EN 1993-1-14 är en ny del som utökar möjligheterna för dimensionering av stålkonstruktioner baserat på finitelementanalys. Den kommande upplagan av Eurokoden för stål (EN 1993) kommer att innefatta en ny del som ger bättre stöd vid dimensionering av stålkonstruktioner med FEM. Syftet är att dels ge stålkonstruktören bättre stöd och mer omfattande underlag i dessa situationer, dels att utöka möjligheterna för användning av mer avancerade beräkningar – med stöd av normen – när behoven uppstår.
Finitelementanalys används idag i stor omfattning vid dimensionering av stålkonstruktioner. Ett visst stöd finns redan för detta i de gällande Eurokoderna. Avsnitt 5 i EN 1993-1-1 öppnar, till exempel, för dimensionering av bärverk och bärverksdelar där inverkan av initial imperfektioner (mekaniska och geometriska) och andra ordningens effekter direkt beaktas i en FE-analys. Ett visst stöd ges också i informativa bilagor, till exempel för dimensionering av tunnväggiga tvärsnitt under EN 1993-1-5 och för utmattningsdimensionering med den så kallade hot-spot metoden i EN 1993-1-9.
Anvisningarna i gällande upplaga är dock relativt sparsmakade och i vissa fall svårtolkade. Det saknas dessutom mer detaljerade riktlinjer för hur uppställning, utvärdering och verifiering av FE-modeller i olika dimensioneringssammanhang bör göras.
Den systematiska översynen av gällande EN 1993 som utfördes 2015-2016 visade att gällande reglar behöver utvidgas och kompletteras för att ge stålkonstruktörer bättre stöd vid dimensionering av stålkonstruktioner baserat på FE-analyser. En så-kallad ”Ad hoc” grupp bildades i oktober 2016 efter beslut från CEN/TC250/SC3. Gruppen har sedan övergått till en arbetsgrupp (WG22) med uppgift att författa en ny del i EN 1993-familjen. Ett första utkast av den nya EN 1993-1-14 är nu färdigställt och det slutliga utkastet för denna del förväntas vara klar inom ca 2 år.
Omfattning och innehåll
Det nuvarande utkastet av EN 1993-1-14 omfattar cirka 50 sidor och behandlar så väl generella regler och riktlinjer för modellering med FEM (bästa praxis), dels modeller och modelleringsalternativ för verifiering och dimensionering av stålkonstruktioner baserat på FE-analyser. Gällande utkast av EN 1993-1-14 består (innehållsmässigt) av följande fyra huvuddelar:
Modelleringsanvisningar. En omfattande och mer detaljerad del som tar upp bland annat:
- Generella riktlinjer för uppställning av FE-modeller för olika modelleringssyften, val av elementtyp, mesh-uppdelning och riktlinjer för hantering av numeriska problem (t.ex. spänningskoncentrationer och diskontinuiteter vi lastangrepp eller upplag och numeriska singulariteter)
- Olika felkällor i FE-analys, var och hur dessa kan uppstå och hur de bör hanteras
- Mer ingående information om modellering med olika elementtyper (balk-, skal- och solid element)
- Modellering och idealisering av laster, randvillkor och knutpunkter.
Denna del täcker också:
- Materialmodeller för kolstål upp till S700 samt rostfria stålsorter. Både varmvalsat och kallformat stål täckes med möjlighet till val mellan olika modellkomplexitet och -noggrannhet.
- Modellering av imperfektioner. I vissa dimensioneringssammanhang är det nödvändigt (eller önskvärt) att beakta inverkan av olika typer av imperfektioner explicit i beräkningsmodellen (FE-analysen). Flera möjligheter (modeller) för hur olika typer av imperfektioner (geometriska och mekaniska, d.v.s. egenspänningar) kan beaktas och kombineras täcks från den mest grundläggande med de så kallade ”ekvivalenta imperfektioner” till mer avancerade modeller där t.ex. restspänningar beaktas explicit i modellen.
Analysmetoder. Olika analysmetoder kan vara aktuella i olika dimensioneringssammanhang beroende bland annat på typ av konstruktion eller konstruktionselement och syftet med analysen. EN 1993-1-14 täcker sju olika typer av analysmetoder. Det som särskiljer dessa metoder är huvudsakligen om och hur initial imperfektioner samt material- och geometrisk olinjäritet beaktas i analysen.
Figur 1
Validering och verifiering. Denna del tar upp olika kontroller som bör göras i samband med FE-analys för att verifiera att rätt modellval har gjorts och att modellen representera (approximerar) det fysikaliska problemet med ett tillfredställande noggrannhet. Olika felkällor som kan påverka noggrannheten i FE-analys tas upp och förslag ges för hur beräkningar från FE-analys kan verifieras i detta avseende.
Dimensioneringsmetod. Här anges dimensioneringsregler för bruksgräns- och brottgränstillstånd samt med avseende på utmattning. För verifiering av bärförmåga anges olika kontroller beroende på vald analysmetod med hänvisning till andra relevanta delar av EN 1993. För utmattningsverifiering täcker den nya standarden FE-relaterade delar (t.ex. olika modelleringsalternativ för beräkning av hot-spot spänning och regler för extrapolering och hantering av numerisk singularitet).
Dessutom innefattar utkastet på EN 1993-1-4 två (i nuläget informativa) bilagor. Bilaga A ger ett förslag för beräkning av partialkoefficienten (γFE) som beaktar osäkerheterna i FE-modellen. Bilaga B (också den är informativ) anger förslag för hur lokala spänningskoncentrationer i FE-modeller kan hanteras i olika situationer.
Harmonisering med övriga delar i EN 1993
En viktig del av arbetet med den nya EN 1993-1-14 är att samordna och synkronisera information och regler med övriga delar i 1993-familjen. Förutom att säkra ”kompatibiliteten” mellan olika delar så innebär detta i vissa fall omplacering av information från andra 1993-delar till 1-14 och att komplettera dessa delar med ny information som stödjer EN 1993-1-14. Till exempel kommer del 1-9 att förses med normative bilaga som täcker utmattningsdimensionering av stålkonstruktioner med FEM-baserade metoder (Hot-spot och Effektive Notch Stress). Dessa hänvisar i sin tur till den nya delen (1-14) där regler och anvisningar för t.ex. uppställning av FE-modeller, behandling av resultat från FE-analys och modellverifiering anges.
Författare: Mohammad El-Amrani, Chalmers, Konstruktionsteknik
Publicerad i nr 2-2019
