scia.d.steel - Staal

De module Staalontwerp is een interactief hulpmiddel voor doorsnede- en stabiliteitsontwerp van staalelementen. SCIA Engineer helpt u met het classificeren van doorsneden en interactiecontroles voor diverse belastingseffecten op een element, voor een optimaal ontwerp met een minimum aan handmatige invoer.
Het ontwerp volgt de EEM-analyse. U kunt kiezen of tijdens de analyse of tijdens de controle rekening wordt gehouden met 2de-ordevervorming en imperfecties. De interactie van belastingseffecten en diverse soorten knik worden in beide situaties correct behandeld.

UGT-controles worden uitgevoerd volgens de normen EC3, AISC 360, SIA 263 en NBR 8800. De geïntegreerde algoritmes bepalen welke artikelen van de norm worden toegepast en selecteren, op basis van doorsnedeklasse, algemene slankheid en dergelijke, passende ontwerpvergelijkingen voor doorsnede- en stabiliteitscontroles.

Controles van de bruikbaarheidsgrenstoestand zijn beschikbaar voor de normen EC3, AISC 360 en SIA 263. BGT-controles van doorbuigingen verzekeren de integriteit van scheidingswanden, gevels en andere elementen en afwerkingen die geen belasting dragen, en zorgen dat de gebruikers zich prettig voelen.

Voordelen

• De module Staalontwerp is naadloos geïntegreerd in een grafische 3D-CAE-omgeving en -gebruikersinterface. U kunt ermee de uitkomst van een ontwerp visueel beoordelen: van eigenschappen, spanningen, vervormingen tot aan utilisatie.
• Er wordt ondersteuning geboden voor een breed scala aan symmetrische en asymmetrische doorsneden, en tevens voor elementen met variabele hoogte, consoles en verstijvers.
• U kunt staalplaten, dwarssteunen en verbanden gebruiken om de elementen te stabiliseren en de controles van laterale stabiliteit te verbeteren.
• U kunt kniklengtes berekenen of handmatig invoeren. De automatische bepaling is gebaseerd op de stijfheidrespons van de hele structuur in het corresponderende knikvlak. Formules uit technische documenten houden ook rekening met de stijfheid van de verbonden aangrenzende elementen.
• Het ontwerp is soepel geïntegreerd met geavanceerde structurele analyse: 2de-orde, stabiliteit, GNIA, GMNIA. Imperfecties kunnen bijvoorbeeld worden gedefinieerd op basis van vormen die zijn verkregen uit de stabiliteitsanalyse.
• Voor de modellering zijn ingebouwde bibliotheken beschikbaar voor materialen, staalprofielen en dak- en vloerplaten uit verschillende regio's.
• Het is mogelijk om de plastische reserve van I-profielen en RHS te benutten via de resultaten van het SEMI-COMP+-onderzoek.
• Met behulp van snelle optimalisatieprocessen kan de ideale doorsnede van de overspanningslengte en toegepaste belastingen worden gevonden.
   

 

Ondersteuning van nationale bijlagen voor Eurocode 3

Ondersteuning voor de nationale bijlage van de volgende landen: Oostenrijk, België, Tsjechië, Cyprus, Denemarken, Finland, Frankrijk, Italië, Duitsland, Griekenland, Ierland, Luxemburg, Maleisië, Nederland, Noorwegen, Polen, Roemenië, Singapore, Slowakije, Slovenië, Spanje, Zweden, Verenigd Koninkrijk. De keuze van specifieke methodes en coëfficiënten kan per nationale bijlage worden gecontroleerd of aangepast.

Doorsnedeanalyse

Voordat de controlesregels van de meeste staalontwerpcodes worden toegepast, moet een doorsnedeclassificatie plaatsvinden. De module Staalontwerp voert een robuuste kwalificatie uit voor een groot aantal doorsnedevormen.

• De Profielbibliotheek bevat diverse vormen die u naar wens kunt gebruiken, aanpassen, opslaan en hergebruiken. Warmgewalste producten kunnen op regio worden gefilterd (Europees, Brits, Amerikaans, Russisch, Braziliaans, Chinees, enzovoort). Er zijn diverse gelasteplaatvormen beschikbaar, en tevens gekoppelde doorsneden, gefabriceerde producten van Arcelor Mittal, Westok-raatliggers en staalraveelbalken van het American Steel Joist Institute.
• Met de Algemene doorsnedebewerker module kunt u elke doorsnedevorm maken en deze gebruiken in de analyse en in het structurele ontwerp. Indien beschikbaar kunnen doorsneden ook worden geïmporteerd uit DXF- en DWG-bestanden.
• SCIA Engineer voert de classificatie uit op elke vorm die kan worden benaderd met hartlijnen en dikte.
• Warmgewalste en gelasteplaatdoorsneden kunnen soms ook in klasse 4 vallen. In dit geval leidt SCIA Engineer automatisch effectieve doorsneden af voor druk, buiging langs sterke en zwakke as.

Doorsnedeclassificatiehulpmiddel

Het handmatig berekenen van verschillende doorsnedeklassen voor een combinatie is een flinke klus. In een geautomatiseerde berekening kan een dergelijk oog voor detail aanzienlijke kostenefficiëntere resultaten opleveren.

Het slimme hulpmiddel van SCIA Engineer voor doorsnedeclassificatie analyseert secties die door hartlijnen en dikte kunnen worden benaderd en stelt een categorie vast uit de vier categorieën die zijn beschreven in EN 1993-1-1 (en EN 1993-1-2 in het geval van brandwerendheidontwerp). De classificatie wordt uitgevoerd binnen de module Steelontwerp en wordt per belastingscombinatie uitgevoerd op meerdere plekken op de ligger/kolom/gording.

Voor Eurocode 3, AISC 360 en SIA 263 kan het hulpmiddel ook afzonderlijk worden gebruikt (geopend vanuit het bewerkingsdialoogvenster van de doorsnede). De afzonderlijke modus is bedoeld voor tests, voor vergelijking met handmatige berekeningen of om studenten te helpen met het leren van techniekontwerp. De echte waarde van het hulpmiddel zet hem in de integratie in het algoritme van Staalnormcontrole.

Voor elementen met een console of voor variabele elementen wordt tijdens de classificatie ook rekening gehouden met de variatie van de doorsnedegeometrie langs de lengte van het element.
 

 

Procedures voor plastische neutrale as

De locatie van de neutrale as moet worden bepaald om de doorsnedeclassificatieformules van de norm te kunnen toepassen. Bij N + My + Mz plastische interactie is dit geen eenvoudige taak.
Het Classificatiehulpmiddel biedt drie numerieke methodes om de neutrale as te vinden. Elke methode biedt een ander nauwkeurigheidsniveau. U kunt de balans tussen nauwkeurigheid en snelheid kiezen op basis van de taak die wordt uitgevoerd.
Uitleg van de drie methoden:

• Elastische spanningen: de elastische spanningsverdeling wordt gebruikt om de plastische spanningsverdeling te berekenen op basis van vaste formules.
• Snijpunt vloeioppervlak: per doorsnede wordt een discreet plastisch (vloei-)oppervlak of een puntenwolk afgeleid. Vervolgens worden de werkelijke interne krachten geschaald totdat ze het vloeioppervlak snijden. Daarna wordt het punt van het discrete vloeioppervlak dat het dichtst bij het snijpunt ligt, gebruikt voor de verdere bepaling van de plastische spanningsverdeling.
• Iteratieve methode: de werkelijke krachten worden iteratief verhoogd, waarbij telkens het vervormingsvlak wordt berekend. Als geen vlak kan worden bepaald, is het vloeioppervlak overschreden. Het algoritme keert vervolgens terug naar de vorige stap en itereert met kleinere verhogingen. Het vervormingsvlak van de laatste berekende stap wordt gebruikt als vloeioppervlak.

De methode Snijpunt vloeioppervlak biedt een zeer goede balans tussen hoge nauwkeurigheid en snelheid.

Effectieve doorsnede

Niet alleen voor dunwandige koudgevormde staalelementen moeten effectieve doorsnede-eigenschappen worden gebruikt. Andere slanke liggers, met name liggers van gelaste platen, vallen vaak in de categorie Klasse 4. In een intelligent ontwerp bieden dergelijke liggers elegante technische oplossingen en efficiënt materiaalgebruik.

In de normen Eurocode 3, SIA 263, AISC 360 wordt een effectieve doorsnede voor elke staalvorm van klasse 4 afgeleid, of deze nu is warmgewalst of gelast, gesloten of open, uit de bibliotheek afkomstig is of algemeen dunwandig is. SCIA Engineer kan slanke staalelementen flexibel ontwerpen. Het voordeel hiervan is dat de elementen gesplitst worden in vlakken wanden en verstijvers. Vervolgens wordt de geometrie ervan gereduceerd op basis van hun slankheid en de spanningen die erin worden aangetroffen.

De verkregen effectieve doorsneden kunnen grafisch worden weergegeven en alle iteraties van de berekening worden gerapporteerd in tabellen.

Ondersteuning voor SEMI-COMP+ in Eurocode 3

Het valorisatieproject SEMI-COMP+ n° RFS2-CT-2010-00023 biedt een aantal publicaties over het bereiken van een economischer ontwerp voor doorsneden die onder klasse 3 vallen. De Eurocode 3 geeft aan dat moet worden aangenomen dat deze 'semiplastische' doorsneden bezwijken bij een puur plastische bezwijking. Dit is vrij conservatief en in plaats daarvan kan enige mate aan plastische reserve worden benut, afhankelijk van de daadwerkelijke slankheid van de doorsnede.

Plastische reserve op basis van de daadwerkelijke slankheid is nu geïmplementeerd in SCIA Engineer voor dubbelsymmetrische I-profielen en RHS. In plaats van een discontinuïteit bij de transitie tussen klasse 2 en klasse 3 (een sprong van de plastische doorsneedeweerstand naar de elastische doorsnedeweerstand), wordt een graduele reductie van de plastische reserve toegepast totdat de klasse 4-limiet is bereikt. Let op dat in Eurocode 9, SIA 263, AISC 360 en AISI S100 deze graduele transitie al is voorgeschreven.

De gemodificeerde classificatielimieten die zijn gepubliceerd in het SEMI-COMP+-onderzoeksrapport, zijn ook in SCIA Engineer geïmplementeerd. Het is belangrijk dat deze limieten worden gebruikt bij semiplastisch ontwerp van klasse 3-doorsneden, omdat deze limieten corresponderen met het veiligheidsniveau van EC3 als de SEMI-COMP+-ontwerpregels worden toegepast.

Ontwerpcontroles

De module Staalontwerp voert een uitgebreide analyse uit van alle gedefinieerde of gegenereerde belastingscombinaties om de extreme waarden te vinden van doorsnede- en stabiliteitsgebruik:

• Ingebouwde beslissingsmechanismen bepalen, op basis van de geometrie, interne krachten, aanwezigheid van platen en andere modelparameters welke normartikelen worden gebruikt.
• De volgende normcontroles worden uitgevoerd: normaalkracht (spanning of druk), buigende momenten, afschuifkrachten, torsie, doorsnedewelving in I-, U- en andere dunwandige profielen, gecombineerde controles.
• De volgende stabiliteitscontroles worden uitgevoerd: buigknik (Euler) voor axiaal belaste elementen, torsie en torsieknik voor axiaal belaste elementen, kip voor elementen belast onder buiging, afschuifknik en het effect van laterale krachten voor elementen belast onder afschuiving, knik in gecombineerde buiging en axiale druk, kritieke slankheid (alleen presciptief).
• Expliciete instellingen voor kip: kipsteunen, kniklengte, positie van belasting (boven, onder, midden stabiliserend, destabiliserend).
• Er zijn drie analysemethodes voor het berekenen van Mcr voor de kipcontroles: ECCS Galea, Lopez et al, en ENV 1993-1-1 Annex F. De waarde kan ook numeriek worden bepaald met een stabiliteitsanalyse van een schaalmodel of via hulpmiddelen van derden.
• Tijdens doorsnede- en stabiliteitscontroles wordt rekening gehouden met interactie van belastingseffecten.
• Voor Eurocode 3 wordt knik van slanke flenzen gecontroleerd voor geïntegreerde liggers of gelaste liggers van drie platen.
• Voor elementen met een variabele hoogte, ontworpen volgens EC3 of SIA 263, wordt de knik onder druk berekend op basis van de aanbevelingen van het ECCS Design Manual voor EN 1993-1-1. Bij AISC 360-toetsingen wordt de methode van de norm zelf gebruikt.

Brandwerendheid voor staalontwerp

Een brandwerendheidcontrole voor zowel spanningen als stabiliteit kunnen uitgevoerd worden volgens EN 1993-1-2 in het weerstands- en temperatuurdomein. 
SCIA Engineer bepaalt de temperatuurontwikkeling van gas en materiaal na verloop van tijd, op basis van de regels van de norm en de geselecteerde brandcurve, het type van de blootstelling van de elementen en de brandbeveiliging, indien deze zijn gedefinieerd. De aangepaste weerstanden bij een hogere temperatuur worden afgeleid. De brandwerendheidscontrole van staal volgt daarnaast de aanbevelingen van ECCS N°111.

Brandwerendheidscontroles worden uitgevoerd in dezelfde werkomgeving als de Staalnormcontrole bij een normale omgevingstemperatuur. Zo komen met de volgende opties en voordelen:

• De functionaliteit voor het ontwerpen van brandwerendheid is naadloos geïntegreerd met andere analyse- en ontwerpfuncties, en maakt het scala essentiële tools voor staalstructuren in SCIA Engineer compleet.
• Structuren kunnen worden ontworpen voor brand op basis van zowel eerste- als tweede-ordeberekeningen.
• Er zijn bibliotheken beschikbaar voor brandcurven en warmte-isolatie. U kunt deze bibliotheken uitbreiden.
• Heldere en uitgebreide rapportage met verschillende detailniveaus: van een korte samenvatting per element tot een gedetailleerd berekeningsrapport met formules en verwijzingen naar relevante artikelen uit de norm.
• Aangepaste brandwerendheidsgegevens kunnen voor de hele structuur of per element worden gedefinieerd: vereiste brandwerendheid (R15, R30, R60), warmte-isolatie, enzovoort.
• Er kunnen gedetailleerde brandscenario's worden gesimuleerd, met aangepaste blootstelling (drie of vier zijden), brandbeveiligingslagen en er kan rekening worden gehouden met een schaduweffect voor onbeschermde elementen.
• Voor de brandsituatie kunnen alternatieve buigkniklengtefactoren worden aangegeven.
• Voor elke ondersteunde doorsnede in de bibliotheek zijn actuele sectiefactoren Am/V en [Am/V]b beschikbaar.
• Doorsnedeclassificatie wordt specifiek uitgevoerd voor brandsituaties.
• Het programma doorloopt de gedefinieerde belastingsgevallen/belastingscombinaties om utilisatieniveaus af te leiden en kritieke elementen weer te geven.
• De module bevat een functie voor het optimaliseren van een doorsnede: voor zowel beschermde als onbeschermde elementen worden ideale secties afgeleid op basis van het door de gebruiker aangegeven utilisatieniveaus.
• Een iteratieve procedure kan worden toegepast om de kritieke staaltemperatuur in het temperatuurdomein te bepalen. In dit geval zorgt SCIA Engineer dat de kritieke temperatuur correspondeert met een utilisatieniveau van 100%. De niet-iteratieve vereenvoudigde methode gebruikt de oorspronkelijk berekende utilisatiefactor μ.
• Met enkele algemene functies van SCIA Engineer is het eenvoudiger om elementen te selecteren met vergelijkbare brandisolatie, vergelijkbaar utilisatieniveau en andere instellingen.

 

De volgende temperatuurcurves zijn opgenomen in de software:

• ISO 834-curve;
• externe brandcurve;
• koolwaterstofcurve;
• smeulbrandcurve.

Er kunnen ook door de gebruiker gedefinieerde temperatuurcurves worden gedefinieerd en gebruikt.
U kunt de brandbeveiliging aangeven. De ingebouwde warmte-isolatietypes zijn:

•  vezelplaten, vermiculiet-/silicaat-/cementplaten, gipsplaten;
• mineraalvezels;
• vermiculietcement, perliet, gipsspray;
• brandwerende coatings.

Tevens kunt u voor de hele structuur of per element het volgende selecteren:

• de blootstelling aan brand per sectie (alle zijden, slechts drie zijden);
• nettowarmtefluxparameters, zoals αc-coëfficiënt van warmteoverdracht door convectie, uitstraling, enzovoort;
• aparte kniklengtefactoren voor de brandsituatie;
• veiligheidsfactoren van brandwerendheid (waarden volgens de Eurocode, SIA en NEN zijn standaard beschikbaar);
• algemene gegevens met betrekking tot kip, beplatingen en verstijvers voor plooien door afschuiving.
   

Er wordt ondersteuning geboden voor de controle van de brandwerendheid van de volgende doorsneden:

• symmetrische en asymmetrische I-, L-, U-, T-profielen;
• rechthoekige en ronde holle en massieve profielen;
• enkelvoudige en dubbele hoeken;
• samengestelde gelaste profielen van staal;
• profielen met vouten, I-profielen met variabele hoogte;
• koudgevormde stalen profielen van enkelvoudige platen;
• numerieke profielen met handmatig gedefinieerde profieleigenschappen;
• ingebouwde liggers van type IFBA, IFBB, SFB en THQ.
   

Rapportage

De module Staalontwerp heeft een interactieve rapportage-interface. Hierdoor zijn de ontwerpresultaten, inclusief brandwerenheid, eenvoudig in diverse vormen op te roepen:

• Met gekleurde utilisatiediagrammen in het 3D-beeld worden problemen overal in de structuur eenvoudig herkend.
• Het ontwerpresultaat kan voor alle elementen eenvoudig worden afgedrukt in een tabel via het rapport Beknopt of via Tabelresultaten.
• In een Samenvatting per element staan alle belangrijke parameters van het ontwerp en alle controles op één pagina.
• In het rapport Gedetailleerd staan alle berekeningen als formules (of indien gewenst als tabellen) met verwijzingen naar de toegepaste artikelen van de norm, zodat u het verloop en de denkstappen van het ontwerp kunt volgen en controleren.
• Het rapport Samenvatting en Gedetailleerd zijn direct toegankelijk door op de rijen van Tabelresultaten te dubbelklikken. Op deze manier ziet u snel de relatie tussen de details van de berekening en de visuele elementen op het scherm.
• Fouten, waarschuwingen en opmerkingen kunnen interactief worden weergegeven door de muisaanwijzer op specifieke elementen in het 3D-beeld te plaatsen.
• Er kan ook een gedetailleerd overzicht van de doorsnedeclassificatie en effectieve doorsnedeafleidingen aan het Engineering Report worden toegevoegd.
• Tijdens het tekenen van de resultaten, kunnen de geselecteerde instellingen (zoals geselecteerde belastingscombinatie, elementnamen, berekeningstype en extremen) op elk moment worden weergegeven in Resultaatlegenda linksboven in de hoek.
• Naast de algemene utilisatie kunt u met de Resultaatcomponenten ook specifieke controles van elementen volgen.

Het voordeel van deze rapportagefuncties is tweeledig: het ontwerpproces wordt versneld en u kunt projectdocumentatie maken die volledig en transparant is. Zo kunt u externe partijen en regelgevende instanties overtuigen van de kwaliteit en de omvang van de uitgevoerde toetsingen van het structurele ontwerp.

Uitbreidingen

• De module Staalontwerp voert, in combinatie met de module voor het ontwerp van koudgevormd staal, controles en AutoDesign uit van koudgevormde staalelementen, volledig volgens EN 1993-1-3.
• Met de module voor Geavanceerde niet-lineaire berekeningen kan een niet-lineaire analyse worden uitgevoerd met plastische scharnieren, dus materiële niet-lineariteit op 1D-liggerelementen.
• Ga naar de website SCIA Garage voor meer uitbreidingen voor staalontwerp, zoals staalplaatcontroles volgens EN 1993-1-6, vermoeiingscontroles volgens EN 1993-1-9.