Ověření výpočtů IDEA StatiCa pro návrh ocelových přípojů (AISC)

Autoři:

• Baris Kasapoglu, Ph.D. student (Katedra stavebního, environmentálního a geodetického inženýrství)
• Rafael Arthur Giorjao, Ph.D. (Katedra materiálového inženýrství)
• Ali Nassiri, Ph.D. (Katedra integrovaných systémových inženýrství)
• Halil Sezen, Ph.D. (Katedra stavebního, environmentálního a geodetického inženýrství)

Červen 2021

Úvod

V oblasti konstrukčního a stavebního inženýrství je pochopení konstrukčního chování a integrity budovy zásadní pro zajištění bezpečnosti jejích uživatelů. Analýza a stanovení chování složité konstrukce při různých zatěžovacích stavech pomocí konvenčních analytických metod je však náročná. Proto je analýza metodou konečných prvků (FEA) cenným nástrojem pro numerické modelování fyzikálních konstrukcí, které jsou příliš složité pro analytická řešení. Hlavním cílem této zprávy je vyhodnotit výsledky FEA získané ze softwarového balíku IDEA StatiCa pro tři skupiny běžných ocelových přípojů používaných ve Spojených státech (tj. kloubové, polotuhé a tuhé přípoje) a porovnat je s dostupnými experimentálními daty a výsledky vypočtenými pomocí jiného softwaru pro FEA, ABAQUS. Odezva styčníku nosník-sloup získaná ze softwaru IDEA StatiCa je poté porovnána s návrhovými výpočty provedenými podle požadavků norem AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016) a AISC Steel Construction Manual (2017).

Tato zpráva obsahuje čtyři kapitoly. V kapitolách 1–3 byl pro každý typ přípoje vybrán z literatury experimentálně ověřený návrh přípoje jako základní model. Normová posouzení a výpočty byly provedeny podle amerických stavebních norem pro každý základní model a jeho deset variant. Výsledky byly poté porovnány s výsledky IDEA StatiCa. Dále byly výsledky FEA z IDEA StatiCa porovnány s výsledky z ABAQUS. Všechny požadované kroky a podrobnosti všech geometrických a návrhových posouzení podle návrhových norem AISC jsou uvedeny v přílohách. Poslední kapitola obsahuje celkové hodnocení softwaru IDEA StatiCa z hlediska jeho přesnosti a souladu s požadavky amerických stavebních norem pro ocelové přípoje.

1 KLOUBOVÉ PŘÍPOJE

V této studii byly vypočteny návrhové únosnosti deseti vzorků kloubových přípojů podle požadavků AISC 360 (2016) a AISC Construction Manual (2017). Čtyři zkušební vzorky byly vybrány z experimentální studie provedené McMullinem a Astanehem (1988) na Katedře stavebního inženýrství Kalifornské univerzity v Berkeley. Šest dalších modelů bylo vyvinuto pro účely ověření úpravou parametrů na základě dostupných zkušebních vzorků. Základní model byl poté analyzován pomocí ABAQUS (2020) a IDEA StatiCa (verze 20.1.3471.1) a výsledky byly porovnány.

Experimentální studie

Bylo otestováno sedm vzorků ocelových přípojů nosník-sloup v plném měřítku a výsledky byly prezentovány v McMullin a Astaneh (1988). Každý vzorek přípoje byl šroubován k nosníku a přivařen ke sloupu pomocí dvojice úhelníků. Hlavním cílem těchto zkoušek je přenést přípojí pouze smykovou sílu s velmi malým ohybem nebo momentem. Za tímto účelem aplikuje aktuátor v blízkosti přípoje smykovou sílu. Aktuátor u konce konzoly má za cíl udržet nosník ve vodorovné poloze a omezit natočení (ohyb) přípoje. 

Schéma instrumentace použité během experimentu (McMullin a Astaneh, 1988)

Normové návrhové výpočty a porovnání

Návrhové únosnosti (\(\phi\)R_n) přípojů byly vypočteny podle požadavků AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) a AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). Jmenovitá únosnost, R_n, a odpovídající součinitel únosnosti, \(\phi\), pro každý mezní stav návrhu přípoje pro metodu LRFD (load and resistance factored design) jsou uvedeny v kapitole J normy AISC 360. Následující 13 normových posouzení bylo provedeno podle návrhových rovnic LRFD obsažených v AISC 360 nebo AISC Manual.

• Posouzení šroubu na smyk                                                       (Eq. J3-1, AISC 360-16)
• Posouzení šroubu na tah                                                     (Eq. J3-1, AISC 360-16)
• Otlačení šroubu na nosníku                                                (AISC 360-16, Eq. J3-6a)
• Vytržení šroubu na nosníku                                                (AISC 360-16, Eq. J3-6c)
• Otlačení šroubu na úhelnících                                              (AISC 360-16, Eq. J3-6a)
• Vytržení šroubu na úhelnících                                               (AISC 360-16, Eq. J3-6c)
• Porušení smykem na úhelnících (strana nosníku)                      (AISC 360-16, Eq. J4-4)
• Skupinové vytržení na úhelnících (strana nosníku)                    (AISC 360-16, Eq. J4-5)
• Plastický smyk na úhelnících                                           (AISC 360-16, Eq. J4-3)
• Plastický smyk na nosníku                                             (AISC 360-16, Eq. J4-3)
• Porušení svarů na úhelnících (strana podpory)                  (Page 9-5, AISC Manual)
• Únosnost svaru                                                             (Page 10–11, AISC Manual)
• Únosnost svaru (bez excentricity)                                 (AISC 360-16, Eq. J4-2)

Analýza v IDEA StatiCa

IDEA StatiCa posuzuje čtyři různé scénáře porušení tohoto typu ocelového přípoje: (1) porušení plechu, (2) porušení šroubu, (3) porušení svaru a (4) boulení. Vybrané čtyři zkušební vzorky (Tabulka 1.4) a šest dalších modelů (Tabulka 1.6) byly modelovány v IDEA StatiCa a analyzovány pod smykovou silou, jak je znázorněno na Obrázku 1.9. V softwaru lze místo působení smykové síly libovolně zvolit. Byla zkoumána dvě místa působení smykové síly: (1) ve šroubech a (2) v líci sloupu.

Porovnání smykových únosností: Čtyři zkoušené vzorky

Porovnání smykových únosností: šest dalších modelů 

Shrnutí a porovnání výsledků

Pro každý zkušební vzorek byly vypočteny dvě různé únosnosti svaru podle požadavků AISC LRFD. Pro stejné čtyři zkušební vzorky byly z modelů IDEA StatiCa vypočteny dvě různé únosnosti svaru přiložením smykové síly v různých místech. Ve všech zatěžovacích scénářích bylo zjištěno, že nejslabší složkou přípojů byl svar. Rozhodující nebo nejmenší vypočtené únosnosti odpovídající únosnostem svaru jsou prezentovány a porovnány s mezní smykovou únosností svaru naměřenou během experimentu.

Únosnosti svarů zkušebních vzorků byly vypočteny dvěma různými způsoby podle požadavků AISC LRFD (AISC 360-16 a AISC Manual, 2017). Pro zkoušku č. 4, pokud se postupuje podle rovnice J2.4 v AISC 360-16, je návrhová únosnost svaru vzorku vypočtena jako 228,3 kips. V tomto řešení není uvažována žádná excentricita. Pro porovnání tohoto přístupu s analýzou IDEA StatiCa byla svislá smyková síla přiložena na svar (rovnoběžně s linií svaru) a únosnost svaru tohoto vzorku byla vypočtena jako 216,6 kips, což je velmi blízké hodnotě vypočtené z rovnice J2.4 v AISC 360-16 (228,3 kips).

Pokud je smyková síla přiložena na šrouby (vnější svislá síla rovnoběžná s linií šroubů) v modelu IDEA StatiCa, byla únosnost přípoje vypočtena jako 130,2 kips. Pokud je únosnost svaru vypočtena podle rovnice únosnosti svaru LRFD (strana 10–11 AISC Construction Manual, 2017), která zohledňuje excentricitu zatížení na straně podpory, je únosnost svaru vzorku vypočtena jako 186,8 kips. Konzervativně však tato rovnice AISC LRFD nezohledňuje excentricitu vyplývající z mezery mezi šrouby a svarem. Předpokládá se, že tento předpoklad je důvodem rozdílu mezi výsledky vypočtenými z IDEA StatiCa a rovnicí únosnosti LRFD v AISC Manual (2017).

Porovnání výsledků IDEA StatiCa a ABAQUS

Obecně byla mezi výsledky obou softwarových balíků dobrá shoda. V případě 1, kdy bylo zatížení přiloženo na těžiště skupiny šroubů, bylo v modelu ABAQUS pozorováno větší přetvoření dvojice úhelníků. Také maximální předpokládané napětí na nosníku, sloupu a liniích svarů bylo v modelu ABAQUS mírně vyšší. Dále bylo v modelu ABAQUS pozorováno mírně odlišné rozdělení napětí na nosníku. Zatímco přikládání zatížení na skupinu šroubů není v tradičním softwaru pro metodu konečných prvků běžné, taková odchylka by mohla být spojena s různými formulacemi kontaktu nebo typy prvků (tj. objemový prvek v ABAQUS oproti skořepinového prvku v IDEA StatiCa). Také v důsledku povahy vazby „tie" byla v modelu ABAQUS získána větší napětí na sloupu. V případě 2, kdy bylo zatížení přiloženo na linie svarů, byla mezi oběma modely pozorována mnohem lepší shoda. V obou modelech bylo zjištěno, že nejslabší složkou přípojů byly linie svarů. To je také v souladu s normovými posouzeními LRFD. 

Předpokládané napětí von Mises v modelech IDEA StatiCa a ABAQUS; případ 1 (horní řada): smykové zatížení bylo přiloženo na těžiště skupiny šroubů, a případ 2 (dolní řada): smykové zatížení bylo přiloženo na linie svarů

2 POLOTUHÉ PŘÍPOJE

V této kapitole byly vypočteny návrhové únosnosti deseti vzorků polotuhých přípojů podle požadavků AISC 360 (2016) a AISC Construction Manual (2017). Tyto vzorky byly vybrány z experimentální studie provedené Azizinamini et al. (1985) na Katedře stavebního inženýrství Univerzity Jižní Karolíny. Všechny vzorky byly analyzovány pomocí IDEA StatiCa, přičemž jeden z nich byl analyzován pomocí ABAQUS (2020). Výsledky byly poté porovnány.

Experimentální studie polotuhých přípojů

Několik polotuhých přípojů tvořených dvojicí úhelníků a horními a dolními pásnicovými úhelníky nosníku bylo podrobeno statickému a cyklickému zatížení za účelem zkoumání jejich chování moment-natočení. Dvojice vzorků byla zkoušena současně, jak je znázorněno na Obrázku 2.1. Jedna strana průřezů nosníků byla šroubována ke sloupu a druhá strana byla podepřena válečkovými sedlami. Svislý pohyb pahýlu sloupu byl umožněn válečkovými vodítky připevněnými k horní a dolní části sloupu. Hydraulický aktuátor byl použit k přiložení zatížení na sloup a přípoj přenášel zatížení na nosníky.

Zkušební sestava použitá Azizinamini et al. (1985)

Normové návrhové výpočty a porovnání

Návrhové únosnosti (\(\phi\)R_n) přípojů byly vypočteny podle požadavků AISC 360 (2016) a AISC Manual (2017). Jmenovitá únosnost, R_n, a odpovídající součinitel únosnosti, \(\phi\) pro každý mezní stav LRFD návrhu přípoje jsou uvedeny v kapitole J normy AISC 360. Konzervativně se předpokládá, že horní a dolní pásnicové úhelníky zajišťují momentovou únosnost a dvojice stojinových úhelníků je použita pro smykovou únosnost přípoje.

Návrhová únosnost dvojice stojinových úhelníků

Následující 14 normových posouzení bylo provedeno podle návrhových rovnic LRFD obsažených v AISC 360 nebo AISC Manual pro návrhovou únosnost dvojice stojinových úhelníků.

• Úhelník (strana nosníku)
  • Smyk šroubů                                                                 Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Otlačení a vytržení šroubů                                            Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastický smyk                                                             Eq. J4-3, AISC 360-16
  • Porušení smykem                                                              Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Skupinové vytržení                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Úhelník (strana sloupu)
  • Smyk šroubů                                                                   Eq. J3-1, AISC 360-16            
  • Otlačení a vytržení šroubů                                           Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastický smyk                                                            Eq. J4-3, AISC 360-16          
  • Porušení smykem                                                             Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Skupinové vytržení                                                                Eq. J4-5, AISC 360-16          
  • Výsledná tahová únosnost s ohledem na páčení         Part 9, AISC Manual
• Nosník
  • Otlačení a vytržení šroubů                                           Eq. J3-6, AISC 360-16
  • Plastický smyk                                                            Eq. J4-3, AISC 360-16
• Sloup
  • Otlačení a vytržení šroubů                                            Eq. J3-6, AISC 360-16

Návrhová únosnost dvojice stojinových úhelníků (ve vzorcích 14S1 a 14S2) byla rozhodující při skupinovém vytržení šroubů na úhelníku připojeném k nosníku, zatímco otlačení a vytržení šroubů na nosníku bylo rozhodující pro návrhové smykové únosnosti ostatních osmi vzorků.

Návrhová únosnost horních a dolních pásnicových úhelníků

Následující 16 normových posouzení bylo provedeno podle rovnic LRFD obsažených v AISC 360 nebo AISC Manual pro návrhovou únosnost horního a dolního pásnicového úhelníku.

• Horní a dolní pásnicový úhelník (strana nosníku)
  • Plastický tah                                                         Eq. J4-1, AISC 360-16
  • Porušení tahem                                                           Eq. J4-2, AISC 360-16
  • Tlak                                                               Sec. J4.4, AISC 360-16         
  • Smyk šroubů                                                                  Eq. J3-1, AISC 360-16          
  • Otlačení a vytržení šroubů                                            Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Skupinové vytržení                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Horní a dolní pásnicový úhelník (strana sloupu)
  • Plastický smyk                                                             Eq. J4-3, AISC 360-16          
  • Porušení smykem                                                              Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Tahová únosnost s ohledem na páčení                           Page 9-10, AISC Manual       
• Nosník
  • Otlačení a vytržení šroubů                                            Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Ohybová únosnost                                                        Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Skupinové vytržení                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Sloup
  • Smyk stojiny panelu                                                         Eq. J10-9, AISC 360-16        
  • Lokální ohyb pásnice                                                  Eq. J10-1, AISC 360-16        
  • Lokální plastický smyk stojiny                                                        Eq. J10-2, AISC 360-16        
  • Lokální boulení stojiny                                                     Eq. J10-4, AISC 360-16        

Návrhové únosnosti všech horních a dolních pásnicových úhelníků byly rozhodující při tahové únosnosti s ohledem na páčení na straně úhelníku šroubovaného ke sloupu. Návrhová únosnost všech horních a dolních pásnicových úhelníků byla rozhodující při tahové únosnosti s ohledem na páčení.

Analýza v IDEA StatiCa

Deset zkušebních vzorků bylo modelováno v IDEA StatiCa a analyzováno pod smykovou silou přiloženou v určité vzdálenosti od sloupu. Vzdálenost byla zvolena tak, aby se rovnala vzdálenosti mezi osou sloupu a podporou nosníku. Podpora nosníku je uvažována ve vzdálenosti 120 palců od osy sloupu pro první čtyři vzorky, zatímco pro ostatních šest vzorků to bylo 72 palců. Všechny vzorky selhávají, protože horní úhelníky připojené ke sloupu překračují mezní plastické přetvoření, které je softwarem definováno jako 5 %. 

Diagramy moment-natočení spolu s únosnostmi stanovenými tradičním výpočtem podle AISC (modře) a IDEA StatiCa (oranžově) jsou znázorněny na následujících obrázcích.

Závislost moment-natočení pro zkoušku č. 14S1 (vlevo) a 14S2 (vpravo)

Závislost moment-natočení pro zkoušku č. 14S3 (vlevo) a 14S4 (vpravo)

Závislost moment-natočení pro zkoušku č. 8S1 (vlevo) a 8S2 (vpravo)

Závislost moment-natočení pro zkoušku č. 8S3 (vlevo) a 8S4 (vpravo)

Závislost moment-natočení pro zkoušku č. 8S5 (vlevo) a 8S6 (vpravo)

Analýza v ABAQUS

V této části byly výsledky z IDEA StatiCa porovnány s výsledky ze softwarového balíku ABAQUS (2020). V této studii byl jako základní model vybrán vzorek zkoušky č. 14S1. Numerické simulace s téměř identickými podmínkami (tj. z hlediska materiálových vlastností, okrajových podmínek a zatížení) byly provedeny pomocí IDEA StatiCa i ABAQUS. Model byl nejprve navržen v IDEA StatiCa a poté byl sestava (včetně nosníku, sloupu, stojinových úhelníků a horních a dolních pásnicových úhelníků) importována do ABAQUS pomocí platformy prohlížeče IDEA StatiCa. Následně byl navržen zjednodušený model šroubu a přidán do modelu ABAQUS.

Nastavení modelu polotuhého přípoje v ABAQUS

V ABAQUS byl použit typ prvku C3D8R (3D napětí, 8-uzlový lineární kvádr, redukovaná integrace) a v modelu bylo celkem vygenerováno 562 377 prvků. 

Hustoty sítě modelu ABAQUS

Numerické simulace byly provedeny na čtyřech procesorech (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) a každá simulace trvala přibližně 535 minut. 

Porovnání předpokládaného napětí von Mises mezi IDEA StatiCa a ABAQUS

Porovnání bočního pohledu mezi IDEA StatiCa a ABAQUS s měřítkem deformace deset 

Obecně byla mezi výsledky obou softwarových balíků dobrá shoda. V modelu IDEA StatiCa však bylo zachyceno větší přetvoření na stojinových úhelnících, horní a dolní pásnici. Také rozdělení napětí na stojinových úhelnících se mezi oběma modely mírně lišilo. To je s největší pravděpodobností způsobeno tím, že v modelu ABAQUS byly použity objemové prvky s redukovanou integrací. V obou modelech bylo zjištěno, že nejslabší složkou sestavy byla horní pásnice v tahu při přiložené smykové síle směřující dolů, která způsobuje tah v horní pásnici. 

3 TUHÉ PŘÍPOJE

V této kapitole byly vypočteny návrhové únosnosti deseti vzorků tuhých přípojů podle požadavků AISC 360 (2016) a AISC Construction Manual (2017). Základní vzorek byl vybrán z experimentální studie provedené Satem et al. (2007) na Katedře konstrukčního inženýrství Kalifornské univerzity v San Diegu. Základní vzorek a devět dalších variačních modelů bylo analyzováno pomocí IDEA StatiCa, přičemž základní vzorek byl také analyzován pomocí ABAQUS (2020). 

Experimentální studie tuhých přípojů

Tři vzorky momentových přípojů s šroubovanými pásnicovými plechy (BFP) v plném měřítku byly podrobeny cyklickým zkouškám na Kalifornské univerzitě v San Diegu. Všechny vzorky splňovaly požadavky AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings pro přípoje nosník-sloup speciálních momentových rámů. Vzdálenost bočního ztužení vzorků byla stanovena v souladu s tímto předpisem. Svislé přemístění bylo přiloženo hydraulickým aktuátorem na konci nosníku.

Normové návrhové výpočty a porovnání

Návrhové únosnosti (\(\phi\)R_n) deseti tuhých přípojů byly vypočteny podle požadavků AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) a AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). Jmenovitá únosnost, R_n, a odpovídající součinitel únosnosti, \(\phi\), pro každý mezní stav návrhu přípoje pro metodu LRFD jsou uvedeny v kapitole J normy AISC 360.

Návrhová únosnost jednoduchých stojinových plechů

Následující osm normových posouzení bylo provedeno podle návrhových rovnic LRFD obsažených v AISC 360 nebo AISC Manual pro návrhové únosnosti jednoduchého stojinového plechu.

• Stojinový plech
  • Smyk šroubů                                                                 Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Otlačení a vytržení šroubů                                           Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastický smyk                                                            Eq. J4-3, AISC 360-16
  • Porušení smykem                                                             Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Skupinové vytržení                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16
  • Smyk svaru                                                                  Eq. 8-2, AISC Manual
• Nosník
  • Smyk šroubů                                                                  Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Otlačení a vytržení šroubů                                            Eq. J3-6, AISC 360-16

Z vypočtených návrhových únosností pro deset zkušebních vzorků byla návrhová únosnost modelu 2 rozhodující při porušení smykem, zatímco smyk šroubů vedl k porušení u ostatních osmi vzorků.

Návrhová únosnost pásnicových plechů

Následující 13 normových posouzení bylo provedeno podle návrhových rovnic LRFD obsažených v AISC 360 nebo AISC Manual pro návrhové únosnosti pásnicových plechů.

• Pásnicový plech
  • Smyk šroubů                                                                 Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Otlačení a vytržení šroubů                                             Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastický tah                                                          Eq. J4-3, AISC 360-16          
  • Porušení tahem                                                            Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Skupinové vytržení                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16          
  • Tlak                                                               Sec. J4-4, AISC 360-16         
• Nosník
  • Otlačení a vytržení šroubů                                             Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Ohyb                                                                       Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Skupinové vytržení                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Sloup
  • Smyk stojiny panelu                                                          Eq. J10-9, AISC 360-16        
  • Lokální ohyb pásnice                                                   Eq. J10-1, AISC 360-16        
  • Lokální plastický smyk stojiny                                                       Eq. J10-2, AISC 360-16        
  • Lokální boulení stojiny                                                     Eq. J10-4, AISC 360-16        

Z vypočtených návrhových únosností pro deset zkušebních vzorků byla návrhová únosnost sedmi vzorků rozhodující při smyku panelové zóny stojiny, dva vzorky byly rozhodující při smyku šroubů a jeden vzorek byl rozhodující při skupinovém vytržení. Momentové únosnosti vzorků byly vypočteny vynásobením rozhodující návrhové únosnosti ramenem momentu, jak je uvedeno v Tabulce 3.5. Rameno momentu se rovná výšce nosníku pro smyk šroubů, zatímco pro smyk panelové zóny stojiny a skupinové vytržení se rovná součtu výšky nosníku a tloušťky plechu (BFP, modely 1, 2, 3, 4, 5, 6 a 8). 

Analýza v IDEA StatiCa

Deset vzorků tuhých ocelových přípojů bylo modelováno v IDEA StatiCa a analyzováno pod smykovou silou přiloženou ve vzdálenosti 177,5 palce od osy sloupu, jak je uvedeno ve zkušební zprávě. Smyková síla byla postupně zvyšována, dokud přípoje nedosáhly své únosnosti v IDEA StatiCa. 

Analýza v ABAQUS

V této části byly výsledky z IDEA StatiCa porovnány se softwarovým balíkem ABAQUS (verze 2020). Jako základní model byl vybrán vzorek BFP. Numerické simulace s téměř identickými podmínkami (tj. z hlediska materiálových vlastností, okrajových podmínek a zatížení) byly provedeny pomocí IDEA StatiCa i ABAQUS. Model byl nejprve navržen v IDEA StatiCa a poté byla sestava (včetně nosníku, sloupu a plechů) importována do ABAQUS pomocí platformy prohlížeče IDEA StatiCa. Následně byl navržen zjednodušený model šroubu a přidán do modelu ABAQUS.

Nastavení modelu v ABAQUS

V ABAQUS byl použit typ prvku C3D8R (3D napětí, 8-uzlový lineární kvádr, redukovaná integrace) a v modelu bylo celkem vygenerováno 681 016 prvků. Numerické simulace byly provedeny na osmi procesorech (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) a simulace trvala přibližně 685 minut. 

Mezi výsledky obou softwarových balíků byla dobrá shoda. Rozdělení napětí na nosníku a sloupu bylo velmi blízké. V modelu ABAQUS však byla předpovězena mírně vyšší napětí na sloupu, plechu 1 a výztuhách, což je s největší pravděpodobností způsobeno povahou vazby „tie". Předpovězené zatížení na šroubech a skupinách svarů bylo také velmi blízké mezi oběma softwary. 

4 SHRNUTÍ A ZÁVĚRY

IDEA StatiCa je softwarový balík pro analýzu metodou konečných prvků (FEA) na bázi komponent pro návrh ocelových přípojů. Lze jej použít pro konstrukční posouzení nebo návrh různých svařovaných a šroubovaných ocelových přípojů a patních desek. Hlavním cílem této zprávy bylo ověřit výsledky FEA získané ze softwarového balíku IDEA StatiCa pro tři typy ocelových přípojů běžně používaných ve Spojených státech (tj. kloubové, polotuhé a tuhé) podle amerických stavebních norem. Pro vzorky přípojů vybrané pro účely ověření v této studii byla k dispozici naměřená experimentální odezva. Pro každý typ přípoje a jeho deset variant byla nejprve provedena normová posouzení a výpočty podle požadavků norem AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016) a AISC Steel Construction Manual (2017). Výsledky byly poté porovnány s výsledky IDEA StatiCa. Dále byly výsledky z IDEA StatiCa porovnány s ABAQUS, což je další robustní software pro FEA dostupný na trhu. Naměřené odezvy zkušebních vzorků byly také použity k porovnání a lepšímu pochopení celkového chování a způsobu porušení modelů přípojů.

Obecně byla mezi výsledky IDEA StatiCa, normovými posouzeními podle amerických norem a výsledky ABAQUS dobrá shoda. Vypočtené výsledky se liší od výsledků získaných pomocí IDEA StatiCa, pravděpodobně proto, že AISC je návrhová norma a může být konzervativní, zatímco software je určen k zachycení skutečného chování, které se očekává jako přesnější.

Přestože je na trhu k dispozici mnoho softwarových balíků pro FEA schopných předpovídat celkovou konstrukční odezvu na různé zatěžovací stavy, chybí specializované nástroje pro FEA zaměřené na návrh přípojů. Ve srovnání s jinými softwarovými balíky pro FEA na trhu má software IDEA StatiCa mnoho výhod. Kromě snadného použití byla nejdůležitější vlastností IDEA StatiCa shledána výpočetní rychlost, při níž lze výsledky získat za zlomek času ve srovnání s konvenčními softwary pro FEA, jako je ABAQUS. To pomůže inženýrům rychleji a efektivněji vyhodnotit a upravit jejich předběžný návrh přípoje, pokud jsou požadovány jakékoli změny. Navíc v běžných softwarových balíků pro FEA musí být zatížení a únosnosti prvků přípoje (tj. šroubů, svarů, plechů) extrahovány z modelu během fáze post-processingu, což je zdlouhavý a časově náročný úkol. V IDEA StatiCa jsou však výsledky přímo vypočteny a reportovány. Také v IDEA StatiCa lze zatížení přímo přiložit na libovolná místa/prvky přípoje, zatímco v typických softwarech pro FEA je to nutné provést definováním referenčního bodu a jeho následným propojením s přípojem, což je dodatečný krok.

Drobná odchylka však byla zjištěna v kontaktech definovaných mezi plechy a čely sloupu/nosníku, přestože byl proveden stejný typ analýzy, tj. malé deformace. To může být způsobeno rozdíly mezi objemovými a skořepinovými prvky nebo kontaktními algoritmy používanými v obou softwarech. Také způsob, jakým IDEA StatiCa vypočítává a využívá optimální velikost prvku, nebyl zcela zřejmý. Dále byly v důsledku doporučeného mezního plastického přetvoření 5 % podle Eurokódu (EN1993-1-5 app. C par. C8 note 1), které je v softwaru IDEA StatiCa definováno jako výchozí hodnota, pozorovány různé způsoby porušení. 

Díky rychlým a snadným možnostem modelování a analýzy přípojů v IDEA StatiCa lze relativně rychle provádět složité nelineární modelování a časově náročné dynamické analýzy rozsáhlých ocelových konstrukcí. Vlastnosti přípojů v rámových konstrukcích nosník-sloup lze definovat na základě analýzy a normových posouzení provedených v IDEA StatiCa. Model přípoje lze poté v případě potřeby revidovat a znovu analyzovat po dokončení analýzy rámu pomocí softwaru pro statickou analýzu, např. SAP2000. Přípoje lze v IDEA StatiCa učinit slabšími nebo silnějšími v závislosti na požadovaném optimálním výkonu modelu konstrukčního rámu. Snadný a robustnější přístup k vývoji odezvy moment-natočení přípoje v IDEA StatiCa bude velmi užitečný, protože v programech jako SAP2000 je nutné definovat odezvu moment-natočení přípojů jako součást modelování rámových konstrukcí.

Software IDEA StatiCa je tak dobrý, jak dobrý je jeho grafický uživatelský interface. Pokud není GUI dobře provedeno, budou mít uživatelé problémy s používáním aplikace nebo softwaru. IDEA StatiCa jej navrhla dobře. Spolu s dobrým GUI je patrná také kvalita softwaru. Dodržování souboru konvencí nebo standardů zajišťuje konzistenci a usnadňuje uživatelům orientaci v softwaru. Standardní a konzistentní terminologie zajišťuje, že uživatelé porozumí pojmům, když je uvidí. Modely lze snadno upravovat, což umožňuje rychlé prozkoumávání proměnných a jejich ověřování.

Software se průběžně aktualizuje, včetně rychlejšího načítání a oprav chyb pro zlepšení celkového uživatelského zážitku.

Reference

[1] AISC (2016). „Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

[2] AISC (2017). „Steel Construction Manual," 15^th edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.

[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background

[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.

[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Repor to American Institute of Steel Construction.

Plnou verzi zprávy lze stáhnout na níže uvedeném odkazu:  

Přiložené soubory ke stažení

• Final Report_OSU.pdf (PDF, 7,2 MB)