scia.d.steel - Stahlbemessung

Das Modul Stahlnachweise bietet ein interaktives Werkzeug zum Ausführen von Querschnitts- und Stabilitätsbemessungen für Stahlbauteile. Von der Querschnittsklassifizierung bis hin zu Interaktionsnachweisen für die verschiedenen Lasteinwirkungen auf einem Bauteil leitet SCIA Engineer Sie beim Erreichen der optimalen Bemessung mit minimaler manueller Eingabe.
Die Bemessung folgt der FEM-Analyse. Sie können wählen, ob Verformungen nach Theorie II. Ordnung und Imperfektionen in der Analyse- oder in der Nachweisebene berücksichtigt werden sollen. Die Interaktion von Lasteinwirkungen und verschiedene Arten von Knicken werden in beiden Fällen richtig gehandhabt.
Die Nachweise im GZT werden gemäß EC3, AISC 360, SIA 263 und NBR 8800 ausgeführt. Die integrierte Intelligenz ermittelt, welche Normenvorschriften anwendbar sind, und wählt je nach Querschnittsklasse, Gesamtschlankheit usw. die geeigneten Bemessungsgleichungen für die Querschnitts- und Stabilitätsnachweise aus.
Nachweise im GZG sind für die Normen EC3, AISC 360 und SIA 263 verfügbar. Die Nachweise der Durchbiegungen im GZG gewährleisten die Integrität von Trennwänden, Fassaden und anderen nicht lasttragenden Bauteilen und Oberflächen sowie den Personenkomfort.

Vorteile

• Das Modul Stahlnachweise ist nahtlos in eine 3D-CAE-Grafikumgebung und -Benutzeroberfläche integriert und bietet dem Benutzer eine visuell auswertbare Anzeige der Bemessungsergebnisse: von Eigenschaften, Spannungen und Verformung bis zur Ausnutzung.
• Es werden zahlreiche symmetrische und asymmetrische Querschnitte sowie Bauteile mit variabler Höhe, Vouten und Steifen unterstützt.
• Stahlbleche, seitliche Abstützungen und Absteifungen stehen zur Verfügung, um die Bauteile zu stabilisieren und die Nachweise der Seitenstabilität zu verbessern.
• Knicklängen können berechnet oder manuell eingegeben werden. Die automatische Ermittlung basiert auf der Steifigkeitsantwort der Gesamtstruktur in der entsprechenden Knickebene. Aus der Ingenieurliteratur übernommene Formeln berücksichtigen außerdem die Steifigkeit der verbundenen benachbarten Elemente.
• Die Bemessung ist nahtlos mit der erweiterten Strukturanalyse integriert: Berechnung nach Theorie II. Ordnung, Stabilitätsanalyse, GNIA, GMNIA. Imperfektionen können beispielsweise basierend auf Formen definiert werden, die aus der Stabilitätsanalyse stammen.
• Zur Erleichterung der Modellierung stehen integrierte Bibliotheken für Werkstoffe, Stahlprofile und Dach- und Bodentrapezbleche aus verschiedenen Regionen zur Verfügung.
• Es besteht die Möglichkeit, die plastische Reserve von I-Profilen und Rechteckhohlprofilen durch Verwendung der Ergebnisse der SEMI-COMP+-Forschung zu nutzen.
• Schnelle Optimierungsroutinen ermitteln den idealen Querschnitt für die Feldlänge und die angewendeten Lasten.
   

 

 

Unterstützung für nationale Anhänge von Eurocode 3

Nationale Anhänge werden für zahlreiche Länder unterstützt: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Irland, Italien, Luxemburg, Malaysia, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Rumänien, Schweden, Singapur, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, Zypern. Die Auswahl der Verfahren und Beiwerte je nationalem Anhang kann überprüft und angepasst werden.

Querschnittanalyse

Die Querschnittsklassifizierung ist für die meisten Stahlnachweise ein vor dem Anwenden der Nachweisregeln erforderlicher Schritt. Das Modul Stahlnachweise führt eine zuverlässige Klassifizierung zahlreicher Querschnittformen aus.

• Die Profilbibliothek enthält zahlreiche Formen, die Sie direkt verwenden oder je nach Bedarf anpassen, speichern und wiederverwenden können. Warmgewalzte Produkte können nach Region gefiltert werden (europäisch, britisch, amerikanisch, russisch, brasilianisch, chinesisch usw.). Verschiedene Schweißblechformen sowie Querschnittpaare, Produkte von Arcelor Mittal, Westok-Kassettenträger und Stahlbinder vom American Steel Joist Institute sind verfügbar.
• Mit dem allgemeinen Querschnittseditor-Modul können Sie beliebige Querschnittsformen erstellen und in der Analyse und Strukturbemessung verwenden. Formen können auch aus DXF- oder DWG-Dateien importiert werden.
• Für jede Form, die durch Mittelachsen mit einer Dicke annähernd definiert werden können, führt SCIA Engineer die Klassifizierung aus.
• Warmgewalzte Querschnitte und Schweißbleche können manchmal auch unter Klasse 4 eingestuft werden. In diesem Fall leitet SCIA Engineer automatisch die wirksamen Querschnitte für Druck und Biegen um die starke und schwache Achse ab.

Werkzeug zur Querschnittsklassifizierung

Das Berechnen einer anderen Querschnittsklasse pro LF-Kombination ist harte Arbeit ... wenn Sie es von Hand ausführen. In einer automatisierten Berechnung kann diese Liebe zum Detail jedoch ein deutlich kostenwirksameres Ergebnis liefern.

Das intelligente Werkzeug von SCIA Engineer zur Querschnittsklassifizierung analysiert jeden Querschnitt, der sich durch Mittelachsen und Dicken annähern lässt, und ermittelt eine der vier Kategorien, die in EN 1993-1-1 (für die Bemessung für Feuerwiderstandsfähigkeit: EN 1993-1-2) beschrieben sind. Die Klassifizierung erfolgt im Modul Stahlnachweise und wird pro LF-Kombination an mehreren Stellen entlang des Trägers/der Stütze/der Pfette ausgeführt.

Für Eurocode 3, AISC 360 und SIA 263 kann das Werkzeug außerdem im eigenständigen Modus ausgeführt (über den Dialog zur Bearbeitung eines Querschnitts aufgerufen) werden. Der eigenständige Modus eignet sich für das Ausführen von Tests, für Vergleiche mit manuellen Berechnungen und als Lernunterstützung für Studierende. Der echte Mehrwert des Werkzeugs liegt jedoch in seiner Integration mit den Stahlnachweisen.

Für Bauteile mit Vouten oder beliebiger Form wird bei der Klassifizierung außerdem die variierende Querschnittgeometrie entlang der Bauteillänge berücksichtigt.

 

Routinen für die plastische Neutralachse

Zur Anwendung der Formeln für die Querschnittsklassifizierung gemäß Norm muss die Position der Neutralachse ermittelt werden. Im Fall einer plastischen Interaktion N + My + Mz ist dies keine einfache Aufgabe.
Das Klassifizierungswerkzeug stellt dem Benutzer drei numerische Verfahren zur Ermitteln der Neutralachse zur Verfügung. Jedes Verfahren bietet einen anderen Genauigkeitsgrad. Je nach vorliegender Aufgabe können Sie den idealen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit wählen.
Beschreibung der drei Verfahren:

• Elastische Spannungen: Die elastische Spannungsverteilung wird zur Berechnung der plastischen Spannungsverteilung mittels fester Formeln verwendet.
• Schnittpunkt der Fließfläche: Für den Querschnitt wird eine diskrete plastische Fläche (Fließfläche) oder „Punktwolke“ abgeleitet. Die tatsächlichen Schnittgrößen werden dann im Maßstab angepasst, bis sie sich mit der Fließfläche schneiden. Der Punkt in der diskreten Fließfläche, der am nächsten am Schnittpunkt liegt, wird zur weiteren Ermittlung der plastischen Spannungsverteilung verwendet.
• Iterativer Ansatz: Die tatsächlichen Kräfte werden iterativ erhöht und dabei wird jedes Mal die Verformungsebene berechnet. Wenn keine Ebene ermittelt werden kann, wurde die Fließfläche überschritten. In diesem Fall kehrt der Algorithmus einen Schritt zurück und wiederholt die Iteration mit kleineren Inkrementen. Die Verformungsebene des letzten berechneten Schritts wird als Fließfläche verwendet.

Das Verfahren Schnittpunkt der Fließfläche bietet einen sehr guten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit.

Wirksamer Querschnitt

Die Eigenschaften des wirksamen Querschnitts werden nicht nur für dünnwandige Bauteile aus kaltgewalztem Stahl benötigt. Andere schlanke Träger, insbesondere Schweißbleche, werden oft der Klasse 4 zugeordnet. Solche Träger bieten elegante technische Lösungen und eine effiziente Werkstoffnutzung, wenn sie intelligent bemessen werden.
In Eurocode 3, SIA 263 und AISC 360 wird ein wirksamer Querschnitt für jede Stahlform der Klasse 4 abgeleitet: warmgewalzte oder geschweißte, geschlossene oder offene, in der Bibliothek definierte Querschnitte oder allgemeine dünnwandige Querschnitte. SCIA Engineer bietet eine große Flexibilität beim Bemessen von schlanken Stahlbauteilen: Diese werden in flache Wände und Steifen aufgeteilt, deren Geometrie dann basierend auf ihrer Schlankheit und der enthaltenen Spannungen reduziert wird.
Die erhaltenen wirksamen Querschnitte können grafisch dargestellt werden. Alle Iterationen der Berechnung werden in Tabellen zusammengefasst.

Unterstützung für SEMI-COMP+ in Eurocode 3

Im Rahmen des Forschungsprojekts RFS2-CT-2010-00023 SEMI-COMP+ wurden einige Publikationen mit Vorschlägen zum Erreichen einer wirtschaftlicheren Bemessung von Querschnitten der Klasse 3 veröffentlicht. In Eurocode 3 ist festgelegt, dass für diese „semiplastischen“ Querschnitte nur die elastische Tragfähigkeit anzunehmen ist. Dies ist ein recht konservativer Ansatz und es kann stattdessen ein je nach Schlankheit des Querschnitts ein gewisser Teil der plastischen Reserve genutzt werden.
Die plastische Reserve, die auf der tatsächlichen Querschnittschlankheit basiert, wurde in SCIA Engineer nun für doppelt symmetrische I-Profile und Rechteckhohlprofile implementiert. Anstelle der Diskontinuität am Übergang zwischen Klasse 2 und 3 (Sprung von der rein plastischen Querschnittstragfähigkeit zur rein elastischen Querschnittstragfähigkeit) wird eine graduelle Reduzierung der plastischen Reserve angewendet, bis der Grenzwert der Klasse 4 erreicht ist. Beachten Sie, dass dieser graduelle Übergang in Eurocode 9, SIA 263, AISC 360 und AISI S100 bereits vorgeschrieben wird.
Die geänderten Klassifizierungsgrenzen, die im Forschungsbericht SEMI-COMP+ veröffentlicht wurden, wurden auch in SCIA Engineer implementiert. Bei semiplastischen Bemessung von Querschnitten der Klasse 3 sollten diese Grenzwerte unbedingt verwendet werden, weil sie dem Sicherheitsbeiwert aus EC3 bei Anwendung der SEMI-COMP+-Bemessungsregeln entsprechen.

Bemessungsnachweise

Im Modul Stahlnachweise wird eine umfassende Analyse aller definierten oder erzeugten LF-Kombinationen ausgeführt, um die Extremwerte des Querschnitts und die Stabilitätsausnutzung zu ermitteln:

• Integrierte Mechanismen ermitteln basierend auf der Geometrie, den Schnittgrößen, dem Vorhandensein von Blech und anderen Modellparametern, welche Normvorschriften anwendbar sind.
• Für Querschnitte werden die folgenden Nachweise ausgeführt: Längskraft (Zug oder Druck), Biegemomente, Querkräfte, Torsion, Querschnittverwölbung in I-Profilen, U-Profilen und anderen dünnwandigen Querschnitten, kombinierte Nachweise.
• Die folgenden Stabilitätsnachweise werden ausgeführt: Biegeknicken (Eulersche Knickformel) für axial belastete Elemente, Drillknicken und Biegedrillknicken für axial belastete Elemente, Biegedrillknicken für Bauteile mit Biegebelastung, Schubknicken und Effekte von Ersatzkräften für Elemente mit Schubbelastung, Knicken bei ausmittigem Druck, kritische Schlankheit (nur vorgeschrieben).
• Explizite Einstellungen sind verfügbar für Biegedrillknicken: Einschränkungen des Biegedrillknickens, Knicklänge, Lastposition (oben, unten, Mitte, stabilisierend, destabilisierend).
• Für die Berechnung von Mcr für die BDK-Nachweise werden drei Analyseverfahren bereitgestellt: ECCS Galea, Lopez et al und ENV 1993-1-1 Anhang F. Der Wert kann auch numerisch durch die Stabilitätsanalyse eines Schalenmodells oder über Werkzeuge von Drittanbietern ermittelt werden.
• Die Interaktion der Lasteffekte wird im Querschnitts- und Stabilitätsnachweis berücksichtigt.
• Für Eurocode 3 wird das Knicken von schlanken Gurten für integrierte Träger oder geschweißte Dreiplattenträger nachgewiesen.
• Für Bauteile mit variabler Höhe, die gemäß EC3 oder SIA 263 bemessen werden, wird das Knicken unter Druckbeanspruchung basierend auf den Empfehlungen im „ECCS Design Manual“ (ECCS-Bemessungshandbuch) für EN 1993-1-1 berechnet. Für Überprüfungen gemäß AISC 360 wird das in der Norm beschriebene Verfahren verwendet.

Feuerwiderstandsnachweis 

Ein Brandnachweis sowohl für Spannungen als auch Stabilität kann nach EN 1993-1-2 im Widerstands- und im Temperatur-Zeit-Bereich geführt werden.
SCIA Engineer ermittelt die Entwicklung der Gas- und Werkstofftemperaturen im Verlauf der Zeit auf Grundlage der Regeln aus der Norm, der ausgewählten Brandkurve, der Brandbeanspruchungsart der Bauteile und des Feuerschutzes, sofern definiert. Die geänderten Widerstandswerte bei hohen Temperaturen sind abgeleitet. Der Nachweis des Feuerwiderstands für Stahlbauteile entspricht außerdem den Empfehlungen aus ECCS N 111.
Die Nachweise der Feuerwiderstandsfähigkeit werden in der gleichen Arbeitsumgebung wie die Stahlnachweise bei Umgebungstemperatur ausgeführt. Sie liefern folgende Möglichkeiten und Vorteile:

• Die Funktionalität ist nahtlos mit anderen Analyse- und Bemessungsfunktionen integriert und ergänzt die grundlegenden Werkzeuge von SCIA Engineer für Stahlstrukturen.
• Die Bemessung von Strukturen für Brandbedingungen kann auf Berechnungen der ersten oder zweiten Ordnung erfolgen.
• Es stehen Bibliotheken für Brandkurven und Wärmeisolierungen zur Verfügung, die um benutzerdefinierte Einträge erweitert werden können.
• Klare und umfassende Protokolle in verschiedenen Detailstufen: von der kurzen Übersicht pro Bauteil bis hin zum detaillierten Rechenprotokoll mit Formeln und Verweisen auf die angewendeten Normenartikel.
• Benutzerdefinierte Feuerwiderstandsdaten können für die Gesamtstruktur oder je Bauteil in der Struktur definiert werden: erforderlicher Feuerwiderstand (R15, R30, R60), Wärmeisolierung usw.
• Detaillierte Brandszenarien können simuliert werden, mit benutzerdefinierter Brandbeanspruchung (3- oder 4-seitig), Brandschutzlagen und Berücksichtigung der Abschattung für ungeschützte Bauteile.
• Alternative Längenbeiwerte für das Biegeknicken im Brandfall können festgelegt werden.
• Die aktuellen Querschnittsbeiwerte Am/V und [Am/V]b werden für jeden unterstützten Querschnitt der Bibliothek angegeben.
• Die Querschnittklassifizierung wird speziell für Brandsituationen ausgeführt.
• Das Programm durchläuft die definierten Lastfälle/LF-Kombinationen, um die Ausnutzung abzuleiten, und zeigt kritische Bauteile an.
• Das Modul enthält eine Funktion zur Querschnittoptimierung: Sowohl für geschützte als auch für ungeschützte Bauteile werden basierend auf dem vom Benutzer angegebenen Zielausnutzungsgrad die idealen Querschnitte ermittelt.
• Die kritische Stahltemperatur in der Temperaturdomäne kann in einem iterativen Verfahren ermittelt werden. In diesem Fall stellt SCIA Engineer sicher, dass die kritische Temperatur einer Ausnutzung von 100 % entspricht. Beim vereinfachten, nicht iterativen Verfahren wird der anfänglich berechnete Nutzungsbeiwert μ verwendet.
• Allgemeine Funktionen von SCIA Engineer ermöglichen eine einfache Auswahl der Bauteile, die eine ähnliche Brandschutzisolierung oder sonstige ähnliche Einstellungen haben oder einen ähnliche Ausnutzung aufweisen.

 

Die folgenden Temperaturkurven sind in der Software enthalten:

• Kurve gemäß ISO 834
• externe Brandkurve
• Kohlenwasserstoffkurve
• Schwelbrandkurve

Benutzerdefinierte Temperaturkurven können ebenfalls definiert und verwendet werden.
Sie können einen Feuerschutz angeben. Integrierte Wärmeisolierungen:

• Faserplatten, Vermiculit-/Silikat-/Zementplatten, Gipsplatten
• Mineralfaser
• Vermiculitzement, Perlit, Gipsspray
• Brandschutzbeschichtungen

Außerdem kann für die Gesamtstruktur oder pro Bauteil Folgendes ausgewählt werden:

• Brandbeanspruchung je Querschnitt (alle Seiten, nur drei Seiten)
• Parameter für die Nettowärmestromdichte, z. B. Koeffizient αc für die Wärmeübertragung durch Konvektion, Wärmestrahlung
• alternative Knicklängenbeiwerte für den Brandfall
• Feuerwiderstands-Sicherheitsbeiwerte (Werte gemäß Eurocode, SIA und NEN sind standardmäßig verfügbar)
• allgemeine Daten in Bezug auf Biegedrillknicken, Trapezbleche und Schubbeulsteifen
   

Der Nachweis des Feuerwiderstands wird für folgende Querschnitte unterstützt:

• symmetrische und asymmetrische I-, L-, U- und T-Profile
• rechteckige und kreisförmige Hohlprofile oder Vollprofile
• einfache und doppelte Winkel
• zusammengesetzte geschweißte Stahlprofile
• Profile mit Vouten, I-Profile mit variabler Höhe
• kaltgeformte Einzelplatten-Stahlprofile
• numerisch definierte Querschnitte mit manuell definierten Querschnitteigenschaften
• integrierte Träger vom Typ IFBA, IFBB, SFB und THQ
   

Protokolle

Das Stahlbemessungsmodul profitiert von einer interaktiven Dokumentschnittstelle, in der die Ergebnisse der Bemessung, einschließlich der Brandbemessung, in verschiedenen Formen leicht zugänglich sind:

• Die Diagramme zum Ausnutzungsgrad mit Farbcodierung in der 3D-Ansicht ermöglichen ein schnelles Identifizieren von Problemen in der Struktur.
• Das Bemessungsergebnis für alle Bauteile lässt sich als Kurzausgabe oder Ergebnistabelle in tabellarischer Form drucken.
• Ein Zusammenfassungsbericht pro Bauteil fasst wichtige Parameter der Bemessung und alle Nachweise auf einer einzelnen Seite zusammen.
• Die Detaillierte Ausgabe enthält alle Berechnungen als Formeln (oder wahlweise als Tabellen) mit Verweisen auf die angewendeten Paragrafen aus der Norm, sodass sich die einzelnen Bemessungsschritte nachvollziehen lassen.
• Der Zusammenfassungsbericht und die detaillierte Ausgabe können direkt durch Doppelklicken auf die Zeilen in den Ergebnistabellen aufgerufen werden. Dies bietet schnellen Zugriff auf die Berechnungsdetails zu den am Bildschirm gezeigten Bauteilen.
• Fehler, Warnung und Hinweise können interaktiv angezeigt werden, indem in der 3D-Ansicht der Mauszeiger über bestimmte Bauteile bewegt wird.
• Eine detaillierte Übersicht der Querschnittsklassifizierung und Ableitungen wirksamer Querschnitte kann ebenfalls zum Berechnungsprotokoll hinzugefügt werden.
• Beim Zeichnen der Ergebnisse werden jederzeit die ausgewählten Einstellungen (wie ausgewählte LF-Kombination, Bauteilnamen, Berechnungstypen und Extremwerte) oben links in der Ergebnislegende angezeigt.
• Neben dem allgemeinen Ausnutzungsgrad können in den Ergebniskomponenten spezifische Nachweise für Bauteile angezeigt werden.

Diese Berichterstellungsfunktionen bieten zwei Vorteile: Sie beschleunigen den Bemessungsvorgang und bieten außerdem die Möglichkeit, eine komplette und transparente Projektdokumentation zu erstellen, mit der sich Dritte und Genehmigungsbehörden von der Qualität und dem Umfang der ausgeführten Überprüfungen der Strukturbemessung überzeugen können.

Erweiterungen

• In Verbindung mit dem Modul Kaltgeformter Stahl können mit der Funktion Stahlnachweise kaltgeformte Stahlelemente gemäß EN 1993-1-3 bemessen und die entsprechenden Nachweise erstellt werden.
• Das Modul der erweiterten Materialnichtlinearität ermöglicht das Ausführen einer nichtlinearen Analyse mit plastischen Gelenken, d. h. mit werkstofflicher Nichtlinearität an 1D-Trägerelementen.
• Weitere Add-ons für die Stahlbemessung finden Sie auf der SCIA Garage-Website, z. B. Nachweise für Stahlplatten gemäß EN 1993-1-6, Nachweise der Ermüdung gemäß EN 1993-1-9.