oben genannten einzelnen Komponenten auf. Anschließend wird das Analysemodell automatisch von der Software aus jeder Komponente erstellt.
Der Nachweis selbst besteht aus zwei Schritten:
- Die Kräfte in jeder Komponente der Verbindung werden berechnet
- Jede Komponente wird anhand der Normgleichungen nachgewiesen
Berechnung der Kräfte
Die in IDEA StatiCa Connection implementierte CBFEM vereinfacht das Verhalten jeder Komponente. Wie?
Das Modell besteht aus Bauteilen, auf die die Last aufgebracht wird, sowie aus Fertigungsoperationen (einschließlich Verstärkungsbauteilen), die dazu dienen, die Bauteile miteinander zu verbinden.
Das analysierte FEM-Modell wird automatisch generiert. Der Konstrukteur erstellt nicht das FEM-Modell, sondern die Verbindung mithilfe von Fertigungsoperationen.
Dadurch werden die Kräfte ohne vereinfachende Annahmen berechnet. Auch andere Effekte, wie die Wechselwirkung der Komponenten usw., werden berechnet.
Darüber hinaus werden aufgrund der Berücksichtigung der tatsächlichen Steifigkeit der Komponenten die Abhebekräfte in den Ergebnissen erfasst. Nichts wird vernachlässigt.
Nachweis und Ergebnisauswertung
Die Tragfähigkeitsanalyse ist die wichtigste Analyse von Verbindungen. Dehnungsnachweise von Blechen zusammen mit Normnachweisen der Komponenten werden durch elastisch-plastische Analyse durchgeführt.
Die Analyse von Verbindungen ist materiell nichtlinear. Die Lastinkremente werden schrittweise aufgebracht und der Spannungszustand wird ermittelt.
Nachweis von Blechen
Die Bleche werden mit elastisch-plastischem Material mit einer nominellen Fließplateauneigung gemäß EN 1993-1-5, Abschn. C.6, (2), tan-1 (E/1000) modelliert.
Das Materialverhalten basiert auf dem von-Mises-Fließkriterium. Es wird als elastisch angenommen, bevor die Bemessungsstreckgrenze fyd erreicht wird.
Das Grenzzustandskriterium für Bereiche, die nicht zum Beulen neigen, ist das Erreichen des Grenzwerts der Hauptmembrандehnung. Ein Wert von 5 % wird empfohlen (z. B. EN 1993-1-5, Anhang C, Abschn. C.8, Anmerkung 1).
Spezifische Teile des theoretischen Hintergrunds für jede der unterstützten nationalen Normen:
- Normnachweis von Blechen nach EN (Eurocode)
- Normnachweis von Blechen nach AISC (amerikanische Norm)
- Normnachweis von Blechen nach CISC (kanadische Norm)
- Normnachweis von Blechen nach AS (australische Norm)
- Normnachweis von Blechen nach IS (indische Norm)
- Normnachweis von Blechen nach GB (chinesische Norm)
- Normnachweis von Blechen nach HKG (Hongkonger Praxisregeln)
- Normnachweis von Blechen nach SP (russische Norm)
Nachweis weiterer Komponenten
Die Nachweise werden für die berechneten Kräfte mit denselben Gleichungen wie in der Norm in allen Methoden durchgeführt. Die für Schrauben, Anker, Schweißnähte und Betonblock verwendeten Gleichungen sind in der Anwendung dargestellt und können eingehend geprüft werden.
Schraubennachweis
Schrauben in IDEA StatiCa Connection werden gemäß den entsprechenden Normen nachgewiesen. Weitere Informationen finden Sie im Artikel Schrauben und Schraubenverbindungen.
Schweißnahtnachweis
Auch im Fall von Schweißnähten erfolgt der Nachweis gemäß den entsprechenden Normen.
Detaillierte Informationen zum Schweißnahtnachweis in der Connection-Anwendung finden Sie im Artikel Schweißnaht/Schweißnähte in IDEA StatiCa.
Betonblocknachweis
Die Grundlagen der Betonblockberechnung werden im Artikel Tragwerksmodell eines Betonblocks erläutert.
Spezifische Teile des theoretischen Hintergrunds für jede der unterstützten nationalen Normen:
- Normnachweis eines Betonblocks nach EN (Eurocode)
- Normnachweis eines Betonblocks nach AISC (amerikanische Norm)
- Normnachweis eines Betonblocks nach CISC (kanadische Norm)
- Normnachweis eines Betonblocks nach AS (australische Norm)
- Normnachweis eines Betonblocks nach IS (indische Norm)
- Normnachweis eines Betonblocks nach GB (chinesische Norm)
- Normnachweis eines Betonblocks nach HKG (Hongkonger Praxisregeln)
- Normnachweis eines Betonblocks nach SP (russische Norm)
Wie kann CBFEM gleichzeitig normkonform und dem realen Verhalten entsprechend sein?
Die bemessungsorientierte FEA (CBFEM) ist darauf ausgelegt, Ergebnisse zu liefern, die für den Normnachweis relevant sind, und dabei das reale Verhalten der Struktur abzubilden. Gleichzeitig berücksichtigt sie die von der Norm definierten Sicherheitsabstände.
Sehen Sie sich das Video an und finden Sie die Antwort auf Ihre Fragen.
Wesentliche Merkmale der CBFEM-Analyse
Haben Sie schon einmal die Abkürzungen MNA oder GMNA in der Software gesehen, wissen aber nicht genau, was sie bedeuten? Die Eigenschaften der Analyse, die Nichtlinearität des Materials oder der Geometrie. Was wird von CBFEM empfohlen und durchgeführt?
Sehen Sie sich das folgende Video an und erfahren Sie mehr über die Ansätze.
Validierung und Verifizierung
Ursprünglich haben zwei Universitätsteams mehr als drei Jahre mit der Verifizierung und Validierung der CBFEM-Methode verbracht.
Im Laufe der Zeit wurden in Zusammenarbeit mit Universitäten aus aller Welt (USA, Niederlande, Deutschland, Schweiz, Südamerika und weitere) mehrere neue Verifizierungsstudien durchgeführt.
Was bedeuten Validierung und Verifizierung genau? Der Validierungs- und Verifizierungsprozess bestätigt, dass die Ergebnisse der Software korrekt sind.
Verifizierung ist ein Vergleich mit einer analytischen Methode, die meist in der Baunorm verankert ist (z. B. AISC, EN usw.).
Analytische Methoden in Normen sind mit Vereinfachungen behaftet, und die Ergebnisse zwischen der Norm und der CBFEM für komplizierte Verbindungen können variieren, insbesondere an den Grenzen des Gültigkeitsbereichs. In diesem Fall beweist ein Vergleich von CBFEM mit einem durch Versuche validierten erweiterten Modell, dass CBFEM sicher ist, auch wenn die Tragwiderstände höher sind als die normativ ermittelten.
Validierung ist ein Vergleich eines numerischen Modells mit einem Experiment.
Das numerische Modell ist häufig hochentwickelt und umfasst materielle und geometrische Nichtlinearitäten. Die Geometrie und die Materialeigenschaften sind dieselben wie die im Experiment gemessenen. Wenn die Ergebnisse – typischerweise Last-Verformungs- und Spannung-Dehnungs-Kurven – des numerischen Modells nahe an denen des Experiments liegen, gilt das numerische Modell als validiert. Die Materialeigenschaften des numerischen Modells werden dann auf Nennwerte geändert, Imperfektionen werden entsprechend den Fertigungstoleranzen erhöht, und es können mehrere Sensitivitätsstudien durch Variation von Parametern, z. B. Blechdicke und Streckgrenze des Materials, durchgeführt werden.
Abschließend werden die Ergebnisse des numerischen Modells mit denen der CBFEM verglichen. Die Ergebnisse müssen nicht exakt übereinstimmen, aber die Ergebnisse müssen auf der sicheren Seite liegen und die Abweichungen in einem akzeptablen Bereich sein.
Die wichtigsten Verifizierungs- und Validierungsbeispiele wurden in dem Buch „Komponentenbasierte Finite-Elemente-Bemessung von Stahlanschlüssen" veröffentlicht.
In unserem Support Center finden Sie viele Verifizierungsstudien sowie Vergleiche mit Laborversuchen. Finden Sie diese über den folgenden Link.