Der Entwurf der Hauptstruktur wurde von Mott MacDonald als ursprünglichem Beratungsunternehmen erstellt. Der für den Bau verantwortliche Auftragnehmer war DHD Engineering, der unseren Kunden Ellis & Moore Consulting Engineers mit der Konstruktion der Anschlüsse beauftragt hat.
In diesem Artikel erklären wir die anspruchsvollen Teile dieser speziellen Verbindungskonstruktion und wie sie mit IDEA StatiCa Connection erfolgreich gelöst wurden, während wir die Verwendung der im Eurocode implementierten originalen Komponentenmethode bewerten und ihre Anwendung nachweisen in diesem speziellen Fall fast unmöglich ist.
Anschlussklassifizierung für manuelle Bemessung
Zunächst versuchen wir, die Vorgehensweise zu erklären, wenn eine komplexe Verbindung manuell konstruiert werden muss. Als Beispiel verwenden wir den im Bild rechts gezeigte N-Anschluss, der ein multiplanarer Anschluss ist. Um eine korrekte Berechnung mit der Komponentenmethode durchführen zu können, müssen wir die entsprechende Konfiguration in Abbildung 7.1 des Eurocodes erkennen (klicken Sie auf das Bild unten).
An der Geometrie der Verbindung können wir erkennen, dass es entlang der mit dem hellblauen Rechteck markierten Längsrichtung keine Probleme gab. Es kann eindeutig als N-Anschluss klassifiziert werden. Die Probleme beginnen beim schiefen Flugzeug! Letztendlich haben wir also zwei koexistierende „N“-Gelenke mit einem „Y“-Anschluss.
Entlang dieser Richtung kann das Problem leicht visualisiert werden, indem der realistische 3D-Ansichts-Screenshot aus dem finalen IDEA StatiCa Connection-Modell (siehe unten) verwendet wird. Für diese spezielle Konfiguration gibt es keine klare Anleitung in der Norm und/oder die in den entsprechenden Absätzen geforderten Grenzen für Überschneidungen usw. werden nicht unbedingt eingehalten. In diesem Fall benötigen Sie entweder eine fachkundige Beratung und ein angemessenes technisches Urteilsvermögen, wenn Sie die Komponentenmethode verwenden möchten. Da die Screenshots aus der fertigen Verbindung stammen, können wir außerdem sehen, dass verschiedene Verstärkungsbleche verwendet wurden, um die Verbindung zu verstärken und die erforderliche Tragfähigkeit zu erreichen. Allein die Existenz dieser Bleche macht die Verbindung bei Anwendung des Bauteilverfahrens unkonstruierbar.
Erfolgreiches Design mit der CBFEM-Methode
Diese Einschränkungen der Komponentenmethode gelten nicht für die CBFEM und IDEA StatiCa Connection, einfach weil die Verbindung genau so modelliert wird, wie sie in der Realität ist, und als verbindendes Element in alle Richtungen mit finiten Elementen analysiert wird. Nachdem alle Kräfte aufgebracht sind, kann das Modell gelöst werden; alle Schnittgrößen, die in unserem Modell zusammenwirken, werden berechnet und wir können uns sofort einen schnellen Überblick über alle Eurocode-Nachweise verschaffen, die eine sichere Bemessung zeigen.
Wichtig, im Vergleich zur Komponentenmethode, ist auch, dass dieser Workflow für alle Verbindungstypen gleich ist. Wenn also beispielsweise die rechteckigen Querschnitte aus irgendeinem Grund in kreisförmige oder I-förmige Querschnitte geändert wurden, müssen keine besonderen Überlegungen berücksichtigt werden. Dies ist bei der Komponentenmethode nicht der Fall, die für jede Querschnittsart spezielle Regeln hat.
Ein Hinweis zur Konstruktion von Verbindungen in Großbritannien
Wir können mit Sicherheit sagen, dass Bauingenieure bei der Konstruktion von Stahlverbindungen einem bestimmten Verfahren folgen, das in Großbritannien gängige Praxis zu sein scheint. Um die Verbindungen zu konstruieren, stellen die für die Grundkonstruktion der Struktur verantwortlichen Ingenieure Markierungen wie im Bild rechts zur Verfügung. Um für Menschen lesbare Informationen zu haben, werden Verbindungen gruppiert. Dann wird für jede Gruppe eine Umhüllende der wirkenden Kräfte erstellt. Dieses Verfahren verleiht der Verbindung eine Überfestigkeit, die zu einer sicheren Bemessung führt, aber auch den Informationsfluss zwischen den beiden Parteien erleichtert. Das Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass die erforderliche Überfestigkeit (zumindest in diesem speziellen Fall) so groß ist, dass die geschweißten Bauteile ohne die bereitgestellten Verstärkungsbleche den Kräften nicht standhalten könnten.
Dies bedeutet, dass sich der Verbindungskonstrukteur manchmal vor einer Sackgasse befindet, da eine Änderung der Größe des Bauteils keine akzeptable Praxis ist und in diesem Fall ordnungsgemäß begründet werden muss. In diesem speziellen Fall war die Verwendung von IDEA StatiCa Connection die einzige Möglichkeit für den Kunden, die erforderliche Bemessung ohne komplexe FEM-Analyse und die damit verbundenen Fallstricke zu erreichen.
Wirtschaftlichere Bemessung mit IDEA StatiCa Connection
Diese zuvor beschriebene gängige Praxis wurde auch in diesem Projekt zunächst angewendet. Infolgedessen führten die von den ursprünglichen beratenden Ingenieuren bereitgestellten Umhüllende der Bemessungslasten zu einer sehr unwirtschaftlichen Auslegung der primären Fachwerkverbindungen. Wie Sie im Bild unten sehen können, ergab der Vor-/Machbarkeitsbemessung einen sehr schweren Anschluss für eine Verbindungen mit 8 Bauteilen, die sich in der Mitte der Spannweite befindet.
Nach zwischenzeitlicher Kommunikation mit den wichtigsten beratenden Ingenieuren wurden die Kräfte geändert, um realistischere Kombinationen und durchführbare Konstruktionen zu erzielen. Diese Kräfte wurden in IDEA StatiCa Connection verwendet, und dann wurde eine wirtschaftlichere Konstruktion mit weniger zusätzlichen Platten erreicht. Das Ergebnis dieses neuen Ansatzes und der Kommunikation zwischen den beiden Seiten ist im Folgenden dargestellt:
Obwohl es das erste große Projekt war, bei dem wir IDEA StatiCa Connection verwendeten, halfen uns die allgemeine Philosophie und Praxis der Software, schnell mit solch komplexen Verbindungen zu arbeiten, die wir normalerweise von Hand entworfen hätten. In IDEA StatiCa Connection wurden all diese Verbindungen lösbar, und noch besser, es gibt keine besonderen Überlegungen. Der Arbeitsablauf ist unabhängig von der Geometrie gleich.
Wichtig war auch, dass die vernünftigen Anschlussdetails zu reduzierten Fertigungskosten führen und die Montage der Traversen relativ einfach war.
Das Projekt wurde also für alle Beteiligten als Erfolg gewertet… und die nächste Phase der Arbeit wird vom gleichen Team durchgeführt… mit ähnlichen Herausforderungen für die Konstrukteur.
Alexander Bezas
Eur Ing, BEng Hons / MSc Bauingenieur
Leitender Bauingenieur bei Ellis and Moore Consulting Engineer