Knicken ist selten eine Eigenschaft eines isolierten Bauteils. Es hängt von der Steifigkeit der umgebenden Struktur, den Randbedingungen, der Lastposition, den Imperfektionen und – besonders wichtig – dem tatsächlichen Verhalten der Verbindungen ab.
Die Stability-Anwendung führt alle diese Aspekte zusammen. Ingenieure können den relevanten Teil der Struktur modellieren, das statische System verifizieren, die Verbindungen bemessen und nachweisen, kritische Knickformen ermitteln, Imperfektionen einführen und geometrisch und materiell nichtlineare Analysen mit Imperfektionen (GMNIA) durchführen – alles in einem durchgängigen Workflow.
Anstatt die Knicklänge für ein isoliertes Bauteil abzuschätzen, kann der Ingenieur analysieren, wie das Bauteil als Teil der Struktur tatsächlich knicken wird.
Die Lösung deckt diese Hauptaufgaben ab:
- Nachweis eines Stahlbauteils, bei dem Knicken und nicht die Festigkeit die Bemessung bestimmt.
- Bemessung und Nachweis der Verbindungen dieses Bauteils im Rahmen derselben Aufgabe.
- Nachweis der Bauteile und Teilstrukturen hinsichtlich des Stabilitätswiderstands.
- Erstellung eines einzigen Berichts für die Struktur und ihre Verbindungen.
Schnellnavigation:
Modellierung der Struktur um das untersuchte Bauteil (Bauteile)
Eine zuverlässige Stabilitätsanalyse beginnt mit dem richtigen Strukturmodell.
- In Stability arbeitet der Ingenieur mit einer Teilstruktur statt mit einem isolierten Bauteil. Bauteile, Knoten, Auflager, Gelenke, Exzentrizitäten, Lasten und Kombinationen werden direkt in der 3D-Szene definiert und bleiben während des gesamten Bemessungsprozesses editierbar.
- Projekte können mit einem leeren Modell, einer vorbereiteten Vorlage oder einem Import aus einem FEA-Werkzeug beginnen. Bauteile können hinzugefügt, entfernt, geteilt oder neu positioniert werden, ohne das gesamte Projekt neu aufzubauen.
- Mit Fang- und Orthogonalführung lässt sich die Geometrie der Struktur direkt in der Szene erstellen. Wiederkehrende Abstände können mithilfe eines Multiplikators eingegeben werden.
- Zufällig doppelt vorhandene Knoten werden automatisch zusammengeführt, damit das Strukturmodell zusammenhängend bleibt.
Auflager und Gelenke an den Bauteilenden sind direkt in der Szene sichtbar, ihre einzelnen Freiheitsgrade lassen sich bearbeiten. Das Modell kann daher geprüft werden, bevor eine erweiterte Stabilitätsanalyse durchgeführt wird.
Eine lineare Analyse liefert Auflagerreaktionen, Schnittgrößen und Verformungen. So kann der Ingenieur das Tragverhalten der Struktur mit seinen fachlichen Erwartungen vergleichen, bevor er im Workflow fortfährt.
Damit kann der Ingenieur verifizieren, dass das analysierte statische System dem beabsichtigten System entspricht.
In diesem Artikel erfahren Sie mehr darüber, wie Sie in der Stability-Anwendung ein Strukturmodell erstellen.
Lasten, wie sie im Strukturmodell vorliegen
Stability arbeitet mit Lastfällen und Lastkombinationen, einschließlich automatischem Eigengewicht. Kombinationen werden als GZT oder GZG definiert.
Der Anwender wählt zwischen Punkt- und Linienlasten, die auf die Bauteile aufgebracht werden.
Bei schalenbasierten Bauteilen spielt die Position einer Last eine Rolle. Eine Last kann daher an der Bauteilachse oder an einer der Flächen angreifen, einschließlich Exzentrizität und Lastbreite.
Dasselbe Prinzip gilt für die Bauteilgeometrie. Die Exzentrizitäten am Anfang und am Ende können unabhängig voneinander definiert werden. Dadurch lassen sich Bauteile abbilden, deren physische Lage sich zwischen den Enden ändert.
Das Ergebnis ist ein Strukturmodell, das zunächst anhand vertrauter Ergebnisse der linearen Analyse geprüft und anschließend konsistent für die weiterführenden Analysen verwendet werden kann.
In diesem Artikel erfahren Sie Schritt für Schritt, wie Sie Lasten in Stability definieren.
Das kritische Bauteil in ein CBFEM-Modell überführen
Nicht jedes Bauteil der Teilstruktur benötigt ein detailliertes Finite-Elemente-Modell.
Stability hält die umgebende Struktur als 1D-Bauteile effizient. Gleichzeitig kann der Ingenieur den kritischen Teil auswählen und in ein CBFEM-Bauteil umwandeln, das mit finiten Schalenelementen modelliert wird.
Der CBFEM-Teil des Modells kann aus einem oder mehreren Bauteilen bestehen, und diese Auswahl bleibt editierbar. Der Rest der modellierten Struktur bleibt als 1D-Bauteile erhalten, mit nur den für die Bemessung der Verbindungen notwendigen Stummeln. So wird dort detailliert modelliert, wo es darauf ankommt, während das übrige Struktursystem einfach bleibt.
Weitere Informationen zur Definition von CBFEM-Bauteilen in Stability finden Sie in diesem Artikel.
Reale Verbindungen werden Teil des Stabilitätsmodells
Beim Erstellen eines CBFEM-Bauteils werden dessen Knoten automatisch als Verbindungen identifiziert.
In einem eigenständigen Stability-Projekt können diese Verbindungen direkt in IDEA StatiCa Connection geöffnet und mit den vertrauten Operationen für Platten, Schrauben, Schweißnähte, Steifen und weitere Komponenten der Verbindung bemessen werden.
Der Nachweis der Verbindung verwendet die GZT-Lasteffekte, die mit der linearen 1D-Analyse in Stability berechnet wurden. Eine Übertragung von Kräften zwischen dem Strukturmodell und dem Verbindungsmodell ist nicht erforderlich.
Wurde die 1D-Analyse noch nicht durchgeführt, erhält der Anwender eine Benachrichtigung über fehlende Ergebnisse.
Bei Strukturen mit wiederkehrenden Verbindungen kann eine bereits bemessene Verbindung außerdem über die zuletzt verwendeten Verbindungen (Recent connections) wiederverwendet werden.
Damit wird eine wichtige Lücke zwischen der Bauteilstabilität und der Bemessung der Verbindungen geschlossen. Die Analyse muss sich nicht mehr allein auf eine idealisierte Annahme der Verbindung stützen, wenn die tatsächliche Verbindung an anderer Stelle bemessen wird.
Stattdessen kann die Verbindung, die die Kräfte überträgt, bemessen, nachgewiesen und anschließend in der Stabilitätsanalyse mit ihrer tatsächlichen Steifigkeit abgebildet werden.
Die Struktur nachweisen, bevor nach Instabilität gesucht wird
Vor den Stabilitätsanalysen wird eine materiell nichtlineare Analyse (MNA) durchgeführt. Der Zweck ist eindeutig: Es wird nachgewiesen, dass die Struktur einschließlich der bemessenen Verbindungen 100 % der aufgebrachten Last aufnehmen kann.
Daraus ergibt sich eine logische Abfolge von Nachweisen:
Strukturmodell → Lastübertragung → Bemessung der Verbindungen → MNA → Stabilitätsanalyse
Der Ingenieur geht somit mit einem Struktursystem in die Stabilitätsbewertung, dessen Geometrie, Belastung, Randbedingungen und Verbindungen bereits verifiziert wurden.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie Verbindungen in der Stability-Anwendung bemessen.
Beulformen – sehen, wie die Struktur ausweicht
Der nächste Schritt ist eine lineare Beulanalyse (LBA).
Anstatt vom Ingenieur zu verlangen, eine Knickform vorherzusehen oder vorab eine effektive Knicklänge abzuleiten, berechnet Stability die Knickformen der modellierten Teilstruktur.
Jede Form wird direkt an der Struktur zusammen mit ihrem kritischen Laststeigerungsfaktor αcr visualisiert.
Dies liefert sowohl ein numerisches Ergebnis als auch ein ingenieurmäßiges Bild der Instabilität: Der Ingenieur sieht, ob das maßgebende Verhalten global, bauteilbezogen oder lokal ist und wie die umgebende Struktur daran beteiligt ist.
Da die Analyse an der modellierten Teilstruktur durchgeführt wird, berücksichtigt sie deren tatsächliche Auflager und die Steifigkeit der bemessenen Verbindungen.
Der kritische Laststeigerungsfaktor kann somit verwendet werden, um Ncr, Mcr und die zugehörige Systemlänge für ein globales Strukturmodell zu ermitteln. Er hilft außerdem bei der Entscheidung, ob Effekte nach Theorie zweiter Ordnung in der globalen Analyse vernachlässigt werden können.
Fällt der kritische Laststeigerungsfaktor unter 1,0, überschreitet die aufgebrachte Last bereits die elastische kritische Last des analysierten Systems – dieser Zustand wird in den Ergebnissen deutlich angezeigt.
Von Knickformen zu Imperfektionen
Ein perfektes numerisches Modell knickt nicht wie eine reale Struktur. Daher erfordert die erweiterte Stabilitätsanalyse Imperfektionen.
Stability macht deren Definition sichtbar, anstatt sie als abstrakte numerische Eingabe zu belassen.
Globale Imperfektionen können als Schiefstellung eingeführt oder aus den mit der LBA berechneten Knickformen abgeleitet werden. Die verfügbaren Formen werden von ihren kritischen Faktoren und Kennwerten begleitet, die dem Ingenieur helfen, ihre Relevanz zu beurteilen.
Ausgewählte Knickformen können mit benutzerdefinierten Gewichtungen und Amplituden kombiniert werden.
Besonders wichtig: Die resultierende imperfekte Geometrie wird in Millimetern direkt in der 3D-Szene angezeigt, bevor die GMNIA gestartet wird.
Der Ingenieur kann somit nicht nur die Größe der Imperfektion prüfen, sondern auch deren Richtung und die kombinierte Form.
Das ist besonders wichtig, wenn mehrere Imperfektionen zusammenwirken. Eine Knickform selbst hat keine positive oder negative Orientierung, während die gewählte Richtung den endgültigen Widerstand beeinflussen kann. Die resultierende Geometrie vor der Berechnung zu sehen, macht diese ingenieurmäßige Entscheidung nachvollziehbar.
Lesen Sie mehr über Imperfektionen in der Stability-Anwendung.
GMNIA ohne Ermittlung von Knicklängen
Mit den definierten Imperfektionen führt Stability eine geometrisch und materiell nichtlineare Analyse mit Imperfektionen (GMNIA) durch.
Dies ist der Weg über die erweiterte Methode zum Stabilitätsnachweis: Anstatt Knicklängen zu ermitteln und anschließend eine Bauteilstabilitätsformel anzuwenden, wird das nichtlineare Verhalten der imperfekten Struktur direkt berechnet.
Die Ergebnisse umfassen den Dehnungsnachweis sowie Komponenten der Spannung, der Dehnung und der Verformung.
Die Analyse bietet außerdem Einstellungen für die Steifigkeitsreduktion gemäß der gewählten Norm und eine Verdrehungsgrenze für das Biegedrillknicken. Die Steifigkeitsreduktion wirkt sich nur auf die GMNIA aus; MNA und LBA bleiben unbeeinflusst.
Der Workflow trennt daher drei unterschiedliche ingenieurtechnische Fragestellungen:
MNA: Kann die detailliert modellierte Struktur mit ihren Verbindungen die aufgebrachte Last aufnehmen?
LBA: Wie neigt die Struktur zum Knicken, und bei welchem kritischen Laststeigerungsfaktor?
GMNIA: Erfüllt die imperfekte Struktur den Stabilitätsnachweis nach der erweiterten Analysemethode?
Jede Analyse hat ihre eigenen Ergebnisse und einen eindeutigen Status OK / NOT OK, sodass die Schlussfolgerung nicht aus einer Sammlung von Ergebnistabellen abgeleitet werden muss.
Der abschließende Bericht kann die Tragwerksanalyse abdecken und bei Bedarf die Nachweise der Verbindungen im selben Dokument enthalten.
In diesem Artikel erfahren Sie mehr über alle Analysearten in Stability.
Direkt über Checkbot aus dem globalen FEA-Modell
In vielen Projekten existiert das Bauteil, das einen Stabilitätsnachweis erfordert, bereits in einem globalen FEA-Modell.
Es gibt keinen Grund, es erneut aufzubauen.
Stability ist daher in IDEA StatiCa Checkbot integriert. Eine relevante Teilstruktur kann aus dem importierten globalen Modell entnommen und direkt in Stability geöffnet werden, mit ihrer Geometrie, Querschnittsausrichtung, den Bauteilexzentrizitäten, Lastfällen, Kombinationen und Verbindungen.
Der Modellierungsschritt entfällt, und das Stability-Projekt wird direkt in der Design-Phase geöffnet (eine Modellierung der 1D-Struktur ist nicht erforderlich; daher ist die Registerkarte Model nicht sichtbar).
Dies reduziert die manuelle Übertragung zwischen der globalen Analyse und dem detaillierten Stabilitätsnachweis – und damit das Risiko, dass das nachgewiesene Modell vom Modell abweicht, aus dem die Kräfte stammen.
Eine wichtige ingenieurtechnische Eingabe verbleibt beim Anwender: die Auflager am Rand der extrahierten Teilstruktur. Diese Randbedingungen repräsentieren die Halterung durch die umgebende Struktur und können das Stabilitätsergebnis erheblich beeinflussen. Sie müssen daher vom Ingenieur definiert und verifiziert werden.
Erst die Verbindungen, dann die Stabilität
Wird Stability aus Checkbot gestartet, bleibt die Bemessung der Verbindungen in Checkbot.
Die Verbindungen werden dort zuerst bemessen, wobei Verbindungsgruppen und der Bezug zum importierten Strukturmodell erhalten bleiben. Stability liest diese Bemessungen anschließend ein und verwendet deren Steifigkeit im Stabilitätsnachweis, ohne sie zu verändern.
Der Workflow ist daher bewusst einfach gehalten:
Globales FEA-Modell importieren → Verbindungen in Checkbot bemessen → Teilstruktur auswählen → Stability öffnen → Randauflager definieren → Stabilitätsnachweis durchführen.
Checkbot hält den Status der Analysen fest, einschließlich MNA, des kritischen Faktors der LBA, der GMNIA und der Plattennachweise. So erhält der Ingenieur einen Überblick darüber, welche Stabilitätsprojekte bereits nachgewiesen wurden.
Und wenn die importierte Teilstruktur für die Aufgabe nicht ausreicht, kann das Projekt in ein eigenständiges Stability exportiert werden. Dort steht die vollständige Registerkarte Model wieder zur Verfügung, sodass der Ingenieur die Struktur erweitern oder ändern und die Analyse unabhängig fortsetzen kann.
Vom isolierten Bauteil zum realen Tragsystem
Stability verändert die Fragestellung hinter einem Bauteilstabilitätsnachweis – statt zu fragen:
„Welche Knicklänge soll ich für dieses Bauteil annehmen?“
...kann der Ingenieur untersuchen:
„Wie knickt dieses Bauteil als Teil der Struktur, die es tatsächlich hält?“
Editierbare Teilstrukturmodellierung, CBFEM-Bauteile, normgerecht nachgewiesene Verbindungen, reale Steifigkeit der Verbindungen, Knickformen aus der LBA, sichtbare Imperfektionen und GMNIA werden in einem Workflow zusammengeführt – vom Strukturmodell bis zum abschließenden Bericht.
Das ist der Zweck der neuen Stability-Anwendung in IDEA StatiCa 26.1: knickgefährdete Bauteile als Teil der Struktur zu analysieren, zu der sie tatsächlich gehören.
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