Die Software-Suite von RISA ist ein Grundnahrungsmittel in Bauingenieurbüros auf der ganzen Welt, geschätzt für ihre Flexibilität bei der Modellierung komplexer Verhaltensweisen. Eine der leistungsstärksten und oft zu wenig genutzten Fähigkeiten ist die Eigenschaft der kundenspezifischen Materialeigenschaften. Out of the box enthält RISA Bibliotheken für gängige Strukturmaterialien wie A36-Stahl, 4000 PSI-Beton und Douglastannenholz. Aber reale Projekte passen selten in vordefinierte Kategorien. Ingenieure arbeiten zunehmend mit hochfesten Legierungen, faserverstärkten Polymeren (FRP), Formgedächtnislegierungen, Verbundholz oder Beton mit optimierten Beimischungen. Um die wahre strukturelle Reaktion dieser Materialien zu erfassen, müssen Sie benutzerdefinierte Eigenschaften definieren. Dieser Artikel bietet eine umfassende Anleitung zur Verwendung der benutzerdefinierten Materialeigenschaften von RISA, von grundlegenden Definitionen bis hin zu fortschrittlichen nichtlinearen Parametern, um sicherzustellen, dass Ihre Modelle ein genaues, produktionsbereites Verhalten widerspiegeln.

Warum Custom Materials wichtig sind

Standardmaterialbibliotheken basieren auf Code-Mindestwerten und typischen Graddefinitionen. Wenn Sie über diese Grenzen hinausgehen - einen Stahl mit einer Streckgrenze von 65 ksi anstelle von 50 ksi angeben oder eine FRP-Wrap mit orthotroper Steifigkeit modellieren -, benötigt die Software explizite Eingaben. Ohne benutzerdefinierte Eigenschaften können Analyseergebnisse unkonservativ (unter Verwendung zu weicher Materialien) oder unnötig teuer sein (Überdesigning mit Standardmoduli). Mit benutzerdefinierten Materialeigenschaften können Sie genaue Werte für Elastizitätsmodul, Poisson-Verhältnis, Schermodul, Dichte, thermischer Ausdehnungskoeffizient und Dämpfung eingeben. Für nichtlineare Analysen können Sie auch Spannungs-Dehnungskurven, Spannungshärtungs-, Spannungsversteifung oder Schadensmodelle definieren. Dieses Maß an Kontrolle ist unerlässlich für die Optimierung von Designs, die Reduzierung von Materialkosten und die Erfüllung fortschrittlicher Leistungsanforderungen wie z. B. bei seismischen Nachrüstungen oder leichten Luft- und Raumfahrtstrukturen.

Workflow: Definieren eines benutzerdefinierten Materials in RISA

RISA bietet zwei verwandte Tools für die Materialdefinition an: den Standard Material Editor (verfügbar in RISA-2D, RISA-3D und RISAFloor) und die fortgeschrittenere Custom Material Definition innerhalb der Abschnittseigenschaftsmodule.

  1. Öffne den Material-Editor. Wählen Sie im Hauptmenü Eigenschaften > Material-Editor oder klicken Sie auf die Schaltfläche Materialien in der Symbolleiste.
  2. Erstellen Sie ein neues Material. Klicken Sie Add oder Duplizieren Sie ein ähnliches vorhandenes Material (z. B. doppelter A36-Stahl und Umbenennung in “A572 Gr65”). Duplizieren überträgt den Materialtyp (Stahl, Beton, Holz usw.), der das Standardverhalten für Codeprüfungen und Design festlegt.
  3. Input-Standard-isotrope Eigenschaften. Für die meisten Materialien werden Sie angeben:
    • Elastizitätsmodul (E) – oft in ksi oder psi.
    • Poisson’s Ratio (ν).
    • Schermodul (G) – Auto-berechnet aus E und ν, aber Sie können sich für orthotrope Fälle überschreiben.
    • Dichte (Gewicht pro Volumeneinheit) – entscheidend für seismische Masse und Eigengewicht.
    • Thermischer Ausdehnungskoeffizient (α) – erforderlich für thermische Lastkombinationen.
  4. Geben Sie Festigkeits- und Designparameter ein. Diese Werte regeln codebasierte Designprüfungen (AISC, ACI, NDS usw.):
    • Dauerspannung (Fy) für Stahl oder Druckfestigkeit (f’c) für Beton.
    • Zugfestigkeit (Fu) für Stahl.
    • Zulässige Spannungswerte für Holz oder Aluminium.
    • Bruchmodul für Beton.
  5. Zugriff auf benutzerdefinierte / erweiterte Eigenschaften. Suchen Sie im selben Editor nach Registerkarten oder Schaltflächen mit der Aufschrift Advanced, Nonlinear, oder Custom. Hier können Sie definieren:
    • Multilineare Spannungs-Dehnungs-Kurven (für die Plastikanalyse).
    • Dehnungshärtungsmodul oder Tangentenmodul.
    • Temperaturabhängiger Abbau (Kriechen, Entspannung).
    • Orthotrope oder anisotrope Steifigkeitswerte (z. B. für Verbundwerkstoffe).
    • Dämpfungsverhältnisse für dynamische Analyse.
  6. Speichern und zuweisen. Klicken Sie nach Eingabe aller Daten auf OK oder Speichern Das Material erscheint nun in Ihrem Projektbaum.

Für Mitglieder, die eine abschnittsspezifische Materialorientierung benötigen (z. B. Verbundlaminate mit unterschiedlichen Lagenwinkeln), müssen Sie möglicherweise einen Custom Cross Section definieren oder den Composite Section Builder in RISA-3D verwenden, der die Schichtung von Materialien mit individuellen Eigenschaften ermöglicht. Das gleiche benutzerdefinierte Material kann verschiedenen Orientierungen innerhalb dieses Builders zugewiesen werden.

Hauptunterschiede zwischen Materialtypen

RISA kategorisiert Materialien nach strukturellem Verhalten: isotrop, orthotrop und anisotrop. Die meisten Stahl- und Betonmaterialien werden als isotrop behandelt (Eigenschaften in allen Richtungen gleich). Holz, FRP und moderne Verbundwerkstoffe sind orthotrop (unterschiedliche Steifigkeit entlang der Korn-/Schichtrichtungen). Wenn Sie im Editor "Holz" oder "FRP" als Materialtyp auswählen, erscheinen zusätzliche Felder für E parallel und senkrecht zum Korn, G-Werte und zulässige Spannungsverhältnisse. Für echtes anisotropes Verhalten (z. B. Einkristalle oder einige 3D-gedruckte Füllungen) können Sie eine vollständige 6x6-Steifigkeitsmatrix durch die benutzerdefinierte erweiterte Registerkarte definieren. Verwenden Sie diese nur, wenn sie durch strenge Tests unterstützt werden; die meisten strukturellen Anwendungen werden durch orthotrope Modelle ausreichend abgedeckt.

Erweiterte benutzerdefinierte Eigenschaften für nichtlineare Analyse

Lineare elastische Analyse ist die Standardeinstellung in RISA, aber für seismisches Design, Pushover-Analyse oder Verbindungsdetails benötigen Sie nichtlineare Materialdefinitionen.

  • Elastisch-perfekt plastisch: Einfachstes nichtlineares Modell.
  • Definieren Sie eine bilineare oder trilineare Kurve mit spezifizierter Härtesteifigkeit (oft 1-2 % von E).
  • Betonschaden Plastizität oder Spannungssteifung: Für Beton, geben Sie die Druckspannungs-Dehnungskurve (Hognestad, Kent-Park, oder benutzerdefiniert) und einen Spannungsversteifungsfaktor ein, um das Verhalten nach dem Rissen zu erfassen.
  • Temperaturabhängiger Ertrag: Wird für die Brandanalyse verwendet. RISA ermöglicht die Definition von Faktoren zur Verringerung der Streckgrenze an diskreten Temperaturpunkten.
  • Hysteretische Dämpfung: Für dynamische nichtlineare Analysen können Sie ein Materialdämpfungsverhältnis zuweisen, das mit der Dehnungsamplitude variiert.

Bei der Eingabe nichtlinearer Kurven genügend Punkte verwenden, um die Form zu erfassen, aber abrupte Sprünge vermeiden, die Konvergenzprobleme verursachen. Mindestens 5-7 Punkte für den Druckzweig und einen Erweichungszweig für Spannungen werden empfohlen. Führen Sie immer eine Voranalyse an einem einzelnen Element durch, um die Reaktion zu überprüfen (z. B. monotone Belastung und Druckspannung gegen Dehnung).

Validierung nichtlinearer benutzerdefinierter Materialien

Ein entscheidender Schritt, den viele Ingenieure überspringen, ist die Validierung des benutzerdefinierten Materials gegen eine bekannte Test- oder Handberechnung. Erstellen Sie ein kleines Modell in RISA - ein einzelnes Fachwerkelement oder eine kurze Spalte - und legen Sie eine Last an, die das Material über den Ertrag hinaus drückt. Vergleichen Sie die Kraft-Weg-Kurve mit manuellen Berechnungen oder veröffentlichten Daten. Diese Überprüfung fängt Fehler in Eingabeeinheiten (z. B. Eingabe von ksi, wenn das Modell psi verwendet) oder unbeabsichtigtes Erweichen.

RISA Ergebnisse>Tabulierte Liste>Materialbelastung und Materialspannung kann exportiert werden, um den Zustand jedes Integrationspunktes zu überprüfen. Wenn Sie ein benutzerdefiniertes Betonmodell verwenden, stellen Sie sicher, dass die Druckfestigkeit bei der richtigen Dehnung den angegebenen f’c erreicht (normalerweise 0,002–0,003). Wenn Sie ein Stahlhärtemodell verwenden, überprüfen Sie, ob die ultimative Spannung mit Fu bei der gewünschten Dehnung übereinstimmt. Die Dokumentation dieser Validierung sollte in Ihrem Projektberechnungspaket aufbewahrt werden.

Praktische Anwendungen: Spezialisierte Materialien

Kundenspezifische Materialeigenschaften glänzen in Projekten, die Leistung über typische Codes hinaus verlangen. Hier sind drei gängige Szenarien mit schrittweiser Anleitung.

1. Faserverstärkte Polymer-Wraps (FRP)

FRP wird für die Verstärkung von Säulenwickeln, Plattennachrüstungen und Beamscherung verwendet. FRP ist orthotrop: hohe Festigkeit und Steifigkeit entlang der Faserrichtung, niedrig über sie.

  • E1 (Längslänge): 20.000-30.000 ksi (Carbonfaser).
  • E2 (Querschnitt): 1.500–2.000 ksi.
  • G12: 800–1000 ksi.
  • Poissons Verhältnis ν12: 0,2–0,3.
  • Ultimative Zugspannung in Faserrichtung: 350-550 ksi.
  • Zugausfalldehnung: 1–2%.

Da FRP nahezu linear elastisch gegen Versagen ist, ist keine Plastizität erforderlich. Für seismische Nachrüstungen ist jedoch möglicherweise ein kleines Dämpfungsverhältnis (1–2%) zuzuweisen. Das Material mit dem Composite Section Builder Schalenelementen oder einem umwickelten Abschnitt zuzuweisen. Die Faserorientierung muss mit der lokalen Achse des Elements (normalerweise lokalen 1-2 Achsen) übereinstimmen.

2. Hochfester Stahl mit Dehnungshärte

Stähle wie A572 Grade 65, A913 Grade 65 oder ASTM A1085 für HSS-Sektionen erfordern benutzerdefinierte Fy und Fu. Für leistungsbasiertes Design (z. B. FEMA P-695) benötigen Sie auch die erwartete Streckgrenze (Ry*Fy) und die erwartete Zugfestigkeit (Rt*Fu). In RISA erstellen Sie ein Duplikat von A992 Stahl und ändern Sie die Ausbeute auf 65 ksi und die Ausbeute auf 80 ksi. In der nichtlinearen Registerkarte definieren Sie eine bilineare Kurve mit einer Härtungsneigung von E/100 (typisch für Stahl). Die Härtungsneigung sollte bei einer Dehnung von Fy/E + 0,001 beginnen (um das Ausbeuteplateau zu berücksichtigen) oder direkt bei Fy/E, wenn kein Plateau vorhanden ist. Dieses benutzerdefinierte Material ermöglicht es der Analyse, den Drift- und Duktilitätsbedarf in einem Stahlmomentenrahmen genau zu erfassen.

3. Kreuzlaminatholz (CLT) mit orthotropen Eigenschaften

CLT ist ein Holzverbundwerkstoff mit orthogonalen Schichten. Wählen Sie in RISA den Materialtyp "Holz" und ändern Sie dann die orientierungsabhängigen Eigenschaften:

  • E parallel zum Korn (E0): 1.800.000 psi für typische SPF.
  • E senkrecht zum Korn (E90): 85.000 psi.
  • Schermodul G: 120.000 psi.
  • Zulässige Biegespannung (Fb) basierend auf NDS-Einstellungen.

Da CLT häufig mit Schalenelementen modelliert wird, müssen Sie eine geschichtete Schale definieren oder den Composite Section Builder verwenden, bei dem jede Schicht ihre eigene Materialorientierung haben kann. RISA 3D ermöglicht es Ihnen, einen lokalen Materialwinkel pro Lage zuzuweisen, indem Sie den Parameter "Ply Angle" in der Definition des laminierten Abschnitts verwenden. Benutzerdefinierte Materialeigenschaften für CLT sollten auch den Rollschermodul enthalten, der ungefähr ein Zehntel des in der Ebene liegenden Schermoduls beträgt.

Best Practices für zuverlässige Ergebnisse

Die Verwendung von benutzerdefinierten Materialien führt zu zusätzlicher Verantwortung. Befolgen Sie diese Richtlinien, um Fehler zu vermeiden:

  • Quellendaten aus vertrauenswürdigen Referenzen. Verwenden Sie Herstellerdatenblätter, veröffentlichte Testergebnisse oder Code-erkennte Werte (z. B. AISC 360, ACI 318, NDS).
  • Eine Materialbibliotheksdatei pflegen. RISA ermöglicht es Ihnen, die aktuelle Materialbibliothek in eine .xml-Datei zu exportieren. Diese Datei als Unternehmensstandard zu speichern, so dass die gleichen benutzerdefinierten Materialien über Projekte hinweg verwendet werden. Dies gewährleistet Konsistenz und reduziert den Wiedereintritt.
  • Verwenden Sie konsistente Einheiten. RISA funktioniert entweder in US-amerikanischen üblichen oder metrischen Einheiten. Überprüfen Sie, ob die von Ihnen eingegebenen Werte mit dem Einheitensystem Ihres Modells übereinstimmen. Ein häufiger Fehler ist die Eingabe von E in psi, wenn das Modell auf ksi gesetzt ist (um den Faktor 1000).
  • Testen Sie auf einem Submodell. Bevor Sie eine vollständige Gebäudeanalyse mit 10.000 Elementen durchführen, wenden Sie das benutzerdefinierte Material auf einen einfachen Zwei-Bay-Rahmen oder eine einzelne Säule an. Tragen Sie Schwerkraft und seitliche Belastungen auf und untersuchen Sie Auslenkungen und Spannungen. Vergleichen Sie mit Handberechnungen oder Codebestimmungen.
  • Dokumentiere alle benutzerdefinierten Parameter. Behalte eine separate Designnote (oder ein Blatt innerhalb des RISA-Modells) bei, die jedes benutzerdefinierte Material mit Quelle und Datum auflistet. Dies ist während der Peer-Review und bei der Überprüfung des Modells Monate später von unschätzbarem Wert.
  • Eigenschaften mit neuen Daten aktualisieren. Materialeigenschaften können sich im Laufe der Zeit aufgrund von Batch-Variationen oder überarbeiteten Standards ändern.

Häufige Fallstricke und wie man sie vermeidet

Selbst erfahrene Ingenieure können bei der Definition von benutzerdefinierten Materialien stolpern. Hier sind häufige Fehler und Korrekturen:

  • Nichtlineare Kurven, die nicht mit experimentellen Daten übereinstimmen. Viele Benutzer geben eine trilineare Kurve mit einem plötzlichen Abfall nach dem Endergebnis ein, was zu numerischer Instabilität führt.
  • Das Ignorieren des Schermoduls für orthotrope Materialien. Wenn Sie verschiedene E-Werte definieren, aber G als Standard (berechnet aus isotroper Formel) belassen, wird die Analyse die Scherdeformationen unterberücksichtigen. Geben Sie G immer explizit für orthotrope Materialien ein.
  • Wenn Sie bei Codeprüfungen benutzerdefinierte Materialien falsch verwenden. Die Designmodule von RISA (z. B. Stahldesign pro AISC) verwenden die zugewiesenen Materialstärkewerte. Wenn Sie Fy auf 65 ksi setzen, das Mitglied jedoch ein W-Abschnitt ist, der nur als A992 in der Abschnittsdatenbank aufgeführt ist, kann RISA weiterhin den nominalen Fy (50 ksi) des Abschnitts für bestimmte Grenzzustände verwenden. Stellen Sie sicher, dass die Abschnittseigenschaften bei Bedarf auch angepasst werden, oder verwenden Sie die "Abschnittdefinition", um einen neuen benutzerdefinierten Abschnitt mit dem richtigen Material zu erstellen.
  • Das Überschreiben vorhandener Materialien. Anstatt ein eingebautes Material zu ändern (z. B. „A992 Gr50), duplizieren und umbenennen. Dies behält den ursprünglichen Standard bei und vermeidet zufällige Änderungen an anderen Modellen, die diesen Materialnamen verwenden könnten.

Erweitern Sie Ihre Fähigkeiten mit integrierten Workflows

Die individuellen Materialeigenschaften von RISA können in Kombination mit anderen Software-Tools weiter genutzt werden. Zum Beispiel können Sie Materialdefinitionen in RISAConnection für das Verbindungsdesign mit der gleichen Stahlfestigkeit exportieren oder Materialdaten aus MATLAB oder Python über die RISA-API importieren. Für fortschrittliche forschungsorientierte Modelle können Sie benutzerdefinierte temperaturabhängige Eigenschaften definieren und thermisch-strukturelle Kopplung ausführen. Die API ermöglicht es Ihnen, Skripte zu schreiben, die eine Familie von benutzerdefinierten Materialien basierend auf parametrischen Studien erzeugen - ideal für Optimierung oder Empfindlichkeitsanalyse.

Externe Ressourcen für weitere Leitlinien umfassen:

Schlussfolgerung

Kundenspezifische Materialeigenschaften in RISA sind nicht nur ein Nischenmerkmal – sie sind für modernes Bauingenieurwesen unerlässlich, wo Standardbibliotheken unzureichend sind. Indem Sie den Workflow von der grundlegenden Eingabe bis hin zu fortschrittlichen nichtlinearen Definitionen beherrschen, können Sie alles von hochfestem Stahl bis hin zu orthotropen Verbundwerkstoffen mit Sicherheit modellieren. Der Schlüssel ist eine strenge Validierung, konsistente Dokumentation und kontinuierliches Lernen. Implementieren Sie diese Praktiken in Ihrem nächsten Projekt und Sie werden Verbesserungen sowohl in der Designgenauigkeit als auch in der Effizienz sehen. Die Flexibilität von RISA in Kombination mit Ihrem Materialwissen macht das Unmögliche in der Strukturanalyse möglich.