The null configuration model in limit load analysis of steel space frames: Fid-Bau Portal

The null configuration model in limit load analysis of steel space frames

Trogrlic, B. / Harapin, A. / Mihanovic, A.

Der vorliegende Bericht stellt das numerische Modell für die geometrische und materielle nichtlineare Grenzlastanalyse von räumlichen Stahlrahmen unter großen Verschiebungen vor. Dieser Zugang zieht eine globale Zerlegung in finite 1D-Balkenelemente derjenigen in 3D-Elemente vor. Der Balkenquerschnitt ist mittels 2D-Elementen diskretisiert, so dass das Faserzerlegungsverfahren angewendet werden kann, um das materielle und geometrische nichtlineare Verhalten des Querschnitts unter den biaxialen Momenten und den axialen Kräften zu ermitteln. Eine lokale Unterteilung von jedem Balkenelement, beruhend auf dem vergleichenden Körpermodell (d.h. einem prismatischen Körper, der während des schrittweisen Iterationsverfahrens elementweise in einzelne Quader diskretisiert wird), ermöglicht die Festlegung der Torsionskonstante des Querschnitts bei beschränkter Krümmung. Das Modell berücksichtigt Biegung, Lateral- und Torsionsstabilitätseffekte. Für die Analyse großer Verformungen wird ein ursprünglich entwickeltes Nullkonfigurationsmodell (NCM) als eine iterative Anwendung der Total Lagrange Methode - einer Theorie der kleinen Verschiebung - verwendet. Der wachsende Betrag der konservativen Last wird mit einem Schritt-für-Schritt-Verfahren simuliert. Das numerische Modell ist in einem Computerprogramm für die praktisch-technische Berechnung der Grenzlast von räumlichen Stahlrahmen ausgeführt worden. Einige der Modellmöglichkeiten sind im vorliegenden Beispiel illustriert, welches auch die Effizienz und Genauigkeit des entwickelten Algorithmus zeigt.

This paper briefly presents a numerical model for the geometric und material nonlinear limit load analysis of steel space frames under large displacements. This approach favors global discretization by 1D beam-column finite element over the one with 3D elements. The steel cross-section is discretized with 2D elements so that the fiber decomposition procedure can be applied to solve the material and geometrical nonlinear behavior of the cross-section under biaxial moments and axial forces. A local discretization of each beam element based on the comparative body model (i.e., a prismatic body discretized using brick elements, element by element, during the incremental-iterative procedure) allows determining the torsional constant of the cross-section under limited warping. The model implements bending, lateral and torsional stability effects. For the large displacement analysis, an originally developed Null Configuration Mode (NCM) is applied as an incremental application of the Total Lagrange - small displacement theory. A step-by-step procedure for the incremental loading of a follower load is applied. The numerical model has been implemented in a computer program for the practical engineering computation of the limit load of steel space frames. Some of model's possibilities are illustrated in the presented practical example which also shows the efficiency and the accuracy of the developed algorithm.