Kluczowe zasady korzystania z IDEA StatiCa Connection

[Bartek Nawrot JDE]

KLUCZOWE ZASADY KORZYSTANIA Z IDEA STATICA CONNECTION

IDEA StatiCa Connection to oprogramowanie do projektowania wykorzystujące Metodę Elementów Skończonych opartej na Modelu Komponentowym (CBFEM - Component-based Finite Element Method) przeznaczone do użytku przez wykwalifikowanych inżynierów konstrukcyjnych zaznajomionych z projektowaniem połączeń stalowych. Zakłada się, że użytkownicy programu są zaznajomieni z podstawowymi zasadami inżynierskimi, tak aby poprawnie odwzorować każde połączenie i interpretować wyniki anlizy MES. Oprogramowanie nie ma na celu zastąpienia wiedzy inżynierskiej użytkownika, ale zwiększenie jego możliwości projektowych poprzez wykorzystanie metody CBFEM.

Ten poradnik podsumowuje niektóre kluczowe elementy oprogramowania i zaleca się, aby przeczytali go wszyscy użytkownicy IDEA StatiCa. W ten sposób użytkownik uniknie powszechnych błędów, które mogą potencjalnie prowadzić do błędnych wyników. Ponadto materiały w Centrum Wsparcia są na bieżąco aktualizowane o nowe informacje dotyczące użytkowania i zasad korzystania z oprogramowania. Na koniec zdecydowanie zalecamy zapoznanie się z podstawami teoretycznymi.

• Zasada węzła fikcyjnego

IDEA StatiCa została opracowana do projektowania węzłów w konstrukcjach stalowych. W związku z tym połączenie musi posiadać pojedynczy, identyfikowalny węzeł, w którym zbiegają się wszystkie elementy, bez względu na to, jak złożone może być to połączenie. Należy pamiętać, że małe mimośrody niektórych elementów w stosunku do węzła są uwzględniane w modelu MES i nie stwarzają żadnych problemów z koncepcją węzła fikcyjnego. Z drugiej strony, jeśli w modelu można zidentyfikować więcej niż jeden węzeł, to prawdopodobnie można to zaklasyfikować jako układ kilku połączeń, a podejście wykorzystane przez IDEA StatiCa może być nieodpowiednie i prowadzić do błędnych wyników. Inżynier powinien wykorzystać swoje doświadczenie w projektowaniu, aby określić, czy połączenie można uznać za jeden lub więcej węzłów.



Zasadniczo węzeł w IDEA StatiCa musi zawierać tylko elementy uwzględnione w oprogramowaniu do analizy globalnej, ponieważ siły z analizy będą obejmować tylko siły dla tych elementów. Oczywiście jest to uzależnione od oceny technicznej i może się różnić w zależności od sytuacji.

• Definicja sił może zmienić położenie obciążenia

Siły wewnętrzne są domyślnie definiowane w fikcyjnym węźle. Użytkownik może jednak dowolnie modyfikować jej położenie w ustawieniach elementu. W niektórych przypadkach normowych lub ze względu na specyfikę projektu jest to niezbędne ustawienie.

• Siły wewnętrzne powinny być w idealnej równowadze

Powszechną praktyką wśród projektantów jest zbieranie obciążeń w formie tabel z wynikami obwiedni, co oznacza, że składowe naprężeń nie są współistniejące. Obciążenia takie tworzą nierealną mapę naprężeń. W IDEI, jeżeli spróbujemy oddać taki stan rzeczy, może potencjalnie prowadzić do błędnych wyników. Należy zauważyć, że nie jest to wina IDEA StatiCa, ponieważ takie stany naprężenia powodowałyby przekroczenia nośności również w oryginalnym, globalnym modelu obliczeniowym - w sytuacji, gdy składowe maksymalnego naprężenia zostałyby zastosowane jednocześnie. Problem ten potęguje dodatkowo liczba łączących się elementów. Aby uniknąć takiej sytuacji, zdecydowanie zaleca się stosowanie w projektach więcej niż jednej kombinacji obciążeń, pochodzącej z oryginalnego globalnego modelu projektowego. Wiadomo, że wyniki dla każdej kombinacji są w równoważne w węźle Korzystanie z naszych BIM linków sprawia, że przejście od modelu globalnego do IDEA StatiCa Connection jest proste i zapobiega potencjalnym błędom. Co więcej, IDEA StatiCa oferuje bardzo łatwy sposób na zidentyfikowanie wszelkich niezrównoważonych sił w modelu, poprzez włączenie przycisku Obciążenia w równowadze. Są to siły, które będą równoważone przez reakcje elementów zdefiniowanych jako nośne.

• Konwencja znaku momentu jest zgodna z zasadą prawej ręki

Znak momentów nie jest zgodny z klasyczną konwencją statyki. Momenty są zgodne z regułą prawej ręki wokół lokalnej osi pręta. Aby wyświetlić lokalną oś elementu, należy wybrać przycisk LUW (Lokalny Układ Współrzędnych) na panelu górnym w zakładce Etykiety. Aby zdefiniować dodatni moment wokół osi, użytkownik musi wskazać prawym kciukiem dodatnią stronę tej osi. Następnie zgięcie palców reprezentuje obrót, który odzwierciedla dodatni moment wokół tej osi.

• Wybierz odpowiedni typ modelu dla swoich elementów

IDEA StatiCa umożliwia zdefiniowanie różnych opcji typu modelu w elementach, z których każdy ma wpływ na ograniczenie jego stopni swobody (przy czym N-Vy-Vz-Mx-My-Mz jest modelem swobodnym/nieograniczonym). Zasadniczo służy do zapewnienia, że zastosowane obciążenie odpowiada globalnemu zachowaniu modelu.



Na przykład, jeśli oczekuje się, że element stężający będzie przenosić obciążenia osiowe i ścinające, ale nie moment, wówczas użycie modelu swobodnego nie byłoby odpowiednie, ponieważ element stężający przenosiłby moment na swojej długości. Można temu zapobiec, stosując model N-Vy-Vz, w którym same ograniczenia będą opierać się momentowi (co zostanie pokazane jako Niezgodność w zakładce Sprawdzenie -> Analiza). Ograniczenia można również wykorzystać do zapewnienia stabilności w danym modelu poprzez usunięcie niektórych stopni swobody. Kluczowym przykładem tego jest połączenie stężenia z pojedynczą śrubą, w którym stężenie może się swobodnie obracać wokół osi śruby. W takim przypadku zastosowanie odpowiedniego typu modelu uniemożliwia utworzenie się mechanizmu. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli wartość sił/momentów, którym stawia się opór znacznie przekracza przyłożone obciążenie (z zastrzeżeniem oceny projektanta), może to wskazywać, że wybrany typ modelu może nie być odpowiedni dla danego połączenia i może prowadzić do braku spójności w modelu. W takich przypadkach najlepiej jest wybrać alternatywny typ modelu, który odpowiada oczekiwanym warunkom obciążenia/podparcia, lub użyć niezwiązanego modelu N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Wybór typu modelu podlega na ogół osądowi projektanta, ponieważ wymagane ograniczenia będą najczęściej zależeć od specyfikacji projektu i warunków obciążenia, które muszą być symulowane w modelu.

Przykład pojedynczego połączenia śrubowego, w którym typ modelu musi być N-Vy-Vz, aby zapobiec mechanizmowi:

• Zdecydowanie zaleca się analizę wyboczeniową
  
  

Chociaż jest możliwe, że dla połączeń krępych analiza wyboczenia może nie być potrzebna, jest uważana za integralną część metody CBFEM. W związku z tym zdecydowanie zaleca się wykonanie analizy wyboczenia po standardowej analizie naprężenia/odkształcenia, aby upewnić się, że jej granice (podstawy teoretyczne) są przestrzegane oraz aby udowodnić, że wytrzymałość przewidywana na podstawie analizy naprężeniowo – odkształceniowej jest w pełni zadowalająca.
Dodatkowo utrata stateczności w połączneiu może wpływać na stabilność całej konstrukcji. W tym przypadku możemy powiedzieć, że typ postaci wyboczeniowej jest globalny. W przeciwnym razie
postać wyboczeniowa nazywana jest lokalną. Należy podkreślić, że różne dolne wartości graniczne współczynnika krytycznego (αcr, graniczne) mają zastosowanie dla różnych typów postaci wyboczenia. Dla lokalnych postaci wyboczenia można przyjąć dolną granicę współczynnika krytycznego wynoszącą 3, podczas gdy dla postaci globalnych wyboczenia należy przyjąć dolną granicę 15 (szczegółowe informacje można znaleźć w rozdziale 4.9 podstaw teoretycznych dotyczących Eurokodu). Niestety, rodzaj kształtu wyboczenia podlega ocenie inżynierskiej i nie może o nim decydować oprogramowanie. Użytkownik jest odpowiedzialny za podjęcie decyzji, jaki rodzaj wyboczenia ma zastosowanie do jego modelu, oceniając zdeformowane kształty wyboczenia.

• Domyślna długość elementu nie powinna być modyfikowana

Gdy dodamy element do modelu, jego długość jest obliczana automatycznie przez oprogramowanie na podstawie wysokości przekroju. Algorytm obliczeniowy jest częścią metody CBFEM i jest kalibrowany na podstawie numerycznych i doświadczalnych wyników. Obliczona długość pręta zapewnia prawidłowe rozproszenie naprężeń zgodnie z metodologią



W przypadku dodania elementu lub modyfikacji (otwory na śruby, wycięcia, otwory itp.) do tego elementu, oprogramowanie odpowiednio dostosuje całkowitą długość, aby zachować odległość od strefy nieciągłości (zastosowanej operacji). Oprogramowanie umożliwia jednak zmianę domyślnego współczynnika obliczania długości elementu poprzez „Konfiguracja norm”, co z kolei wpływa na całkowitą długość. Użytkownikom zdecydowanie zaleca się pozostawienie tej wartości jako domyślnej, ponieważ takie zmiany mogą znacząco wpłynąć na wyniki. Wszystkie nasze weryfikacje zostały przeprowadzone z ustawieniami domyślnymi.
W rzadkich przypadkach wartości domyślne tego ustawienia mogą prowadzić do błędnych wyników, które w innym przypadku by nie wystąpiły. Przykładami rzadkich scenariuszy mogą być
1. bardzo wysokie przekroje (np. 1,5+ m) prowadzą do zbytniego wydłużenia elementu od najbliższej strefy nieciągłości lub 2. wysoko zlokalizowana siła ścinająca przyłożona do krótkiego odcinka (np. krótka konsola podtrzymująca dźwigar toru suwnicy ), które IDEA StatiCa domyślnie modelowałaby dłuższe niż w rzeczywistości. Oba przypadki skutkowałyby dużym zginaniem od siły poprzecznej na końcu elementu. Z tego powodu ustawienie to jest dostępne, aby zapewnić doświadczonym użytkownikom pewną elastyczność w radzeniu sobie z tymi rzadkimi przypadkami, w których może być konieczne skrócenie długości. W takich przypadkach, gdy jest absolutnie jasne, że problem wynika z samej długości elementu, użytkownik musiałby przeprowadzić badanie w celu zbadania wpływu zmniejszenia stosunku wysokości elementu do długości na zachowanie modelu (pola naprężeń/odkształceń oraz siły w różnych komponentach). Jeśli dane wyjściowe są zgodne, możliwe może być zmniejszenie tego parametru, chociaż w niektórych modelach może być to konieczne w połączeniu z ustawieniami zmiany oczka siatki. Innymi słowy, jeśli użytkownik zdecyduje się zmodyfikować to ustawienie, musi być w stanie odpowiednio to uzasadnić, odnosząc się do wyników powiązanego badania wykazującego, że zmniejszenie nie wpłynęło na wyniki w składowych połączenia. Z tego powodu zalecamy skontaktowanie się z naszym zespołem pomocy technicznej przed modyfikacją któregokolwiek z tych krytycznych parametrów. Przykładowe badanie wykazujące zmniejszenie stosunku długości do wysokości elementu bez znaczącego wpływu na pole naprężeń i obciążenie elementu CBFEM.

• Sposób wykonania spoin jest oparty na wybranej normie

Ważne jest, aby wiedzieć, że w różnych normach stosowane są różne rozwiązania dla spoin. Na przykład norma amerykańska używa do obliczeń długości boku spoiny, podczas gdy Eurokod używa grubości (gardzieli) spoiny. Konwencja ta jest przestrzegana w całym projekcie, łącznie z wynikami raportu i rysunkami. Dlatego to użytkownik jest odpowiedzialny za dostosowanie rozmiarów spoin, gdy jest to wymagane, w celu poinformowania stron trzecich (np. wytwórców), którzy stosują dane rozwiązania.

• Połączenia z przekrojów zimnogiętych

IDEA StatiCa Connection to narzędzie przeznaczone przede wszystkim do oceny połączeń przekrojów gorącowalcowanych, na które nie ma istotnego wpływu wyboczenie. Analiza geometrycznie liniowa i nieliniowo materiałowa jest wykonywana ze względu na szybkie i stabilne obliczenia. Jednak ten typ analizy nie uwzględnia utraty stateczności dla każdego kroku obliczeniowego, ponieważ analiza wyboczeniowa jest liniowa, podczas gdy utrata stateczności wymaga wykonania analizy geometrycznie nieliniowej. Jeżeli dalej chcesz użyć IDEA StatiCa Connection do sprawdzania połączeń cienkościennych (formowanych na zimno) elementów, zalecamy to doświadczonym użytkownikom oprogramowania. Należy też krytycznie ocenić efekt obliczeń w kontekście poniższych punktów:
- Przeprowadź liniową analizę wyboczenia i dokładnie oceń każdy kształt wyboczeniowy.
- Należy pamiętać, że 5 pierwszych obliczonych kształtów wyboczenia może nie wystarczyć.
- Nie należy polegać na nośności plastycznej elementów cienkościennych, a zamiast tego ograniczyć naprężenie von Misesa do granicy plastyczności lub nawet niższej, jeśli jest to wymagane.
- Należy pamiętać, że rozwój wyboczenia lokalnego, którego wpływ nie jest uwzględniany na każdym etapie obliczeń, może w różny sposób rozłożyć siły wewnętrzne w elementach węzła.
- Należy pamiętać, że sztywność elementów może się różnić ze względu na różne modele zniszczenia lub ich kombinację.
- Należy pamiętać, że przedstawione sprawdzenia i szczegóły dotyczące składowych węzła (np. śrub, spoin) są zgodne z przepisami normowymi mającymi zastosowanie do elementów
gorącowalcowanych. W przypadku, gdy odpowiednie przepisy normowe dlaprętów cienkościennych są różne, wówczas podane sprawdzenia nie mają do nichm zastosowania.

• Projekt koncepcyjny połączenia ma znaczenie

W IDEA StatiCa Connection użytkownik może swobodnie modelować topologie połączeń, których wcześniej nie można było zaprojektować. Zakres dostarczonych narzędzi i różnych rodzajów analiz (wyboczenie, sztywność itp.) zapewnia znacznie większy wgląd w zachowanie projektowanych połączeń niż dotychczas. Obowiązkiem użytkownika jest poznanie, zrozumienie i zastosowanie tych narzędzi w swoich projektach, zwłaszcza jeśli zdecyduje się odejść od ustalonych i zazwyczaj stosowanych topologii połączeń. Musi być jasne, że IDEA StatiCa nie jest w stanie „skorygować” błędów projektu koncepcyjnego. Chociaż może pomóc im zapobiec, przy prawidłowym zastosowaniu dostarczonego zestawu narzędzi. Poniżej widzimy błędny koncepcyjny model połączenia z brakującym górnym rzędem śrub pozornie przechodzi wszystkie sprawdzenia normowe, jednak przy użyciu widoku zdeformowanego ujawnia się nadmierne odkształcenie i koncentracja odkształceń plastycznych. Może to prawdopodobnie spowodować problemy z prawidłową pracą połączenia, ale bez katastrofalnej awarii (takiej jak pęknięcie).

• W przypadku Eurokodu oprogramowanie stosuje standardowe wytyczne

Metoda obliczeniowa dotycząca płyt opiera się na nieliniowych właściwościach materiału, dlatego obowiązuje niezależnie od przepisów normowych. Ponieważ domyślnie oprogramowanie wykorzystuje standardowe wartości ujęte w Eurokodzie, użytkownik jest odpowiedzialny za sprawdzenie, czy ustawienia konfiguracji norm są zgodne z wytycznymi normowymi w danym regionie.