Megengedi az AISC a végeselem-módszer alkalmazását a kapcsolattervezésben?

A végeselem-analízis általában, és különösen a nemlineáris végeselem-analízis már évek óta ismert és életképes kutatási módszernek számít. Segített kidolgozni azokat a szabványegyenleteket és rendelkezéseket, amelyeket a mérnökök alkalmaznak. Emellett a nemlineáris végeselem-analízist az Egyesült Államokban és szerte a világon széles körben alkalmazzák a mérnöki gyakorlatban, az egyszerűtől a bonyolult problémák megoldásáig. 

Az amerikai szabványok és előírások, köztük az ACI, az AISC, a TMS, az NDS és mások, tartalmaznak olyan rendelkezéseket, 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 ennek a módszernek az alkalmazását összetett problémákra, akkor még azokat az egyszerűbb problémákat is meg tudja oldani, amelyek feltételezésekkel egyszerűsítik a megoldást. A kutatások kimutatták, hogy az elemek és kapcsolatok tervezésének határállapotai megragadhatók végeselem-analízissel. Az alábbiakban néhány, az AISC kézikönyv különböző fejezeteiben hivatkozott irodalom található. 

Az AISC 360 kommentárja különböző helyeken jelzi a végeselem-analízis és a nemlineáris végeselem alkalmazásának lehetőségét, például:

• „A rendelkezések szintén megengedik a számítógépes analízis (pl. a végeselem-módszer) alkalmazását a D–H, J és K fejezetek által lefedett határállapotok értékelésére szolgáló Specifikációs egyenletek helyettesítésére" – a Kommentár szakaszban: 1. Függelék, Comm 1.1, 573. oldal, az AISC kézikönyv 16. kiadásában.
• „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 elem, 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." – Comm 1.3, 16.1-582, az AISC kézikönyv 16. kiadásában.
• „Ha a modellezendő kapcsolatok nem esnek az adatbázisok hatókörébe, lehetséges a válaszjellemzők meghatározása kísérletekből, egyszerű komponensmodellezésből vagy végeselem-vizsgálatokból (FEMA, 1995)." – B3. Kommentár, 16.1-322. oldal, az AISC kézikönyv 16. kiadásában. 
• „Ha a tervező mérnök olyan gerendákkal találkozik, amelyek nem rendelkeznek szimmetriatengely-sel, vagy bármely más olyan alakzattal, amelyre az F fejezet más szakaszaiban nincsenek rendelkezések, a feszültségeket a folyási feszültségre vagy a rugalmas kihajlási feszültségre kell korlátozni. A feszültségeloszlást és/vagy a rugalmas kihajlási feszültséget a szerkezeti mechanika elveiből, tankönyvekből vagy kézikönyvekből kell meghatározni, mint például az SSRC útmutató (Ziemian, 2010), folyóiratcikkek, vagy végeselem-analízisek segítségével. Alternatívaként a tervező elkerülheti a problémát az F fejezet korábbi szakaszaiban megadott számos lehetőség közül választott keresztmetszetek kiválasztásával." – Comm. F12, 16.1-393, az AISC kézikönyv 16. kiadásában. 
• „A hegesztési hossz 100-szorosánál nagyobb hegesztési hosszak esetén a hatékony hosszt a tényleges hossznál rövidebbnek kell venni. A J2.2b szakaszban megadott csökkentési tényező egyenértékű a CEN (2005) által megadottal, amely az európai végeselem-vizsgálatok és kísérletek alapján évek során kidolgozott exponenciális képletek egyszerűsített közelítése." – Comm J2., 16.1-484. oldal, az AISC kézikönyv 16. kiadásában.

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

• D függelék – Útmutató a végeselem-analízis alkalmazásához a talplemez analíziséhez és tervezéséhez, az exponált oszloptalplemez-kapcsolati részletekre összpontosítva

Az AISC Design Guide 24 – Üreges szerkezeti szelvény kapcsolatok, harmadik kiadás hivatkozik:

• „Az AISC Specifikáció K fejezetéhez fűzött Kommentár a rugalmatlan végeselem (FE) analízist olyan eszközként idézi, amely tapasztalt mérnökök számára az alkalmazhatósági határokat meghaladó tervezéshez használható, és ezt a lehetőséget az AISC Specifikáció 1. Függeléke megengedi. Mind a hegesztett, mind a csavart kapcsolatok tervezhetők FE módszerekkel, ahol a rugalmas analízis elegendő a fáradási tervezéshez, de a rugalmatlan analízis általában szükséges a végső határállapot megragadásához. A kiválasztott szoftver esetleges 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. megerősítését."  – 2.13. fejezet, 41. oldal.
• „Ebben az esetben az FE modellezési technikát, valamint a kiválasztott hálót és anyagparamétereket a kutatási irodalomból vagy összegyűjtött benchmark esetekből (amelyek viszont validálva lettek) származó FE analízisekkel kell ellenőrizni, például Wald et al. (2017) alapján." – 2.13. fejezet, 41. oldal. 

A statikus mérnökök és kapcsolattervezők eszközkészletet használhatnak munkájuk elvégzéséhez – az acél kapcsolatok biztonságos, pontos és gyors, AISC szerinti tervezéséhez. Az IDEA StatiCa egyedi és tesztelt végeselem-megoldásával részét képezi ennek az eszközkészletnek. Olvasson többet a módszerről az Elméleti háttérben és az átfogó ellenőrzési gyűjteményben.