Ein fortschrittlicher Ansatz für den seismischen Normnachweis von Stahlverbindungen

Etwa die Hälfte der in Nordamerika konstruierten Gebäude haben gewisse Anforderungen an seismische Bemessungen. Die seismische Bemessung hat sich weiterentwickelt – Ingenieure sehen sich mit Kapazitätsbemessung, disspativen Elementen, plastisches Gelenken, Verformungskapazität u.v.m. konfrontiert. Wie mit der Bemessung dieser Verbindungen umgehen?

Kapazitätsbemessung

Das Ziel der Kapazitätsbemessung besteht darin, zu bestätigen, dass ein Gebäude ein kontrolliertes duktiles Verhalten aufweisen kann, um einen Einsturz bei einem Erdbeben der Konstruktionsebene zu vermeiden. Dies beinhaltet die Bemessung der Struktur, um ein duktiles Versagen an vorhersehbaren Schlüsselstellen innerhalb der Struktur zu ermöglichen und zu verhindern, dass andere Versagensarten in der Nähe dieser Stellen oder anderswo in der Struktur auftreten.

Mit anderen Worten: In einer Struktur, die sowohl spröde als auch duktile Elemente enthält, ist die Kapazitätsbemessung ein Verfahren, um der Struktur eine insgesamt duktile Eigenschaft zu verleihen.

Einige Bauteile gelten als dissipativ und andere als konservativ. Von dissipativen Elementen wird erwartet, dass sie während eines seismischen Lastfalls erhebliche plastische Verformungen erfahren; die seismische Energie kann bei diesen Verformungen abgebaut werden und die seismische Belastung ist daher erheblich geringer. Andererseits müssen dissipative Elemente den zyklischen Belastungen ohne Risse standhalten und alle konservativen Elemente müssen die durch dissipative Elemente induzierten Lasten übertragen können.

All dies kann durch die innovative komponentenbasierte Finite-Elemente-Methode (CBFEM) modelliert und analysiert werden, die in die Anwendung IDEA StatiCa Connection implementiert wurde. Bauingenieure und Hersteller können sogar Modelle aus unterschiedlicher Software nutzen, um notwendige Daten mit IDEA StatiCa zu exportieren und zu synchronisieren. Alle Verbindungen können dann gemäß den seismischen Normen aus einer Reihe nationaler Normen (wie dem American Institute of Steel Construction (AISC), Eurocode (EC) und anderen Standards (CSA/EC/AUS/SNIP) nachgewiesen werden).

Dissipatives Element

Ein dissipatives Element wird mit erhöhter Festigkeit und modifiziertem Materialdiagramm modelliert. Ein Überfestigkeitsfaktor \(\gamma_{ov}\) ist in Materialien und ein Wiederverfestigungsfaktor \(\gamma_{sh}\) in der Operation des dissipativen Elements definiert. Beachten Sie, dass sich die Nomenklatur zwischen den Normen unterscheidet. Ein dissipatives Element ist von der Dehnungsnachweis der Platten ausgeschlossen.

IDEA StatiCa Connection überprüft die Verbindung auf die angewendete Bemessungslast, die ein plastisches Gelenk im ausgewählten dissipativen Element, normalerweise dem Träger, erzeugen sollte. Die plastische Dehnung im dissipativen Element sollte etwa 5% betragen. Dies kann als Bestätigung dienen, dass die Größe und Position der Lasten richtig bestimmt wurden.

Um die CBFEM-Prinzipien und -Annahmen sowie -Einschränkungen besser zu verstehen, ist es definitiv hilfreich, den theoretischen Hintergrund für Stahlverbindungen zu untersuchen.

Seismische Verbindungen und IDEA StatiCa nach AISC

Bauingenieure in den seismisch aktiven Gebieten sind mit Verbindungen in drei Schwierigkeitsgraden konfrontiert:

Einfach - Verbindungen definiert im AISC 358 der Bemessungsrichtlinien
Mittelschwer -Statiker müssen eine Mischung aus Normanforderungen aus AISC 341 und AISC 360 berücksichtigen
Komplex - Diese erfordern in der Regel entweder ein spezielles Experiment zur Validierung der Ergebnisse oder eine komplexe FEM-Analyse, die von einem Spezialisten durchgeführt wird

Für welche dieser Verbindungen ist IDEA StatiCa geeignet? Es kann die einfachen Verbindungen genau überprüfen, aber die Verwendung einer Excel-Tabelle mit vorqualifizierten seismischen Verbindungen kann immer noch schneller sein (und keine detaillierten Nachweise auslassen). IDEA StatiCa glänzt mit der zweiten und dritten Gruppe, in der Ingenieure die Vorlagen verlassen und ein flexibles Werkzeug haben möchten, um die Konstruierbarkeit verschiedener seismischer Verbindungen zu validieren.

Seismisches Bemessung einer Träger-Stütze-Verbindung

Seismische Verbindungen und IDEA StatiCa nach Euronorm

Die seismischen Anforderungen der Euronorm bestehen nicht so stark aus detaillierten Nachweisen, sodass Ingenieure, die IDEA StatiCa verwenden, die riesige Bibliothek von Verbindungen nutzen können. Das Entwerfen von mittelschweren, komplexen sowie einfachen Verbindungen wird dramatisch schneller, als mit jedem anderen Tool.

Die Verifizierungsstudien wurden für europäische präqualifizierte Verbindungen im Rahmen des EQUALJOINTS-Projekts durchgeführt. Dieses Projekt umfasst momenttragfähige Verbindungen. Die CBFEM-Analyse ist allgemein und jede Platte kann als dissipativ ausgewählt werden (eine Stelle, an der das plastische Gelenk erwartet wird) und die auf die Verbindung wirkenden Kräfte sollten entsprechend eingestellt werden. Die Verbindung sollte jedoch einer der experimentell präqualifizierten Verbindungen entsprechen und die vorgeschriebene Konstruktion sollte eingehalten werden. Die Anforderungen an die Konstruktion sind dem EQUALJOINTS-Projekt, AISC 358-20, bzw. AISC 341. zu entnehmen. Nur dann ist die ausreichende Verformungsfähigkeit der Verbindung gewährleistet.

Versuchen Sie es mit einer eigenen seismischen Verbindung!

Befolgen Sie dieses Tutorial zur Kapazitätsbemessung, und führen Sie eine Bemessung und einen seismischen Normnachweis einer Stahlverbindung durch. Die Erläuterung des Berechnungshintergrunds des Analysetyps Kapazitätsbemessung in IDEA StatiCa Connection finden Sie in diesem speziellen Abschnitt zur seismischen Bemessung.