Czy AISC dopuszcza stosowanie MES do projektowania połączeń?

Analiza metodą elementów skończonych, a w szczególności nieliniowa analiza MES, od wielu lat jest uznawana za skuteczną metodę badawczą. Przyczyniła się do opracowania równań i przepisów normowych stosowanych przez inżynierów. Ponadto nieliniowa analiza MES jest szeroko stosowana w praktyce inżynierskiej w USA i na całym świecie do rozwiązywania problemów inżynierskich – od prostych po złożone. 

Normy i standardy amerykańskie, w tym ACI, AISC, TMS, NDS i inne, zawierają klauzule dopuszczające stosowanie nieliniowej analizy MES dla elementów konstrukcyjnych i połączeń nieobjętych przepisami normowymi, które są zazwyczaj złożone. Jeśli normy dopuszczają stosowanie tej metody do problemów złożonych, to tym bardziej może ona rozwiązywać prostsze problemy, w których przyjmuje się upraszczające założenia. Badania wykazały, że stany graniczne projektowania elementów i połączeń mogą być odwzorowane za pomocą analizy MES. Poniżej przedstawiono wybrane odniesienia z różnych sekcji podręcznika AISC. 

Komentarz do AISC 360 wskazuje w różnych miejscach możliwość stosowania analizy MES i nieliniowej analizy MES, m.in.:

• „Przepisy dopuszczają również stosowanie analizy obliczeniowej (np. metody elementów skończonych) jako zamiennika równań Specyfikacji używanych do oceny stanów granicznych objętych Rozdziałami D–H, J i K" – w sekcji Komentarza: Appendix 1, Comm 1.1, strona 573, 16. wydania podręcznika AISC.
• „Dopuszcza się każdą metodę projektowania opartą na analizie niesprężystej i spełniającą podane wymagania ogólne. Metody te mogą obejmować stosowanie nieliniowej analizy elementów skończonych (Crisfield, 1991; Bathe, 1995) opartej na elementach kontinuum do projektowania pojedynczego elementu konstrukcyjnego, takiego jak połączenie, lub stosowanie drugorzędowych niesprężystych analiz ramowych (Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000) do projektowania układu konstrukcyjnego złożonego z belek, słupów i połączeń." – w Comm 1.3 16.1-582, 16. wydania podręcznika AISC.
• „Gdy modelowane połączenia wykraczają poza zakres baz danych, możliwe jest wyznaczenie charakterystyk odpowiedzi na podstawie badań, prostego modelowania składnikowego lub analiz metodą elementów skończonych (FEMA, 1995)." – w B3. Commentary, strona 16.1-322, 16. wydania podręcznika AISC. 
• „Gdy projektant napotyka belki nieposiadające osi symetrii lub inne kształtowniki, dla których pozostałe sekcje Rozdziału F nie zawierają przepisów, naprężenia należy ograniczyć do granicy plastyczności lub naprężenia krytycznego przy wyboczeniu sprężystym. Rozkład naprężeń i/lub naprężenie krytyczne przy wyboczeniu sprężystym muszą być wyznaczone na podstawie zasad mechaniki konstrukcji, podręczników lub poradników, takich jak SSRC Guide (Ziemian, 2010), artykułów w czasopismach lub analiz metodą elementów skończonych. Alternatywnie projektant może uniknąć tego problemu, wybierając przekroje spośród licznych opcji podanych w poprzednich sekcjach Rozdziału F." – w Comm. F12 16.1-393, 16. wydania podręcznika AISC. 
• „Dla długości spoin przekraczających 100-krotność wymiaru spoiny efektywna długość powinna być przyjmowana jako mniejsza od długości rzeczywistej. Współczynnik redukcyjny podany w Sekcji J2.2b jest równoważny temu określonemu w CEN (2005), który stanowi uproszczone przybliżenie formuł wykładniczych opracowanych na podstawie analiz metodą elementów skończonych i badań przeprowadzonych w Europie przez wiele lat." – w Comm J2, strona 16.1-484, 16. wydania podręcznika AISC.

AISC Design Guide 1 – Projektowanie połączeń podstawy słupa dla konstrukcji stalowych, wydanie trzecie, zawiera dwa nowe dodatki (Dodatki C i D) przedstawiające metody modelowania połączeń podstawy słupa w analizie ramowej oraz wytyczne dotyczące ich symulacji za pomocą analizy metodą elementów skończonych.

• Dodatek D – Wytyczne dotyczące stosowania analizy metodą elementów skończonych do analizy i projektowania płyt podstawy, ze szczególnym uwzględnieniem szczegółów odsłoniętych połączeń podstawy słupa

AISC Design Guide 24 – Połączenia rur strukturalnych (Hollow Structural Section), wydanie trzecie, przytacza:

• „Komentarz do Rozdziału K Specyfikacji AISC wskazuje niesprężystą analizę metodą elementów skończonych (MES) jako narzędzie do projektowania wykraczającego poza granice stosowalności dla doświadczonych inżynierów, a opcja ta jest dopuszczona przez Dodatek 1 Specyfikacji AISC. Zarówno połączenia spawane, jak i śrubowe mogą być projektowane metodami MES; analiza sprężysta jest wystarczająca do projektowania na zmęczenie materiału, natomiast analiza niesprężysta jest na ogół niezbędna do uchwycenia ostatecznego stanu granicznego. Należy zawsze sprawdzać ograniczenia wybranego oprogramowania, aby upewnić się, że posiada ono możliwość prawidłowego badania i odwzorowania analizowanego stanu granicznego. Może to obejmować potwierdzenie możliwości analizy nieliniowej, kryteriów zniszczenia, dopuszczalnej liczby węzłów i elementów, typów elementów w bibliotece itp." – w Rozdziale 2.13, str. 41.
• „W takim przypadku technika modelowania MES oraz wybrane parametry siatki i materiału powinny być zweryfikowane w odniesieniu do wybranych analiz MES z literatury badawczej lub zebranych przypadków wzorcowych (które z kolei zostały zwalidowane), takich jak Wald et al. (2017)." – w Rozdziale 2.13, str. 41. 

Inżynierowie konstruktorzy i projektanci połączeń mogą korzystać z zestawu narzędzi do wykonywania swojej pracy – bezpiecznego, dokładnego i szybkiego projektowania połączeń stalowych zgodnie z AISC. IDEA StatiCa, ze swoim unikalnym i sprawdzonym rozwiązaniem MES, jest częścią tego zestawu narzędzi. Więcej informacji o metodzie można znaleźć w naszym tle teoretycznym oraz obszernym zestawie weryfikacji.