Lernmodul 6: Verifizierung
Das Entwerfen von Verbindungen kann schwierig zu vermitteln sein, da das Thema sehr detailliert ist und die meisten Verbindungen ein grundlegend dreidimensionales Tragverhalten aufweisen. Verbindungen sind jedoch von entscheidender Bedeutung, und die im Rahmen des Verbindungsentwurfs gewonnenen Erkenntnisse – einschließlich des Lastpfads sowie der Identifikation und Bewertung von Versagensmodi – sind allgemeingültig und auf die Tragwerksplanung insgesamt übertragbar. IDEA StatiCa verwendet ein rigoroses nichtlineares Analysemodell und verfügt über eine benutzerfreundliche Oberfläche mit einer dreidimensionalen Darstellung der Ergebnisse (z. B. verformte Gestalt, Spannung, plastische Dehnung) und eignet sich daher hervorragend zur Untersuchung des Tragverhaltens von Stahlanschlüssen. Aufbauend auf diesen Stärken wurde eine Reihe von geführten Übungen entwickelt, die IDEA StatiCa als virtuelles Labor nutzen, um Studierenden das Verständnis von Konzepten im Bereich des Tragverhaltens und der Bemessung von Stahlanschlüssen zu erleichtern. Diese Lernmodule richten sich in erster Linie an fortgeschrittene Bachelor- und Masterstudierende, wurden jedoch auch für praktizierende Ingenieure geeignet gestaltet. Die Lernmodule wurden von Associate Professor Mark D. Denavit von der University of Tennessee, Knoxville entwickelt.
Lernziel
Nach Durchführung dieser Übung sollte der Lernende in der Lage sein, die Ergebnisse von IDEA StatiCa mit traditionellen Methoden auf Basis der AISC Specification zu vergleichen.
Hintergrund
Die Nutzung von Softwarewerkzeugen, die von anderen entwickelt wurden, ist in der Ingenieurpraxis eine praktische Notwendigkeit. Wenn ein Ingenieur jedoch einen Plansatz unterzeichnet, übernimmt er persönliche Verantwortung für die Bemessung. Selbst im Idealfall, in dem der Ingenieur Software zur Unterstützung – und nicht als Ersatz – seines Urteilsvermögens einsetzt, muss er diesen Softwarewerkzeugen vertrauen, dass sie aussagekräftige Ergebnisse liefern. Bei numerischen Simulationen sind Verifikation und Validierung die wichtigsten Methoden, um dieses Vertrauen aufzubauen und zu quantifizieren (Oberkampf et al. 2002).
Verifikation bezeichnet den Prozess der Feststellung, ob eine Modellimplementierung die konzeptionelle Beschreibung des Modells durch den Entwickler und die Lösung des Modells korrekt wiedergibt. Validierung bezeichnet den Prozess der Feststellung, in welchem Maß ein Modell aus der Perspektive der beabsichtigten Verwendung eine genaue Darstellung der Realität ist.
Beziehungen zwischen der Realität, einem konzeptionellen Modell und einem computergestützten Modell (SCS Technical Committee on Model Credibility 1979)
Für IDEA StatiCa besteht der beabsichtigte Einsatzzweck des komponentenbasierten Finite-Elemente-Modells (CBFEM) darin, als numerische Bemessungsberechnung zu dienen, um festzustellen, ob eine Verbindung den Normen entspricht und sicher ist – nicht unbedingt, um Ergebnisse zu liefern, die dem erwarteten Tragverhalten der Verbindung so nahe wie möglich kommen. Sicherheitsbeiwerte sind einbezogen, und Konservativismus wird toleriert. Da die Bemessungsannahmen, die das konzeptionelle Modell für IDEA StatiCa bilden, auf Bemessungsnormen wie der AISC Specification (AISC 2022) basieren, umfasst die Verifikation für IDEA StatiCa Vergleiche mit der AISC Specification. Die Verifikation beinhaltet auch weitere Vergleiche, um sicherzustellen, dass das Finite-Elemente-Modell die angenommene Mechanik der Verbindungen korrekt abbildet. Die Validierung für IDEA StatiCa umfasst den Vergleich mit Ergebnissen physikalischer Experimente.
Da IDEA StatiCa und die AISC Specification dieselbe Zielsetzung verfolgen, kann ein direkter Vergleich angestellt werden, indem die maximalen Lasten untersucht werden, die jede Methode für eine bestimmte Verbindung zulässt. Bei diesem Vergleich sollte die Bestimmung der maximalen aufgebrachten Lasten anhand der Verfahren und Einstellungen erfolgen, die ein Ingenieur in der Praxis verwenden würde. Der Vergleich von IDEA StatiCa mit experimentellen Ergebnissen zur Validierung ist weniger eindeutig und beinhaltet typischerweise die Entfernung von Sicherheitsbeiwerten sowie die Verwendung gemessener Werkstoff- und Geometrieeigenschaften in IDEA StatiCa.
Als Softwareunternehmen führt IDEA StatiCa umfangreiche Verifikationen und Validierungen seiner Software durch, wie auf der Website und in Büchern dokumentiert (Wald et al. 2020, Denavit et al. 2024). Der Anwender kann jedoch auch selbst Verifikationen und Validierungen durchführen. Dies trägt dazu bei, Vertrauen in die Software und Kenntnisse über CBFEM aufzubauen und kann das Verständnis der Tragfähigkeit und des Tragverhaltens von Verbindungen vertiefen.
Der Verifikationsprozess ist analog zur Durchführung der wissenschaftlichen Methode mit der Hypothese, dass das Modell korrekte Ergebnisse liefert, und der Notwendigkeit, diese Hypothese durch ein (virtuelles) Experiment zu testen. Wie bei jedem Experiment ist das Versuchsdesign entscheidend, um das Experiment so aussagekräftig wie möglich zu gestalten. Herausfordernde Fälle sollten bewertet werden, aber es ist oft am besten, mit einfacheren Fällen zu beginnen.
Diese Übung führt den Lernenden durch die Verifikation von IDEA StatiCa im Vergleich zur AISC Specification für Verbindungen mit Schrauben in Kombination mit Schweißnähten. Anforderungen für Schrauben in Kombination mit Schweißnähten sind in AISC Specification Abschnitt J1.8 festgelegt. Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Anforderung: „Schrauben dürfen nicht als lastmittragend in Kombination mit Schweißnähten betrachtet werden, außer bei der Bemessung von Schubverbindungen auf einer gemeinsamen Kontaktfläche, bei der die Dehnungskompatibilität zwischen Schrauben und Schweißnähten berücksichtigt wird." Der Abschnitt enthält auch eine zulässige Methode zur Berücksichtigung der Dehnungskompatibilität für eine bestimmte Klasse von Verbindungen sowie die Aussage: „Bei Verbindungen mit kombinierten Schrauben und Längsschweißnähten muss die Tragfähigkeit der Verbindung nicht geringer angesetzt werden als entweder die Tragfähigkeit der Schrauben allein oder die Tragfähigkeit der Schweißnähte allein."
Wie im Kommentar zur AISC Specification beschrieben, besteht die Schwierigkeit bei der Kombination von Schrauben und Schweißnähten darin, dass sie ihre Grenztragfähigkeit nicht bei demselben Verformungsgrad erreichen.
Repräsentative Last-Verformungs-Charakteristiken (Kulak und Grondin 2003)
Das Vorspannen von Schrauben erhöht die Steifigkeit der Verbindung und ermöglicht eine effektivere Lastverteilung zwischen Schrauben und Schweißnähten. Deshalb gilt die in AISC Specification Abschnitt J1.8 beschriebene zulässige Methode nur für Verbindungen mit vorgespannten Schrauben.
Tragfähigkeitsnachweise für Schrauben und Schweißnähte sind in IDEA StatiCa unabhängig voneinander, ohne besondere Behandlung des Falls, in dem Schrauben und Schweißnähte Last gemeinsam abtragen. Durch die explizite Modellierung der Steifigkeit von Schrauben, Schweißnähten, Bauteilen und Verbindungselementen wird die Dehnungskompatibilität in IDEA StatiCa stets berücksichtigt. Wenn Schrauben und Schweißnähte Last gemeinsam abtragen, basiert die erforderliche Tragfähigkeit jedes Elements auf der relativen Steifigkeit, und die vorhandene Tragfähigkeit wird wie üblich berechnet. Die Gültigkeit dieses Ansatzes kann durch Vergleich nachgewiesen werden.
Verbindung
Die in dieser Übung untersuchte Verbindung stößt zwei plattenförmige Zugbauteile zusammen. Vorgespannte Schrauben und Schweißnähte werden auf allen Kontaktflächen kombiniert eingesetzt. Verschiedene Schweißnahtlängen werden untersucht. Der Einfachheit halber wird die Schweißnahtlänge nur auf der rechten Seite der Stoßverbindung angepasst. Die Verbindung wurde so bemessen, dass die Tragfähigkeit von Schrauben und Schweißnähten die des Bauteils und der Verbindungselemente maßgebend ist.
Vorgehensweise
Die Vorgehensweise für diese Übung setzt voraus, dass der Lernende über grundlegende Kenntnisse in der Bedienung von IDEA StatiCa verfügt (z. B. Navigation in der Software, Definition und Bearbeitung von Operationen, Durchführung von Analysen und Nachschlagen von Ergebnissen). Anleitungen zur Entwicklung dieser Kenntnisse sind im IDEA StatiCa Support Center verfügbar.
Vor Beginn der Übung empfiehlt es sich, AISC Specification Abschnitt J1.8 und den zugehörigen Kommentar zu lesen sowie die Beschreibung, wie IDEA StatiCa Schrauben in Kombination mit Schweißnähten behandelt, in diesem Katalogeintrag.
Rufen Sie die IDEA StatiCa-Datei für die Beispielverbindung ab, die dieser Übung beigefügt ist. Öffnen Sie die Datei in IDEA StatiCa Connection. Um die Übung durchzuführen, folgen Sie der Beschreibung, erledigen Sie die Aufgaben und beantworten Sie die Fragen.
Untersuchen Sie die Verbindung nur mit Schrauben.
Untersuchen Sie die Verbindung nur mit Schweißnähten (L = 6 in.).
Untersuchen Sie die Verbindung mit Schrauben und Schweißnähten (L = 6 in.).
Die Verifikation sollte über einen Parameterbereich durchgeführt werden. Die relative Tragfähigkeit von Schrauben und Schweißnähten ist ein wichtiger Parameter für die Methode zur Kombination der Tragfähigkeiten von Schrauben und Schweißnähten in der AISC Specification. Die relative Tragfähigkeit kann durch Anpassen der Schweißnahtlänge variiert werden. Untersuchen Sie die Verbindung mit verschiedenen Schweißnahtlängen.
Über Vergleiche hinaus umfasst die Verifikation die Analyse der Daten, um Schlussfolgerungen zu ziehen und Richtungen für weitere Untersuchungen zu identifizieren.
Literatur
AISC. (2022). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AWS. (2020). Structural Welding Code—Steel. American Welding Society. Doral, Florida.
Denavit, M. D., Nassiri, A., Mahamid, M., Vild, M., Wald, F., and Sezen, H. (2024). Steel Connection Design by Inelastic Analysis. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
Kulak, G. L., and Grondin, G. Y. (2003). "Strength of Joints that Combine Bolts and Welds." AISC Engineering Journal, 40(2), 89–98.
Oberkampf, W. L., Trucano, T. G., and Hirsch, C. (2002). "Verification, Validation and Predictive Capability in Computational Engineering and Physics." Proceedings of the Foundations for Verification and Validation on the 21st Century Workshop, Laurel, Maryland, 1–74.
SCS Technical Committee on Model Credibility. (1979). "Terminology for model credibility." Simulation, SAGE Publications Ltd STM, 32(3), 103–104.
Wald, F., Šabatka, L., Bajer, M., Jehlička, P., Kabeláč, J., Kožich, M., Kuříková, M., and Vild, M. (2020). Component–Based Finite Element Design of Steel Connections. Czech Technical University in Prague.