Component based finite element design of steel joints

Component based finite element design of steel joints

journal article in Web of Science

German

In diesem Beitrag werden die Grundsätze der mehrstufigen Finite- Elemente-Modellierung für die Bemessung von Stahlverbindungen beschrieben. Der wesentliche Bestandteil der Bemessung durch finite Elemente ist die Validierung und Verifizierung des Modells und seiner Ergebnisse. Für Modelle mit Schalen- und Volumenkörpern handelt es sich um eine Untersuchung der Netzsensitivität. Bei der komponentenbasierten Finite-Elemente-Methode (CBFEM) werden die Stahlplatten mittels nichtlinearer Materialanalyse (MNA) untersucht. Ihre Tragfähigkeit im plastischen Zustand wird durch die Dehnungen begrenzt. Das Verhalten der Komponenten, z. B. von Schrauben, Ankerschrauben, Schweißnähten usw., wird durch die Einführung nichtlinearer Federn berücksichtigt, die das Verhalten der Komponenten in Bezug auf Anfangssteifigkeit, Zugtragfähigkeit und Verformungskapazität darstellen. Zur Erläuterung dieses Vorgehens wird ein Überblick über die Erfolgsgeschichte der Finite-Elemente-Analyse (FEA) in Stahlbauverbindungen zusammengestellt. Dieser Beitrag zeigt Unterschiede zwischen den forschungs- und bemessungsorientierten Modellen und den aktuellen Erkenntnissen in der Modellierung von Verbindungskomponenten. Beide haben ihre Berechtigung in weiterführenden Untersuchungen. Die Validierung und Verifizierung wird am Modell des Blockversagens aufgrund des Versagens für die Knotenblechverbindung und für die durch Biegemomente um beide Achsen belasteten Grundplatten dargestellt. Die Schlussfolgerung zeigt das Potenzial bei der Bemessung von Bauteilen, einschließlich ihrer Anschlüsse.

Component based finite element design of steel joints. This paper describes the principles of multi-level finite element modelling for design of structural steel joints. The internal part of the design by finite elements is the validation and verification of the model and its results. For models by shell and solid elements is mesh sensitivity study. In component bases finite element design (CBFEB) are the steel plates considered by geometrically and materially non-linear analysis (GMNA). Its resistance in elastoplastic stage is limited by strains. The behaviour of components, e. g. of bolts, anchor bolts, welds etc., is treated by introducing nonlinear springs representing its behaviour in term of initial stiffness, ultimate resistance and deformation capacity. To show this process a contribution is prepared, which summarises the history of achievements of finite element analyses (FEA) in structural steel connections. This paper shows differences of the research-oriented and design-oriented models and the currents trends in modelling of connection components. Both have their roles in advanced analyses. The validation and verification is demonstrated on model of block shear during potential failure mode for gusset plate connection and for the base plates loaded by bending moments to both axes. The summary shows the potential in design of elements including its connection.

steel structure; joints; multi-level model; finite element analyses; block shear; base plate; conception and design

steel structure; joints; multi-level model; finite element analyses; block shear; base plate

F. Wald, M. Vild, M. Kuříková, J. Kabeláč, D. Sekal, N. Maier, L. Da Silva Seco, M. Couchaux

14. 4. 2020

ERNST & SOHN

BERLIN

1437-1049

Stahlbau

89

5

Federal Republic of Germany

482

495

14

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/stab.202000013