Aluminium-Verbindungen in IDEA StatiCa

Dies kann erreicht werden, indem ein neues benutzerdefiniertes Material auf Basis der Aluminiummaterialeigenschaften in wärmebeeinflusssten Zonen (WEZ) erstellt, das korrekte bilineare Materialmodell angewendet und Schrauben- und Schweißnachweise gemäß 1993-1-8 verwendet werden.

Aluminium wird im Bauwesen zunehmend eingesetzt, dank seines geringen Gewichts, seiner Korrosionsbeständigkeit und seiner langfristigen Haltbarkeit. Gleichzeitig verhält sich Aluminium grundlegend anders als Stahl, insbesondere in geschweißten Bereichen. Der Konstrukteur muss die WEZ-Erweichung, die reduzierte Duktilität und die starke Abhängigkeit der Festigkeit von Legierung und Zustand berücksichtigen.

IDEA StatiCa Connection kann die Aluminiumbemessung unterstützen, wenn das spezifische Verhalten im Modell korrekt abgebildet wird.

Material

Obwohl Aluminium dieselbe Form des Materialdiagramms aufweist, erfordert es zusätzliche Benutzereingaben, da seine mechanischen Eigenschaften stark beeinflusst werden durch:

• Legierung und Zustand,
• Dicke,
• Wärmebehandlungshistorie,
• Schweißen und die daraus resultierende wärmebeeinflusste Zone (WEZ).

Streckgrenze (f₀) und Zugfestigkeit (fᵤ)

Die Streckgrenze (entspricht der Fließgrenze bei Stahl) und die Zugfestigkeit variieren je nach Legierung und Zustand. Diese Werte müssen aus EN 1999‑1‑1 entnommen und bei der Definition eines Benutzermaterials manuell eingegeben werden.

Wärmebeeinflusste Zone (WEZ)

Schweißen reduziert die Aluminiumfestigkeit erheblich, oft um 40–60 % in den Bereichen um die Schweißnähte, die als wärmebeeinflusste Zonen bezeichnet werden. IDEA StatiCa erkennt WEZ-Bereiche nicht automatisch, daher muss der Benutzer diese explizit angeben.

Es gibt zwei Möglichkeiten:

• Zuweisung eines separaten Materials mit reduzierten WEZ-Festigkeiten zu den relevanten geschweißten Bereichen, oder
• Zuweisung der WEZ-Eigenschaften zur gesamten Verbindung, was konservativ, aber praktisch ist und die Tatsache widerspiegelt, dass die meisten Versagen in oder in der Nähe der WEZ auftreten.

Materialdiagramm

Aluminium weist eine deutlich geringere Duktilität als Stahl auf. Für die Bemessung in IDEA StatiCa wurden folgendeAussagen getroffen:

• Da die Plastizität der Aluminiumlegierung stark vom Zustand abhängt, variiert der Bereich der Grenzplastizität je nach Umformprozess erheblich. Wir können keine allgemeine Aussage über die Grenzplastizitätsdehnung für alle Legierungen treffen. 
• Wenn der Benutzer eine plastische Analyse verwenden möchte, liegt die Grenzplastizitätsdehnung für Bleche im Ermessen des Benutzers.
• Der Bereich der Grenzdehnungen und Bruchdehnungen ist unten dargestellt.

Für typische Aluminiumlegierungen im Bauwesen liegt die Grenzdehnung (gleichmäßige Dehnung) im Allgemeinen im Bereich von 4–10 %, während die Gesamtbruchdehnung (Bruchdehnung nach dem Bruch) typischerweise im Bereich von 9–18 % liegt, abhängig von der Legierungsreihe und der Wärmebehandlung.

Verfestigungsmodul E₁

Bei Aluminium ist der Verfestigungsmodul E₁ nicht konstant und muss aus fᵤ, f₀, ε_u, ε_p bestimmt werden. Dies unterscheidet sich von Stahl, aber IDEA StatiCa verwendet die feste Beziehung E₁ = E / 1000 und kann nicht geändert werden.

Was bedeutet das in der Praxis?

Die Grenzplastizitätsdehnung muss in den Projekteinstellungen angepasst werden.

Um ein Aluminiummaterial zu erstellen, müssen Sie zur Registerkarte Materialien wechseln, ein vorhandenes Material kopieren und bearbeiten.

Anschließend müssen die Materialeigenschaften entsprechend den Aluminium-Besonderheiten angepasst werden.Wenn die Verbindung Schweißnähte enthält, müssen die WEZ-Werte  f_0,haz und f_u,haz berücksichtigt werden.

Die benutzerdefinierten Materialien können in der MPRL-Bibliothek gespeichert werden, wo sie für alle zukünftigen Projekte in IDEA StatiCa Connection verfügbar sind.

Teilsicherheitsbeiwerte

Die Nachweise für Materialien, Schrauben und Schweißnähte im ULS sind zwischen den Normen identisch – Kompatibilität gewährleistet.

Standard-Schrauben

Die meisten Schraubennachweise in EN 1999‑1‑1 verwenden dieselben Gleichungen und Parameter wie EN 1993‑1‑8. Das bedeutet:

• Die vorhandenen Schraubennachweise von IDEA StatiCa sind vollständig auf Aluminiumverbindungen anwendbar.
• Der einzige Unterschied ist der Zugwiderstandsfaktor k₂ für Senkkopfschrauben und Aluminiumschrauben.
  Diese Typen werden in IDEA StatiCa Connection nicht unterstützt, ebenso wenig wie Nieten.

Für Standard-Stahlschrauben (die typische Wahl bei Aluminiumkonstruktionen) bleiben alle Nachweise gültig.

Bitte beachten Sie, dass EN 1999 ausdrücklich einen Schutz gegen galvanische Korrosion vorschreibt, wenn Aluminium in Kontakt mit anderen Metallen wie Stahl kommt.

Vorgespannte (Reib-)Schrauben

Der Reibungskoeffizient für EN 1993-1-8 basiert auf den Reibflächen/der Oberflächenbehandlung. Der Reibungskoeffizient für EN 1999-1-1 basiert auf der Dicke der Reibflächen. 

In IDEA StatiCa kann der Reibungskoeffizient μ direkt in den Projekteinstellungen festgelegt werden, sodass Werte ohne Einschränkung angewendet werden können.

Schweißnähte

Wenn Schweißen beteiligt ist, erfährt die wärmebeeinflusste Zone (WEZ) aufgrund der Materialverschlechterung eine erhebliche Festigkeitsminderung. Diese Zonen werden von der Anwendung nicht automatisch erkannt, daher müssen die Benutzer sie explizit darstellen.

Dies kann folgendermaßen erfolgen:

• Definieren eines separaten WEZ-Materials und Zuweisen dieses Materials zum betroffenen Teil des Bleches.
• Konservative Anwendung der WEZ-Eigenschaften auf die gesamte Verbindung, wodurch komplexe Geometrieänderungen vermieden werden

Die Von-Mises-Plastizitätsbedingung wird als Versagenskriterium in IDEA StatiCa verwendet. Sie stimmt mit der Annahme in EN 1993-1-8 überein. Den Schweißnähten muss ein Material zugewiesen werden, das der WEZ-Festigkeit entspricht.

Fazit 

✅ Teilsicherheitsbeiwerte für Materialien, Schrauben und Schweißnähte sind zwischen EN 1999‑1‑1 und EN 1993‑1‑8 konsistent.

⚠️ Aluminiummaterialien sind nicht integriert und müssen vom Benutzer definiert werden, einschließlich der korrekten WEZ-Festigkeiten.

⚠️  Die Grenzplastizitätsdehnung sollte konservativ angesetzt werden. Die plastische Dehnung für die Analyse ist stark vom Zustand und dem Umformprozess abhängig.

❌ Der Verfestigungsmodul E₁ ist für Aluminium abhängig von fᵤ, f₀, ε_el, ε_max . IDEA StatiCa verwendet die feste Beziehung, die nicht geändert werden kann. Eine geringe Verfestigung in IDEA StatiCa ist konservativ.

✅ Normnachweise für Standard- und vorgespannte Stahlschrauben sind mit der aktuellen Konfiguration in IDEA StatiCa kompatibel.

✅ Schweißnahtnachweise sind kompatibel.

⚠️ WEZ-Zonen müssen explizit definiert werden, oder die gesamte Verbindung kann konservativ WEZ-Eigenschaften verwenden.

⚠️ Die Lösung für Aluminiumverbindungen wurde nicht verifiziert. 

Hinweis: Eine detailliertere Erläuterung dieses Themas ist im PDF-Dokument enthalten.