Erlaubt AISC die Verwendung der Methode der finiten Elemente für die Bemessung von Stahlanschlüssen?

Die Finite-Elemente-Analyse im Allgemeinen und die nichtlineare Finite-Elemente-Analyse im Besonderen sind seit vielen Jahren als anerkannte Methode in der Forschung bekannt. Sie hat dazu beigetragen, die Normgleichungen und Regelungen zu entwickeln, die Ingenieure verwenden. Darüber hinaus wird die nichtlineare Finite-Elemente-Analyse in der Praxis in den USA und weltweit umfassend eingesetzt, um ingenieurtechnische Probleme von einfach bis komplex zu lösen. 

US-Normen und -Standards, darunter ACI, AISC, TMS, NDS und andere, enthalten Klauseln, die die Verwendung der nichtlinearen Finite-Elemente-Analyse für Bauteile und Verbindungen erlauben, die nicht durch die Normen abgedeckt sind und typischerweise komplex sind. Wenn die Normen die Verwendung dieser Methode für komplexe Probleme erlauben, kann sie auch einfachere Probleme lösen, die Annahmen zur Vereinfachung der Lösung enthalten. Die Forschung hat gezeigt, dass Grenzzustände bei der Bemessung von Bauteilen und Verbindungen durch die Finite-Elemente-Analyse erfasst werden können. Nachfolgend sind einige der Referenzen aufgeführt, die in verschiedenen Abschnitten des AISC-Handbuchs genannt werden. 

Der Kommentar zu AISC 360 weist an verschiedenen Stellen auf die Möglichkeit hin, die Finite-Elemente-Analyse und nichtlineare Finite-Elemente-Methoden zu verwenden, wie z. B.:

• „Die Regelungen erlauben auch die Verwendung computergestützter Analysen (z. B. der Methode der finiten Elemente) als Ersatz für die Spezifikationsgleichungen zur Bewertung von Grenzzuständen, die in den Kapiteln D bis H, J und K behandelt werden" im Kommentarabschnitt: Anhang 1, Comm 1.1 Seite 573, der 16. Ausgabe des AISC-Handbuchs.
• „Jede Bemessungsmethode, die auf einer inelastischen Analyse basiert und die angegebenen allgemeinen Anforderungen erfüllt, ist zulässig. Diese Methoden können die Verwendung von nichtlinearen Finite-Elemente-Analysen (Crisfield, 1991; Bathe, 1995) umfassen, die auf Kontinuumselementen basieren, um ein einzelnes Bauteil wie eine Verbindung zu bemessen, oder die Verwendung von Tragwerksanalysen zweiter Ordnung mit inelastischem Verhalten (Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000), um ein Tragsystem aus Trägern, Stützen und Verbindungen zu bemessen." In Comm 1.3 16.1-582 der 16. Ausgabe des AISC-Handbuchs.
• „Wenn die zu modellierenden Verbindungen nicht in den Bereich der Datenbanken fallen, kann es möglich sein, die Reaktionseigenschaften aus Versuchen, einfacher Komponentenmodellierung oder Finite-Elemente-Studien (FEMA, 1995) zu bestimmen." In B3. Kommentar, Seite 16.1-322 der 16. Ausgabe des AISC-Handbuchs. 
• „Wenn der planende Ingenieur auf Träger trifft, die keine Symmetrieachse aufweisen, oder auf andere Querschnittsformen, für die in den anderen Abschnitten von Kapitel F keine Regelungen vorhanden sind, sind die Spannungen auf die Streckgrenze oder die elastische Beulspannung zu begrenzen. Die Spannungsverteilung und/oder die elastische Beulspannung muss aus den Grundsätzen der Baumechanik, Lehrbüchern oder Handbüchern, wie dem SSRC-Leitfaden (Ziemian, 2010), Fachzeitschriftenartikeln oder Finite-Elemente-Analysen bestimmt werden. Alternativ kann der Planer das Problem vermeiden, indem er Querschnitte aus den vielen Möglichkeiten auswählt, die in den vorherigen Abschnitten von Kapitel F angegeben sind." In Comm. F12 16.1-393 der 16. Ausgabe des AISC-Handbuchs. 
• „Bei Nahtlängen, die größer als das 100-fache der Nahtdicke sind, sollte die wirksame Länge kleiner als die tatsächliche Länge angesetzt werden. Der Abminderungsfaktor, der in Abschnitt J2.2b angegeben ist, entspricht dem in CEN (2005) angegebenen Wert, der eine vereinfachte Näherung von Exponentialformeln darstellt, die durch Finite-Elemente-Studien und in Europa über viele Jahre durchgeführte Versuche entwickelt wurden." In Comm J2. Seite 16.1-484 der 16. Ausgabe des AISC-Handbuchs.

AISC Design Guide 1 Bemessung von Stützenfußverbindungen für Stahlkonstruktionen, dritte Ausgabe, enthält zwei neue Anhänge (Anhänge C und D), um Methoden zur Darstellung von Stützenfußverbindungen in der Tragwerksanalyse und Bemessungshinweise zu deren Simulation mittels Finite-Elemente-Analyse bereitzustellen.

• Anhang D – Leitfaden zur Verwendung der Finite-Elemente-Analyse für die Analyse und Bemessung von Fußplatten, mit Schwerpunkt auf freiliegenden Stützenfußverbindungsdetails

AISC Design Guide 24 Verbindungen für Hohlprofile, dritte Ausgabe, zitiert:

• „Der Kommentar zu AISC Specification Kapitel K nennt die inelastische Finite-Elemente-Analyse (FE) als Werkzeug für die Bemessung jenseits der Anwendbarkeitsgrenzen für erfahrene Ingenieure, und diese Option ist durch AISC Specification Anhang 1 zulässig. Sowohl geschweißte als auch geschraubte Verbindungen können mit FE-Methoden bemessen werden, wobei eine elastische Analyse für die Ermüdungsbemessung ausreichend ist, eine inelastische Analyse jedoch im Allgemeinen erforderlich ist, um den maßgebenden Grenzzustand zu erfassen. Etwaige Einschränkungen der gewählten Software sollten stets überprüft werden, um sicherzustellen, dass die Software in der Lage ist, den untersuchten Grenzzustand ordnungsgemäß zu untersuchen und zu erfassen. Dies kann die Bestätigung der nichtlinearen Analyse, der Versagenskriterien, der zulässigen Anzahl von Knoten und Elementen, der Elementtypen in der Bibliothek usw. umfassen." in Kapitel 2.13, S. 41.
• „In diesem Fall sollte die FE-Modellierungstechnik sowie die gewählten Netz- und Materialparameter anhand einiger FE-Analysen aus der Forschungsliteratur oder aus gesammelten Benchmark-Fällen (die ihrerseits validiert wurden) überprüft werden, beispielsweise nach Wald et al. (2017)." in Kapitel 2.13, S. 41. 

Tragwerksplaner und Verbindungsdesigner können eine Reihe von Werkzeugen einsetzen, um ihre Aufgabe zu erfüllen – Stahlanschlüsse gemäß AISC sicher, genau und schnell zu bemessen. IDEA StatiCa ist mit seiner einzigartigen und erprobten FEA-Lösung Teil dieses Werkzeugkastens. Lesen Sie mehr über die Methode in unserem theoretischen Hintergrund und dem umfangreichen Satz an Verifikationen.