Megengedi-e az AISC a végeselem-módszer alkalmazását a kapcsolatok tervezéséhez?

A végeselem-analízis általában, és különösen a nemlineáris végeselem-analízis már évek óta ismert és alkalmazható módszer a kutatásban. Segített kidolgozni azokat a szabványi egyenleteket és előírásokat, amelyeket a mérnökök használnak. Emellett a nemlineáris végeselem-analízist az Egyesült Államokban és világszerte széles körben alkalmazzák a gyakorlatban, az egyszerűtől a bonyolultig terjedő mérnöki problémák megoldására. 

Az amerikai szabványok és előírások – köztük az ACI, az AISC, a TMS, az NDS és mások – olyan rendelkezéseket tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik a nemlineáris végeselem-analízis alkalmazását olyan szerkezeti elemek és kapcsolatok esetén, amelyekre a szabványok nem terjednek ki, és amelyek jellemzően összetett kialakításúak. Ha a szabványok megengedik e módszer alkalmazását összetett problémákra, akkor az egyszerűbb, feltételezésekkel egyszerűsített feladatok megoldására is alkalmas. Kutatások igazolták, hogy a szerkezeti elemek és kapcsolatok tervezésének határállapotai végeselem-analízissel megragadhatók. Az alábbiakban az AISC kézikönyv különböző fejezeteiben hivatkozott irodalmak egy része olvasható. 

Az AISC 360 kommentárja több helyen is utal a végeselem-analízis és a nemlineáris végeselem-analízis alkalmazásának lehetőségére, például:

• „Az előírások lehetővé teszik számítógépes analízis (pl. a végeselem-módszer) alkalmazását is a D–H, J és K fejezetek által lefedett határállapotok értékelésére szolgáló specifikációs egyenletek kiváltására" – az AISC kézikönyv 16. kiadásának Kommentár szakaszában: 1. függelék, Comm 1.1, 573. oldal.
• „Bármely olyan tervezési módszer megengedett, amely rugalmatlan analízisen alapul és kielégíti az adott általános követelményeket. Ezek a módszerek magukban foglalhatják a nemlineáris végeselem-analízis alkalmazását (Crisfield, 1991; Bathe, 1995), amely kontinuum elemeken alapul egyetlen szerkezeti komponens – például egy kapcsolat – tervezéséhez, vagy másodrendű rugalmatlan keretanalízis alkalmazását (Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000) gerendákból, oszlopokból és kapcsolatokból álló szerkezeti rendszer tervezéséhez." – az AISC kézikönyv 16. kiadásának Comm 1.3, 16.1-582. pontjában.
• „Ha a modellezendő kapcsolatok nem esnek az adatbázisok hatókörébe, a válaszjellemzők meghatározhatók kísérletekből, egyszerű komponensmodellezésből vagy végeselem-vizsgálatokból (FEMA, 1995)." – az AISC kézikönyv 16. kiadásának B3. Kommentár, 16.1-322. oldalán. 
• „Ha a tervező mérnök olyan gerendákkal találkozik, amelyek nem rendelkeznek szimmetriatengely-lyel, vagy olyan más szelvényekkel, amelyekre az F fejezet többi szakasza nem tartalmaz előírásokat, a feszültségeket a folyáshatárra vagy a rugalmas kihajlási feszültségre kell korlátozni. A feszültségeloszlást és/vagy a rugalmas kihajlási feszültséget a szerkezeti mechanika elvei, tankönyvek vagy kézikönyvek – például az SSRC Guide (Ziemian, 2010) –, folyóiratcikkek vagy végeselem-analízisek alapján kell meghatározni. Alternatívaként a tervező elkerülheti a problémát az F fejezet korábbi szakaszaiban megadott számos lehetőség közül választott keresztmetszetek alkalmazásával." – az AISC kézikönyv 16. kiadásának Comm. F12, 16.1-393. pontjában. 
• „A varrat hosszának 100-szorosát meghaladó varrat hosszak esetén a hatékony hosszt a tényleges hossznál kisebbre kell venni. A J2.2b szakaszban megadott redukciós tényező egyenértékű a CEN (2005) által megadottal, amely az Európában évek során végzett végeselem-vizsgálatok és kísérletek alapján kidolgozott exponenciális képletek egyszerűsített közelítése." – az AISC kézikönyv 16. kiadásának Comm J2., 16.1-484. oldalán.

Az AISC Design Guide 1 – Acélszerkezetek oszloptalp-kapcsolatainak tervezése, harmadik kiadás – két új függeléket (C és D függelék) tartalmaz, amelyek módszereket kínálnak az oszloptalp-kapcsolatok keretanalízisben való megjelenítéséhez, valamint tervezési útmutatást nyújtanak végeselem-analízissel történő szimulációjukhoz.

• D függelék – Útmutató a végeselem-analízis alkalmazásához talplemezek analíziséhez és tervezéséhez, különös tekintettel a szabadon álló oszloptalp-kapcsolatok részleteire

Az AISC Design Guide 24 – Üreges szelvényű szerkezeti kapcsolatok, harmadik kiadás – a következőket idézi:

• „Az AISC Specifikáció K fejezetéhez fűzött kommentár a rugalmatlan végeselem (FE) analízist olyan eszközként jelöli meg, amelyet tapasztalt mérnökök az alkalmazhatósági határokat meghaladó tervezési feladatokhoz használhatnak, és ezt a lehetőséget az AISC Specifikáció 1. függeléke is megengedi. Mind hegesztett, mind csavart kapcsolatok tervezhetők FE módszerekkel; a rugalmas analízis elegendő a fáradási tervezéshez, azonban a végső határállapot megragadásához általában rugalmatlan analízis szükséges. A választott szoftver korlátait mindig ellenőrizni kell annak biztosítása érdekében, hogy a szoftver képes legyen megfelelően vizsgálni és megragadni a vizsgált határállapotot. Ez magában foglalhatja a nemlineáris analízis, a tönkremeneteli kritériumok, a megengedett csomópontok és elemek elegendő számának, a könyvtárban szereplő elemtípusoknak stb. ellenőrzését." – a 2.13. fejezet, 41. oldal.
• „Ebben az esetben az FE modellezési technikát, valamint a választott hálót és anyagparamétereket validálni kell a kutatási irodalomból vagy összegyűjtött benchmark esetekből (amelyek maguk is validáltak) származó FE analízisekkel szemben, például Wald et al. (2017) alapján." – a 2.13. fejezet, 41. oldal. 

A statikus mérnökök és kapcsolattervezők eszközök sorát alkalmazhatják feladataik elvégzéséhez – az acél kapcsolatok AISC szerinti biztonságos, pontos és gyors tervezéséhez. Az IDEA StatiCa egyedi és tesztelt végeselem-megoldásával részét képezi ennek az eszközkészletnek. A módszerről bővebben az elméleti háttérben és a kiterjedt ellenőrzési gyűjteményben olvashat.