A mérnökök acél szerkezetek tervezésekor előnyben részesítik a rúdszerkezeti elemeket. Azonban a szerkezeten számos olyan hely található, ahol a rúdelmélet nem érvényes, pl. hegesztett csomópontok, csavaros kapcsolatok, alapozás, falakban lévő nyílások, változó magasságú keresztmetszet és koncentrált terhelések. Az ilyen helyeken a szerkezeti analízis nehéz és különös figyelmet igényel. A viselkedés nemlineáris, és a nemlinearitásokat figyelembe kell venni, pl. a lemezek anyagának folyása, homloklemezek vagy talplemez és betonblokk közötti érintkezés, csavarok és horgonyok egyirányú hatásai, hegesztések. A tervezési szabványok, pl. EN1993-1-8, valamint a szakirodalom mérnöki megoldási módszereket kínálnak. Ezek általános jellemzője, hogy tipikus szerkezeti alakokra és egyszerű terhelésekre lettek levezetve. A komponensmódszert nagyon gyakran alkalmazzák.

Komponensmódszer

A komponensmódszer (CM) a csomópontot egymással összefüggő elemek – komponensek – rendszereként kezeli. A megfelelő modellt minden egyes csomóponttípushoz fel kell építeni, hogy meg lehessen határozni az egyes komponensekben ébredő erőket és feszültségeket – lásd az alábbi ábrát.

Csavaros homloklemezzel kialakított csomópont komponensei rugókkal modellezve

Minden egyes komponenst külön ellenőriznek a megfelelő képletek segítségével. Mivel minden csomóponttípushoz megfelelő modellt kell létrehozni, a módszer alkalmazhatósága korlátozott általános alakú és általános terhelésű csomópontok esetén.

Az IDEA StatiCa a Prágai Műszaki Egyetem Építőmérnöki Karának Acél- és Faszerkezetek Tanszékével, valamint a Brnói Műszaki Egyetem Építőmérnöki Karának Fém- és Faszerkezetek Intézetével közösen kidolgozott egy módszert acél szerkezeti csomópontok korszerű tervezéséhez.

Component Based Finite Element Model (CBFEM) módszer:

Kellően általános ahhoz, hogy a mérnöki gyakorlatban előforduló csomópontok, alapozások és részletek többségére alkalmazható legyen.
Kellően egyszerű és gyors a mindennapi gyakorlatban, hogy az eredményeket a jelenlegi módszerekkel és eszközökkel összehasonlítható időn belül szolgáltassa.
Kellően átfogó ahhoz, hogy a statikus mérnök számára egyértelmű információt nyújtson a csomópont viselkedéséről, feszültségéről, alakváltozásáról, az egyes komponensek tartalékairól, valamint az összesített biztonságról és megbízhatóságról.

A CBFEM módszer azon az elgondoláson alapul, hogy a CM legtöbb ellenőrzött és hasznos részét meg kell tartani. A CM gyenge pontját – az egyes komponensek feszültségeinek elemzésekor mutatkozó általánosság hiányát – a végeselem-módszer (FEM) segítségével végzett modellezés és analízis váltotta fel.

A FEM egy általánosan használt módszer a szerkezeti analízisben. A FEM alkalmazása tetszőleges alakú csomópontok modellezésére ideálisnak tűnik (Virdi, 1999). Rugalmas-képlékeny analízis szükséges, mivel az acél a szerkezetben általában folyásba kerül. Valójában a lineáris analízis eredményei nem használhatók csomóponttervezéshez.

A FEM modelleket a csomópontok viselkedésének kutatási célú vizsgálatára alkalmazzák, amelyek általában térbeli elemeket és mért anyagtulajdonság-értékeket használnak.

Csomópont FEM modellje kutatási célra. Térbeli 3D elemeket alkalmaz mind a lemezekhez, mind a csavarokhoz

A csatlakoztatott szerkezeti elemek gerinclemezeit és övlemezeit héjelemekkel modellezik a CBFEM modellben, amelyekre ismert és ellenőrzött megoldás áll rendelkezésre.

A kötőelemek – csavarok és hegesztések – az analízismodell szempontjából a legnehezebbek. Az ilyen elemek modellezése általános FEM programokban nehéz, mivel a programok nem kínálják a szükséges tulajdonságokat. Ezért speciális FEM komponenseket kellett kifejleszteni a hegesztések és csavarok csomópontbeli viselkedésének modellezéséhez.

Homloklemezzel kialakított csavaros kapcsolat CBFEM modellje

A szerkezeti elemek csomópontjait tömeg nélküli pontokként modellezik acél keret vagy tartószerkezet analízisekor. Az egyensúlyi egyenleteket a csomópontokban állítják fel, és a rudak végeinek belső erőit a teljes szerkezet megoldása után határozzák meg. Valójában a csomópontot ezek az erők terhelik. A csomópontban lévő összes szerkezeti elemtől származó erők eredője nulla – a teljes csomópont egyensúlyban van.

A csomópont valódi alakja nem ismert a szerkezeti modellben. A mérnök csak azt határozza meg, hogy a csomópontot merevnek vagy csuklósnak feltételezi-e.

A csomópont megfelelő tervezéséhez szükséges egy megbízható, a valós állapotot figyelembe vevő csomópontmodell létrehozása. A CBFEM módszerben a maximális keresztmetszeti magasság 2-3-szorosának megfelelő hosszúságú szerkezeti elem végeket alkalmazzák. Ezeket a szakaszokat héjelemekkel modellezik.

Elméleti (tömeg nélküli) csomópont és a csomópont valódi alakja módosítatlan szerkezeti elem végekkel

A CBFEM modell pontosságának javítása érdekében az 1D szerkezeti elemek végein ható erőket a szakasz végeire ható terhelésként alkalmazzák. Az elméleti csomópontból származó erőhatos a szakasz végére kerül átvitelre – az erők értékei megmaradnak, de a nyomatékokat a megfelelő karokon ható erők módosítják.

A csomópontnál lévő szakaszvégek nincsenek összekötve. A kapcsolatot modellezni kell. A CBFEM módszerben az úgynevezett gyártási műveleteket alkalmazzák a kapcsolat modellezésére. A gyártási műveletek különösen: vágások, eltolások, furatok, merevítők, bordák, homloklemezek és toldások, szögvasak, csomólemezek és egyebek. Kötőelemeket (hegesztések és csavarok) szintén hozzáadnak.

IDEA StatiCa Connection kétféle analízist tud elvégezni:

Geometriailag lineáris analízis anyagi és érintkezési nemlinearitásokkal a feszültség- és alakváltozás-analízishez,
Sajátérték-analízis a kihajlás lehetőségének meghatározásához.

Kapcsolatok esetén a geometriailag nemlineáris analízis általában nem szükséges, kivéve, ha a lemezek nagyon karcsúak. A lemezek karcsúsága sajátérték- (kihajlás-) analízissel határozható meg. A határkarcsúságra vonatkozóan, amelynél a geometriailag lineáris analízis még elegendő, lásd a 3.9. fejezetet. A geometriailag nemlineáris analízis nincs implementálva a szoftverben.

Szeretné fejleszteni készségeit? Látogasson el a Campus oldalunkra

Tanulja meg hatékonyan használni az IDEA StatiCa szoftvert önálló tempójú e-learning tanfolyamainkkal

Kezdjen el tanulni

Acél kapcsolat anyagmodell

A szerkezeti acél végeselem-modellezésében leggyakrabban alkalmazott anyagdiagramok az ideálisan képlékeny vagy rugalmas modell alakkeményedéssel, valamint a valódi feszültség-alakváltozás diagram. A valódi feszültség-alakváltozás diagramot a szobahőmérsékleten húzóvizsgálattal meghatározott lágyacél anyagtulajdonságokból számítják. A valódi feszültség és alakváltozás az alábbiak szerint határozható meg:

\[ \sigma_{true}=\sigma (1 + \varepsilon) \]

\[ \varepsilon_{true}=\ln (1 + \varepsilon) \]

ahol σ_true a valódi feszültség, ε_true a valódi alakváltozás, σ a mérnöki feszültség, és ε a mérnöki alakváltozás.

Az IDEA StatiCa Connection lemezei rugalmas-képlékeny anyagmodellel vannak modellezve, névleges folyási platóval az EN1993-1-5, C.6. pont, (2) bekezdés szerint, tan^-1 (E/1000) meredekséggel. Az anyagviselkedés a von Mises-féle folyási feltételen alapul. A méretezési folyáshatár, f_yd eléréséig rugalmasnak tekinthető.

A kihajlásra nem érzékeny területek teherbírási határállapotának kritériuma a főalakváltozás határértékének elérése. Az 5 %-os érték ajánlott (pl. EN1993-1-5, C. függelék, C.8. pont, 1. megjegyzés).

Acél anyagdiagramok numerikus modellekben

A képlékeny alakváltozás határértékét gyakran vitatják. Valójában az ideálisan képlékeny modell alkalmazásakor a határterhelés kevéssé érzékeny a képlékeny alakváltozás határértékére. Ezt egy gerenda-oszlop csomópont példáján mutatjuk be. Egy IPE 180 nyitott szelvényű gerendát egy HEB 300 nyitott szelvényű oszlophoz csatlakoztatnak, és hajlítónyomatékkal terhelik. A képlékeny alakváltozás határértékének a gerenda teherbírására gyakorolt hatását az alábbi ábra mutatja. A határképlékeny alakváltozás 2 %-tól 8 %-ig változik, de a nyomatéki teherbírás változása kevesebb mint 4 %.

Példa gerenda-oszlop csomópont teherbírási határállapotának előrejelzésére

A képlékeny alakváltozás határértékének hatása a nyomatéki teherbírásra

Lemezmodell és hálókonvergencia

Az elemek számának növelése pontosabb eredményeket ad, de nagyobb számítási igény árán.

Lemezmodell

A szerkezeti kapcsolat végeselem-módszer szerinti elemzésében a lemezek modellezéséhez héjelemek ajánlottak. 4 csomópontú, sarkain csomópontokkal rendelkező négyszögletes héjelemeket alkalmaznak. Minden csomópontban hat szabadsági fokot vesznek figyelembe: 3 elmozdulást (u_x, u_y, u_z) és 3 elfordulást (φ_x, φ_y, φ_z). Az elem alakváltozásai membrán- és hajlítási összetevőkre vannak felosztva.

A membrán viselkedés megfogalmazása Ibrahimbegovic (1990) munkáján alapul. Az elem síkjára merőleges elfordulásokat figyelembe veszik. Az elem teljes 3D-s megfogalmazása biztosított. A síkon kívüli nyírási alakváltozásokat a Mindlin-hipotézisen alapuló hajlítási viselkedés megfogalmazásában veszik figyelembe. A saját fejlesztésű, stabilizált Mindlin négyszögletes lemezelemünket alkalmazzák, amely az élek mentén állandó nyírási alakváltozással rendelkezik. Az elemek a MITC4 elemek által inspiráltak; lásd Dvorkin (1984). A héj minden integrációs pontban öt integrációs rétegre van felosztva a lemez vastagságán keresztül, és a képlékeny viselkedést minden pontban elemzik. Ezt Gauss–Lobatto integrációnak nevezik. Az anyag nemlineáris rugalmas-képlékeny állapotát minden rétegben az ismert alakváltozások alapján elemzik. Csak az összes réteg maximális feszültségei és alakváltozásai jelennek meg.

Hálókonvergencia

A kapcsolatmodell hálógenerálásához bizonyos kritériumok léteznek. A kapcsolat ellenőrzésének függetlennek kell lennie az elemmérettől. A hálógenerálás egy különálló lemezen problémamentes. Figyelmet kell fordítani az összetett geometriákra, mint például a merevített panelek, T-csonkok és talplemezek. A bonyolult geometriák esetén el kell végezni a hálódiszkretizációt figyelembe vevő érzékenységvizsgálatot.

A gerendakeresztmetszet összes lemeze közös elemfelosztással rendelkezik. A generált végeselemek mérete korlátozott. A minimális elemméret 10 mm-re, a maximális elemméret 50 mm-re van beállítva (a Kódbeállításokban módosítható). A övlemezek és gerinclemezek hálói egymástól függetlenek. A végeselemek alapértelmezett száma a következő ábrán látható módon 8 elem a keresztmetszet magasságára vetítve. A felhasználó módosíthatja az alapértelmezett értékeket a Kódbeállításokban.

A háló egy gerendán, a gerinclemez és az övlemez közötti kényszerfeltételekkel

A homloklemezek hálója különálló és független a kapcsolat többi részétől. Az alapértelmezett végeselem-méret 16 elem a keresztmetszet magasságára vetítve, ahogy az az ábrán látható.

A háló egy homloklemezen, 7 elemmel a szélesség mentén

A következő gerenda-oszlop csukló példa a hálóméret hajlítási teherbírásra gyakorolt hatását mutatja be. Egy nyitott szelvényű IPE 220 gerenda egy nyitott szelvényű HEA 200 oszlophoz csatlakozik, és hajlítónyomatékkal van terhelve, ahogy az a következő ábrán látható. A kritikus komponens az oszlop nyírásban igénybevett panele. A végeselemek száma a keresztmetszet magassága mentén 4-től 40-ig változik, és az eredményeket összehasonlítják. A szaggatott vonalak az 5%, 10% és 15%-os eltérést jelölik. Ajánlott a keresztmetszet magasságát 8 elemre felosztani.

Egy gerenda-oszlop csukló modell és képlékeny alakváltozások a teherbírási határállapotnál

Az elemek számának hatása a hajlítási teherbírásra

Bemutatásra kerül az oszlopgerincpanel karcsú nyomott merevítőjének hálóérzékenységi vizsgálata. A merevítő szélessége mentén lévő elemek száma 4-től 20-ig változik. Az első kihajlási alak és az elemek számának a kihajlási teherbírásra és a kritikus terhelésre gyakorolt hatása a következő ábrán látható. Az 5% és 10%-os eltérés feltüntetésre kerül. Ajánlott 8 elemet alkalmazni a merevítő szélessége mentén.

Az első kihajlási alak és a merevítő mentén lévő elemek számának hatása a hajlítási teherbírásra

Bemutatásra kerül a húzott T-csonk hálóérzékenységi vizsgálata. Az övlemez szélességének fele 8-tól 40 elemre van felosztva, és a minimális elemméret 1 mm-re van beállítva. Az elemek számának a T-csonk teherbírására gyakorolt hatása a következő ábrán látható. A szaggatott vonalak az 5%, 10% és 15%-os eltérést jelölik. Ajánlott 16 elemet alkalmazni az övlemez szélességének felén.

Az elemek számának hatása a T-csonk teherbírására

Acél kapcsolati lemezek közötti érintkezések

A lemezek közötti érintkezés modellezéséhez a szabványos büntetőerő-módszer ajánlott. Ha egy csomópont behatolása észlelhető az ellentétes érintkezési felületbe, büntetőmerevség kerül hozzáadásra a csomópont és az ellentétes lemez közé. A büntetőmerevséget egy heurisztikus algoritmus szabályozza a nemlineáris iteráció során a jobb konvergencia érdekében. A megoldó automatikusan észleli a behatolási pontot, és megoldja az érintkezési erő eloszlását a behatolt csomópont és az ellentétes lemez csomópontjai között. Ez lehetővé teszi az érintkezés létrehozását különböző hálók között, ahogy az ábrán látható. A büntetőerő-módszer előnye a modell automatikus összeállítása. A lemezek közötti érintkezés jelentős hatással van az erők újraelosztására a kapcsolatban.

Példa két egymást átfedő Z-szelvényű szelemenszár gerincének és övlemezeinek érintkezési szétválására

Érintkezés hozzáadható

két felület között,
két él között,
él és felület között.

Példa él-él érintkezésre az ülőkonzol és a homloklemez között

Példa él-felület érintkezésre a gerenda alsó öve és az oszlop öve között

Az érintkezési feszültségek megjeleníthetők, és az értékek a lemezek ellenőrzési táblázatában láthatók. Az érintkezési feszültségek azonban csak tájékoztató jellegűek, és semmilyen ellenőrzésben nem kerülnek felhasználásra. Emellett a héjelemek vastagság irányú feszültsége sem kerül figyelembevételre.

Hegesztett kapcsolatok elemzése

A hegesztések numerikus modellekben való kezelésére több lehetőség is létezik. A nagy alakváltozások mechanikai szempontból összetettebbé teszik az elemzést, és különböző hálóleírások, különböző kinetikai és kinematikai változók, valamint alkotó modellek alkalmazhatók. Az általánosan alkalmazott 2D és 3D geometriai modellek, és ezáltal a végeselem-típusok különböző pontossági szintekre alkalmazhatók. A leggyakrabban használt anyagmodell a von Mises-féle folyási kritériumon alapuló közönséges sebességfüggetlen képlékenységi modell. Két, hegesztéseknél alkalmazott megközelítést ismertetünk. A hegesztés által okozott maradó feszültségeket és alakváltozásokat a méretezési modell nem veszi figyelembe.

A terhelés a Lagrange-féle megfogalmazáson alapuló erő-alakváltozás kényszerfeltételeken keresztül kerül átadásra az ellentétes lemezre. A kapcsolatot többpontos kényszerfeltételnek (MPC) nevezik, és az egyik lemezél végeselem-csomópontjait a másikhoz kapcsolja. A végeselem-csomópontok nem kapcsolódnak közvetlenül egymáshoz. Ennek a megközelítésnek az előnye, hogy különböző sűrűségű hálók összekapcsolására is alkalmas. A kényszerfeltétel lehetővé teszi a kapcsolódó lemezek középvonali felületének eltolással történő modellezését, amely figyelembe veszi a valós hegesztési konfigurációt és a varrat vastagságát. A hegesztésben lévő terheléseloszlás az MPC-ből kerül levezetésre, így a feszültségek a varrat keresztmetszetében kerülnek kiszámításra. Ez fontos a hegesztés alatti lemez feszültségeloszlása és a T-csonkok modellezése szempontjából.

Képlékeny feszültség-átrendeződés a hegesztésekben

A csak többpontos kényszerfeltételeket alkalmazó modell nem veszi figyelembe a hegesztés merevségét, és a feszültségeloszlás konzervatív. A lemezélek végén, sarkokban és lekerekítéseknél megjelenő feszültségcsúcsok az egész varrat hosszán meghatározzák az ellenállást. A hatás kiküszöbölésére egy speciális rugalmas-képlékeny elemet adnak a lemezek közé. Az elem figyelembe veszi a varrat vastagságát, helyzetét és irányát. Az egyenértékű hegesztési tömör elem a megfelelő varratméretekkel kerül beillesztésre. A nemlineáris anyagelemzés kerül alkalmazásra, és az egyenértékű hegesztési tömör elemben a rugalmas-képlékeny viselkedés kerül meghatározásra. A képlékenységi állapotot a varrat keresztmetszetében lévő feszültségek szabályozzák. A feszültségcsúcsok a varrat hosszának nagyobb részén átrendeződnek.

A hegesztések rugalmas-képlékeny modellje valós feszültségértékeket ad, és nincs szükség a feszültség átlagolására vagy interpolálására. A legjobban igénybevett varratelem számított értékeit közvetlenül a varrat komponens ellenőrzéséhez használják. Így nincs szükség a többirányú hegesztések, merevítetlen övekhez készített hegesztések vagy hosszú hegesztések ellenállásának csökkentésére.

Kényszerfeltétel a varratelem és a hálócsomópontok között

Az általános hegesztések, képlékeny átrendeződés alkalmazása esetén, folyamatos, részleges és szakaszos kivitelűre állíthatók be. A folyamatos hegesztések az él teljes hosszán végigfutnak, a részleges lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy az él mindkét oldalán eltolásokat állítsanak be, a szakaszos hegesztések pedig további beállításként meghatározott hosszal és hézaggal adhatók meg.

Csavarok és előfeszített csavaros kapcsolatok

Csavarok

A Component-Based Finite Element Method (CBFEM) módszerben a csavar húzásban, nyírásban és palástnyomásban tanúsított viselkedését a függő nemlineáris rugók írják le. A csavarkötés csavarból, alátétből és anyából áll, és nemlineáris rugóval, merev test elemekkel és hézagelemekkel modellezhető.

Csavar húzásban

A húzott csavart rugó írja le, amelyet a kezdeti axiális merevség, a méretezési ellenállás, a folyás kezdete és az alakváltozási kapacitás jellemez. A kezdeti axiális merevség analitikusan vezethető le a VDI2230 irányelvből és Agerskov (1976) munkájából.

\[D_{Lb} =\frac{L_s+0.4d_b}{EA_{s}}+ \frac{0.85d_b}{EA_{t}}\]

\[A_{pp}=\frac{0.75D_H(L_w-D_H)}{D_{W1}^2-D_{W2}^2}\]

\[A_{P1}=\frac{\pi}{4}(D_H^2-D_{W1}^2)\]

\[A_{P2}=\frac{1}{2}(D_{W2}^2-D_H^2)\tan^{-1}A_{pp}\]

\[A_P=A_{P1}+A_{P2}\]

\[D_{LW}=\frac{L_W}{EA_P}\]

\[k=\frac{1}{D_{LB}+D_{LW}}\]

ahol:

\(d_b\) – csavar átmérője
\(D_H\) – csavarfej átmérője
\(D_{W1}\) – alátét belső átmérője
\(D_{W2}\) – alátét külső átmérője
\(L_W\) – alátétek vastagságának összege
\(L_s\) – csavar szorítási hossza
\(A_{s}\) – csavar bruttó keresztmetszeti területe
\(A_{t}\) – csavar húzási feszültségi területe
\(E\) – Young-féle rugalmassági modulus

A modell kísérleti adatokkal egyezik; lásd Gödrich et al. (2014). A folyás kezdetéhez és az alakváltozási kapacitáshoz azt feltételezzük, hogy a képlékeny alakváltozás csak a csavarszár menetes részén következik be.

Erő-alakváltozás diagram a lemez palástnyomásához

Az erő-alakváltozás diagram a következő egyenletekkel szerkeszthető meg:

Képlékeny merevség:

\[ k_t = c_1 k \]

Erő a rugalmas határon:

\[ F_{t,el} = \frac{F_{t,Rd}}{c_1 c_2 - c_1 +1} \]

Alakváltozás a rugalmas határon:

\[ u_{el} = \frac{ F_{t,el} }{k} \]

Alakváltozás a képlékeny határon:

\[ u_{t,Rd} = c_2 u_{el} \]

\[ c_1 = \frac{f_{ub} - f_{yb}}{\frac{1}{4} A E - f_{yb}} \]

\[ c_2 = \frac{AE}{4 f_{yb}} \]

ahol:

\(F_{t,Rd}\) – csavar méretezési ellenállása húzásban
\(f_{yb}\) – csavar folyáshatára
\(f_{ub}\) – csavar szakítószilárdsága
\(A\) – szakadás utáni megnyúlás

Csavar nyírásban

A csavarlyukban csak nyomóerő adódik át a csavarszárból a lemezre. Ezt a csavarszár csomópontjai és a lyuk peremcsomópontjai közötti interpolációs kapcsolatokkal modellezik. A lemezeket modellező héjelemek alakváltozási merevsége osztja el az erőket a csavarok között, és szimulálja a lemez megfelelő palástnyomását.

A csavarlyukak normál (alapértelmezett) vagy hornyolt kialakításúak lehetnek (a lemezszerkesztőben állítható be). A normál lyukakban lévő csavarok minden irányban átvihetnek nyíróerőt, a hornyolt lyukakban lévő csavarok egyik irányban ki vannak zárva, és ebben a kiválasztott irányban szabadon elmozdulhatnak.

A nyírásban lévő csavar kezdeti merevsége és méretezési ellenállása a következő képletekkel határozható meg:

\[k_{el}=\frac{1}{\frac{1}{k_{11}}+\frac{1}{k_{12}}}\]

\[k_{11} = \frac{8d_b^2f_{ub}}{d_{M16}}\]

\[k_{12}=12k_td_bf_{up}\]

\[k_t=\min \left ( 2.5,\, \frac{1.5t_{min}}{d_{M16}} \right ) \]

\[k_{pl}=\frac{k_{el}}{1000}\]

ahol:

\(d_b\) – csavar átmérője
\(f_{ub}\) – csavar szakítószilárdsága
\(d_{M16}=16 \textrm{ mm}\) – az M16 referencia csavar átmérője
\(f_{up}\) – a csatlakoztatott lemez szakítószilárdsága
\(t_{min}\) – a csatlakoztatott lemez minimális vastagsága

A nyírásban lévő csavart reprezentáló rugó bilineáris erő-alakváltozás viselkedéssel rendelkezik. A folyás kezdete várhatóan:

\[F_{V,el}=0.999 F_{V,Rd}\]

Az alakváltozási kapacitás:

\[\delta_{pl}=\delta_{el}\]

ahol:

\(F_{V,el}\) – csavar rugalmas ellenállása nyírásban
\(F_{V,Rd}\) – csavar ellenállása nyírásban
\(\delta_{el}\) – csavar rugalmas alakváltozása nyírásban

Húzás és nyírás kölcsönhatása

A tengelyirányú és a nyíróerő kölcsönhatása közvetlenül bevezethető az analízis modellbe. Az erők eloszlása jobban tükrözi a valóságot (lásd a mellékelt diagramot). A nagy húzóerőt felvevő csavarok kisebb nyíróerőt vesznek fel, és fordítva.

A tengelyirányú és nyíróerő kölcsönhatásának példája (EC)

Előfeszített csavarok

Az előfeszített csavarokat olyan esetekben alkalmazzák, amikor az alakváltozás minimalizálása szükséges. A csavar húzási modellje megegyezik a normál csavarokéval. A nyíróerő nem palástnyomással, hanem a szorított lemezek közötti súrlódással adódik át.

Az előfeszített csavar méretezési csúszási ellenállását a ráható húzóerő befolyásolja.

IDEA StatiCa Connection ellenőrzi az előfeszített csavarok csúszás előtti határállapotát. Ha csúszási hatás lép fel, a csavarok nem teljesítik az ellenőrzést. Ekkor a csúszás utáni határállapotot kell ellenőrizni a csavarok normál palástnyomásos ellenőrzéseként, ahol a csavarlyukak palástnyomásnak, a csavarok nyírásnak vannak kitéve.

A felhasználó dönthet arról, hogy melyik határállapotot ellenőrzi: a nagycsúszással szembeni ellenállást vagy a csavarok csúszás utáni nyírási állapotát. Egy csavaron mindkét ellenőrzés nem kombinálható egyetlen megoldásban. Feltételezzük, hogy a csavar a nagycsúszás után normál viselkedést mutat, és a normál palástnyomásos eljárással ellenőrizhető.

A kapcsolat nyomatéki terhelése kis hatással van a nyírási kapacitásra. Ennek ellenére az egyes csavarokon végzett súrlódási ellenőrzés egyszerűen, külön-külön kerül elvégzésre. Ez az ellenőrzés a csavar végeselem-komponensében van megvalósítva. Általánosan nem áll rendelkezésre információ arról, hogy az egyes csavarok külső húzóterhelése hajlítónyomatékból vagy a kapcsolat húzóterheléséből származik-e.

Feszültségeloszlás normál nyírt csavaros kapcsolatban

Feszültségeloszlás csúszásálló nyírt csavaros kapcsolatban

Horgonycsavarok

A horgonycsavar modellezése hasonló eljárásokkal történik, mint a szerkezeti csavaroké. A csavar a betonblokk egyik oldalán van rögzítve. A csavar merevsége kiszámításához használt hossza, L_b, a következők összege: az anya vastagságának fele, az alátét vastagsága, t_w, a talplemez vastagsága, t_bp, a habarcs vagy hézag vastagsága, t_g, és a betonba ágyazott szabad hossz, amelyet 8d-ként vesznek figyelembe, ahol d a csavar átmérője. A 8-as szorzó a Kódbeállításokban szerkeszthető. Ez az érték a Component Method (EN1993-1-8) szerint van meghatározva; a betonba ágyazott szabad hossz a Kódbeállításokban módosítható. A húzási merevség kiszámítása: k = E A_s / L_b. A horgonycsavar terhelés-alakváltozás diagramja az alábbi ábrán látható. Az ISO 898:2009 szerinti értékek az alábbi táblázatban és képletekben vannak összefoglalva.

A horgonycsavar terhelés-alakváltozás diagramja

\[ F_{t,el}=\frac{F_{t,Rd}}{c_1 c_2 - c_1 + 1} \]

\[ k_t = c_1 k; \qquad c_1 = \frac{R_m - R_e}{\left ( \frac{1}{4} A - \frac{R_e}{E} \right )E} \]

\[ u_{el} = \frac{F_{t,el}}{k}; \qquad u_{t,Rd} = c_2 u_{el}; \qquad c_2 = \frac{AE}{4R_e} \]

ahol:

A – megnyúlás
E – Young-féle rugalmassági modulus
F_t,Rd – a horgony acél húzási ellenállása
R_m – szakítószilárdság
R_e – folyáshatár

A horgonycsavar nyírási merevsége megegyezik a szerkezeti csavar nyírási merevségével.

Horgonycsavarok állvánnyal

Az állvánnyal ellátott horgonyok ellenőrizhetők építési fázisként, mielőtt az oszloptalpat behabarcsolják, vagy végleges állapotként. Az állvánnyal ellátott horgony rúdelemként van tervezve, amelyet nyíróerő, hajlítónyomaték, valamint nyomó- vagy húzóerő terhel. A horgony mindkét oldalon rögzítve van; az egyik oldal 0,5×d-vel a betonszint alatt van, a másik oldal a lemez vastagságának közepén helyezkedik el. A kihajlási hossz konzervatívan a rúdelem hosszának kétszereseként van feltételezve. Képlékeny keresztmetszeti modulus kerül alkalmazásra. Az állvánnyal ellátott horgonyban ébredő erők végeselem-módszerrel kerülnek meghatározásra. A hajlítónyomaték a horgonyok és a talplemez merevségi arányától függ.

Állvánnyal ellátott horgonyok – a karhossz és a kihajlási hosszak meghatározása; a merev horgonyok biztonságos feltételezést jelentenek

Betonblokk szerkezeti modellje

Méretezési modell

A CBFEM-ben célszerű a betonblokkot 2D kontaktelemekkel egyszerűsíteni. A beton és a talplemez közötti kapcsolat csak nyomást vesz fel. A nyomás a Winkler-Pasternak altalajmodellen keresztül adódik át, amely a betonblokk alakváltozásait reprezentálja. A talplemez és a betonblokk közötti húzóerőt a horgonycsavarok veszik fel. A nyíróerőt a talplemez és a betonblokk közötti súrlódás, a nyírófog, valamint a horgonycsavarok hajlítása és súrlódás útján adódik át. A csavarok nyírási ellenállását analitikusan értékelik. A súrlódást és a nyírófogat teljes egypont-kényszerfeltételként modellezik a talplemez–beton érintkezési síkjában.

Alakváltozási merevség

A betonblokk merevsége az oszlopalap méretezéséhez rugalmas félgömb formájában becsülhető. A Winkler-Pasternak altalajmodellt általánosan alkalmazzák az alapozás egyszerűsített számításához. Az altalaj merevsége a beton rugalmassági modulusa és az altalaj hatékony magassága alapján határozható meg:

\[ k = \frac{E_c}{(\alpha_1 + \upsilon) \sqrt{\frac{A_{eff}}{A_{ref}}}} \left( \frac{1}{\frac{h}{a_2 d} + a_3}+a_4 \right) \]

ahol:

k – a betonaltalaj nyomási merevsége
E_c – a beton rugalmassági modulusa
υ – a betonblokk Poisson-együtthatója
A_eff – hatékony nyomott terület
A_ref = 1 m² – referenciaterület
d – talplemez szélessége
h – betonblokk magassága
a₁ = 1,65; a₂ = 0,5; a₃ = 0,3; a₄ = 1,0 – együtthatók

A képletben SI mértékegységeket kell használni, az eredmény mértékegysége N/m³.

Nyíróterhelés átadása a talplemezen

A talplemezen a nyíróterhelés háromféle módon adható át:

Súrlódás
Nyírófog
Horgonyok

A felhasználók a talplemez-művelet szerkesztésével választhatják ki az átadási módot. A szoftverben az átadási módok kombinációja nem megengedett, azonban az EN 1993-1-8 – 6.2.2. pont és az Fib 58 – 4.2. fejezet bizonyos feltételek mellett lehetővé teszi a horgonyok és a súrlódás általi nyíróerő-átadás kombinációját. Általánosságban elmondható, hogy a súrlódás elhanyagolása konzervatív megközelítés a lehorgonyzás méretezésénél, bár egyes esetekben a használhatósági határállapoton a beton repedezettségének alábecsléshez vezethet. Főszabályként a súrlódási ellenállást el kell hanyagolni, ha:

a habarcsréteg vastagsága meghaladja a horgonyátmérő felét,
a lehorgonyzási kapacitást szélközeli feltétel szabályozza,
a lehorgonyzás földrengési terhek felvételére szolgál.

A nyírófogával való kombinációt az alakváltozási kompatibilitás miatt soha nem szabad megengedni.

Nyíróterhelés átadása súrlódással

A nyírási ellenállás egyenlő az ellenállási biztonsági tényező és a Szabványbeállításokban szerkeszthető súrlódási együttható, valamint a nyomóterhelés szorzatával. A nyomóterhelés minden erőt magában foglal, pl. ha az oszlopalap nyomóerővel és hajlítónyomatékkal terhelt, a súrlódási nyírási ellenálláshoz használt nyomóterhelés nagyobb lehet az alkalmazott nyomóerőnél.

Nyíróterhelés átadása nyírófog segítségével

A nyírófogat a talplemez alatt betonba ágyazott csonkként szimulálják. A nyíróterhelés átadása egyenletes tehereloszlással történik, amely a betonblokkba ágyazott nyírófog teljes részére hat, azaz a nyírófog betonfelszín alatti összes csomópontja egyenletesen terhelt. A betonfelszín felett habarcsban lévő nyírófog-rész nem vesz részt a nyíróterhelés átadásában.

Figyelembe kell venni, hogy az alkalmazott nyíróterhelés (a talplemezen) és a nyírási ellenállás (a betonba ágyazott nyírófog félmagassága) közötti karhossz hajlítónyomatékot okoz, amelyet a betonban lévő nyomóerőnek és a horgonyokban lévő húzóerőknek kell felvenni.

A nyírófog héj végeselem-módszer elemekből áll, és szabályos lemezként ellenőrzik. A nyírófog talplemezhez való hegesztéseit szintén szabványos eljárásokkal ellenőrzik az IDEA StatiCa Connection programban. A kézi számítás általában gerendaelméletet feltételez a nyírófognál, bár ez nem pontos, mivel a nyírófog hossz-szélesség aránya nagyon kicsi. Ezért jelentős eltérés lehet az IDEA StatiCa Connection és a kézi számítás között.

Nyíróterhelés átadása horgonyok segítségével

A nyírási ellenállást a horgonyok nyírási ellenállása határozza meg. A horgonyok acél ellenállása elasztoplasztikus terhelés-alakváltozás görbével rendelkezik, a beton tönkremeneteli módokat azonban tökéletesen ridegnek tekintik.

IDEA StatiCa analízismodellje

Acél csomópont elemzési modell

A CBFEM módszer (Component Based Finite Element Model) lehetővé teszi különböző alakú és konfigurációjú csomópontok gyors elemzését. A modell tartalmazza azokat a szerkezeti elemeket, amelyekre a terhelés hat, valamint a gyártási műveleteket (beleértve a merevítő elemeket), amelyek az elemek egymáshoz való csatlakoztatására szolgálnak. A szerkezeti elemeket nem szabad összekeverni a gyártási műveletekkel, mivel vágott éleik merev kapcsolatokon keresztül csatlakoznak a kapcsolati csomóponthoz, így nem deformálódnak megfelelően, ha gyártási műveletek (merevítő elemek) helyett alkalmazzák őket.

Az elemzett végeselem-modell automatikusan generálódik. A tervező nem a végeselem-modellt hozza létre, hanem a csomópontot alakítja ki gyártási műveletek segítségével – lásd az ábrát.

Gyártási műveletek/elemek, amelyek a csomópont kialakításához használhatók

Minden gyártási művelet új elemeket ad a kapcsolathoz – vágásokat, lemezeket, csavarokat, hegesztéseket.

Tartó elemek és támaszok

A csomópont egyik eleme mindig „tartó" elemként van beállítva. Az összes többi elem „csatlakoztatott". A tartó elemet a tervező választja ki. A tartó elem a csomópontban „folytonos" vagy „végződő" lehet. A „végződő" elemek az egyik végükön vannak megtámasztva, a „folytonos" elemek pedig mindkét végükön.

A csatlakoztatott elemek több típusú lehetnek, attól függően, hogy az elem milyen terhelést tud felvenni:

N-Vy-Vz-Mx-My-Mz típus – az elem mind a 6 belső erőkomponenst képes átvinni
N-Vy-Mz típus – az elem csak XY síkbeli terhelést képes átvinni – N, V_y, M_z belső erők
N-Vz-My típus – az elem csak XZ síkbeli terhelést képes átvinni – N, V_z, M_y belső erők
N-Vy-Vz típus – az elem csak normálerőt N és nyíróerőket V_y és V_z képes átvinni

A lemez-lemez kapcsolat az összes belső erőkomponenst átviszi

A hevederlemez kapcsolat csak XZ síkbeli terhelést képes átvinni – N, V_z, M_y belső erők

Csomólemez kapcsolat – rácsrúd kapcsolata csak N tengelyirányú erőt és Vy és Vz nyíróerőket képes átvinni

Minden csomópont egyensúlyi állapotban van a keretszerkezet elemzése során. Ha az egyes elemek végső erőit a részletes CBFEM modellre alkalmazzák, az egyensúlyi állapot szintén teljesül. Így nem lenne szükséges támaszokat definiálni az elemzési modellben. Azonban gyakorlati okokból a tartó elem első végén egy minden elmozdulást megakadályozó támasz kerül meghatározásra. Ez nem befolyásolja sem a feszültségi állapotot, sem a csomópont belső erőit, csak az alakváltozások megjelenítését.

A csatlakoztatott elemek végein az egyes elemek típusát figyelembe vevő megfelelő támasztípusok kerülnek meghatározásra az instabil mechanizmusok kialakulásának megakadályozása érdekében.

Minden elem alapértelmezett hossza kétszerese a magasságának. Az elem hosszának legalább 1-szerese kell legyen az elem magasságának az utolsó gyártási művelet (hegesztés, nyílás, merevítő stb.) után, a merev kapcsolatok utáni helyes alakváltozások biztosítása érdekében, amelyek az elem vágott végét a kapcsolati csomóponthoz kötik.

Csomóponti egyensúly a 3D végeselem-módszer modellben

A szerkezeti modell bármely csomópontjában a terheléseknek egyensúlyban kell lenniük. Minden egyensúlyhiányos erőt a támaszok vesznek fel. Ajánlott teherkombinációt használni a belső erők burkolója helyett.

A 3D végeselem-módszer modell minden csomópontjának egyensúlyban kell lennie. Az egyensúlyi feltétel helyes, azonban egyszerű csomópontok méretezéséhez nem szükséges. A csomópont egyik eleme mindig „tartó", a többiek pedig csatlakoznak hozzá. Ha csak a csatlakozó elemek kapcsolatát ellenőrzik, nem szükséges az egyensúly megtartása. Ezért két terhelésbeviteli mód áll rendelkezésre:

Egyszerűsített – ebben a módban a tartó elem alátámasztott (mindkét oldalon folytonos elem), és a terhelés nincs meghatározva az elemen
Speciális (pontos, egyensúlyellenőrzéssel) – a tartó elem egyik végén alátámasztott, a terhelések minden elemre alkalmazva vannak, és az egyensúlyt meg kell találni

A mód a Loads in equilibrium szalagcsoportban váltható.

A módok közötti különbséget a következő T-kapcsolat példa szemlélteti. A gerendát 41 kNm végső hajlítónyomaték terheli. A pilléren 100 kN nyomó normálerő is hat. Egyszerűsített mód esetén a normálerőt nem veszik figyelembe, mivel a pillér mindkét végén alátámasztott. A program csak a gerenda hajlítónyomatékának hatását mutatja. A normálerő hatásait csak teljes módban elemzik, és azok megjelennek az eredményekben.

Egyszerűsített bevitel: a pillér normálereje NEM kerül figyelembevételre

Speciális bevitel: a pillér normálereje figyelembevételre kerül

Az egyszerűsített módszer könnyebb a felhasználó számára, de csak akkor alkalmazható, ha a felhasználó a kapcsolati elemek vizsgálatára kíváncsi, nem pedig a teljes csomópont viselkedésére.

Azokban az esetekben, amikor a tartó elem erősen terhelt és közel van határkapacitásához, szükséges a speciális mód alkalmazása, amely figyelembe veszi a csomópont összes belső erejét.

Belső erők az acél kapcsolatokban

A keretelemzési modell egy elemének végső erői átkerülnek az elemszakaszok végpontjaira. Az átvitel során figyelembe veszik a csomóponti kialakítás által okozott elemexcentricitásokat.

A CBFEM módszerrel létrehozott elemzési modell nagyon pontosan megfelel a valódi csomópontnak, míg a belső erők elemzése egy erősen idealizált 3D végeselem rúdmodellen történik, ahol az egyes gerendákat tengelyvonalakkal modellezik, a csomópontokat pedig anyagtalan csomópontokkal.

Függőleges oszlop és vízszintes gerenda csomópontja

A belső erők elemzése 1D elemekkel történik a 3D modellben. Az alábbi ábrán egy példa látható a belső erőkre.

Belső erők a vízszintes gerendában; M és V a csomóponti végső erők

A csomópont (kapcsolat) tervezéséhez az elem által a csomópontra gyakorolt hatások fontosak. A hatásokat az alábbi ábra szemlélteti:

Az elem hatásai a csomópontra; a CBFEM modell sötétkék színnel van ábrázolva

Az M nyomaték és a V nyíróerő az elméleti csomópontban hat. Az elméleti csomópont pontja nem létezik a CBFEM modellben, ezért a terhelés itt nem alkalmazható. A modellt az M és V hatásokkal kell terhelni, amelyeket az r távolságban lévő szakasz végére kell átvinni

M_c = M – V ∙ r

V_c = V

A CBFEM modellben a szakasz végső keresztmetszetét az M_c nyomatékkal és a V_c erővel terhelik.

A csomópont tervezésekor meg kell határozni és figyelembe kell venni a csomópont valódi helyzetét az elméleti csomóponthoz képest. A valódi csomópont helyén lévő belső erők többnyire eltérnek az elméleti csomópontban lévő belső erőktől. A pontos CBFEM modellnek köszönhetően a tervezés csökkentett erőkkel végezhető – lásd az M_r nyomatékot az alábbi ábrán:

Hajlítónyomaték a CBFEM modellen: A nyíl a kapcsolat valódi helyzetére mutat

A csomópont terhelésekor figyelembe kell venni, hogy a valódi csomópont megoldásának meg kell felelnie a belső erők számításához használt elméleti modellnek. Ez merev csomópontoknál teljesül, de csuklóknál a helyzet teljesen eltérő lehet.

A csukló helyzete az elméleti 3D végeselem modellben és a valódi szerkezetben

Az előző ábra szemlélteti, hogy a csukló helyzete az elméleti 1D elemmodellben eltér a szerkezetbeli valódi helyzettől. Az elméleti modell nem felel meg a valóságnak. A számított belső erők alkalmazásakor jelentős hajlítónyomaték hat az eltolt csomópontra, és a tervezett csomópont túlméretezett lesz, vagy egyáltalán nem tervezhető meg. A megoldás egyszerű – mindkét modellnek meg kell felelnie egymásnak. Vagy az 1D elemmodellben lévő csuklót kell a megfelelő helyen definiálni, vagy a nyíróerőt kell eltolni, hogy a csukló helyén nulla nyomaték legyen.

A hajlítónyomaték eltolt eloszlása a gerendán: a nulla nyomaték a csukló helyén van

A nyíróerő eltolása a belső erő definíciójának táblázatában adható meg.

A teherhatás helyének nagy befolyása van a kapcsolat helyes tervezésére. A félreértések elkerülése érdekében lehetővé tesszük a felhasználó számára, hogy három lehetőség közül válasszon – Csomópont / Csavarok / Pozíció.

Megjegyzés: a Csomópont lehetőség kiválasztásakor az erők a kiválasztott elem végén kerülnek alkalmazásra, ami általában az elméleti csomópontnál van, kivéve ha a kiválasztott elem geometriában beállított eltolása meg van adva.

Terhek importálása végeselem-programokból

Az IDEA StatiCa lehetővé teszi a belső erők importálását harmadik féltől származó végeselem-programokból. A végeselem-programok kombinációkból származó belső erők burkolóját használják. Az IDEA StatiCa Connection egy olyan program, amely nemlineárisan (rugalmas/képlékeny anyagmodell) oldja meg az acél csomópontot. Ezért a burkoló kombinációk nem használhatók. Az IDEA StatiCa a belső erők (N, V_y, V_z, M_x, M_y, M_z) szélsőértékeit keresi az összes kombinációban a csomóponthoz csatlakozó összes elem végein. Minden ilyen szélsőértékhez az adott kombináció összes többi belső erejét is felhasználja az összes többi elemben. Az IDEA StatiCa meghatározza a legrosszabb kombinációt a kapcsolat minden egyes összetevőjére (lemez, hegesztés, csavar stb.).

A felhasználó módosíthatja a teherkombinációk listáját. Dolgozhat kombinációkkal a varázslóban (vagy BIM-ben), vagy közvetlenül az IDEA StatiCa Connection-ben törölhet egyes eseteket.

Figyelmeztetés!

Az importálás során figyelembe kell venni az egyensúlyhiányos belső erőket. Ez a következő esetekben fordulhat elő:

Csomóponti erőt alkalmaztak a vizsgált csomópont helyén. A szoftver nem tudja meghatározni, hogy melyik elemnek kellene átvinnie ezt a csomóponti erőt, ezért az elemzési modellben nem kerül figyelembevételre. Megoldás: Ne használjon csomóponti erőket a globális elemzésben. Szükség esetén az erőt manuálisan kell hozzáadni egy kiválasztott elemhez normál- vagy nyíróerőként.
Terhelt, nem acél (általában fa vagy beton) elem csatlakozik a vizsgált csomóponthoz. Az ilyen elemet az elemzés nem veszi figyelembe, és belső erőit az elemzés figyelmen kívül hagyja. Megoldás: Cserélje le a betonelemet betonblokkra és lehorgonyzásra.
A csomópont egy lemez vagy fal (általában betonból) része. A lemez vagy fal nem része a modellnek, és belső erőit figyelmen kívül hagyják. Megoldás: Cserélje le a betonlemezt vagy falat betonblokkra és lehorgonyzásra.
Néhány elem merev kapcsolatokon keresztül csatlakozik a vizsgált csomóponthoz. Az ilyen elemek nem szerepelnek a modellben, és belső erőiket figyelmen kívül hagyják. Megoldás: Adja hozzá ezeket az elemeket manuálisan a csatlakoztatott elemek listájához.
Szeizmikus teherkombinációkat elemeznek a szoftverben. A legtöbb végeselem-szoftver modális elemzést kínál a szeizmicitás megoldásához. A szeizmikus teherkombinációk belső erőinek eredményei általában csak a keresztmetszetekben lévő belső erők burkolóját adják meg. Az értékelési módszer miatt (négyzetek összegének négyzetgyöke – SRSS) a belső erők mind pozitívak, és nem lehetséges megtalálni a kiválasztott szélsőértékhez tartozó erőket. Nem lehetséges a belső erők egyensúlyát elérni. Megoldás: Módosítsa manuálisan néhány belső erő előjelét pozitívról negatívra.

Acél kapcsolatok szilárdsági elemzése

A szilárdsági elemzés a kapcsolatok legfontosabb elemzése. A lemezek alakváltozás-ellenőrzése és az összetevők szabványellenőrzése rugalmas-képlékeny elemzéssel történik.

A kapcsolatok elemzése anyagilag nemlineáris. A terhelésnövekmények fokozatosan kerülnek alkalmazásra, és a feszültségállapot meghatározása történik. Az IDEA StatiCa Connection-ban két opcionális elemzési mód áll rendelkezésre:

A szerkezet (kapcsolat) válasza a teljes terhelésre. Ebben a módban az összes meghatározott terhelés (100%) kerül alkalmazásra, és a megfelelő feszültség- és alakváltozási állapot kerül kiszámításra.

Az elemzés leállítása a teherbírási határállapot elérésekor. A „Stop at limit strain" jelölőnégyzetet be kell jelölni a Kódbeállításokban. Az állapot akkor kerül meghatározásra, amikor a képlékeny alakváltozás eléri a meghatározott határértéket. Abban az esetben, ha a meghatározott terhelés nagyobb, mint a számított teherbírás, az elemzés nem kielégítőként kerül megjelölésre, és a felhasznált terhelés százalékos aránya kerül kiírásra. Megjegyzendő, hogy az összetevők – például a csavarok – analitikus teherbírása túlléphető.

A második mód praktikusabb a tervezési gyakorlatban. Az első mód összetett kapcsolatok részletes elemzéséhez előnyösebb.

Acél kapcsolatok merevségi elemzése és alakváltozási kapacitása

A kapcsolatokat merevség szerint merev, félmerev és csuklós kategóriába sorolják. A mérnöknek meg kell győződnie arról, hogy a kapcsolat merevsége megfelel a CAE szoftverben beállított merevségnek. A merevségi elemzés célja a helyes tehermegosztás meghatározása a szerkezeti elemekben és kapcsolatokban, valamint a szerkezeti elemek és az egész szerkezet helyes deformációinak meghatározása.

A CBFEM módszer az egyes csomóponti szerkezeti elemek kapcsolatának merevségét elemzi. A megfelelő merevségi elemzéshez minden egyes vizsgált szerkezeti elemhez külön elemzési modellt kell létrehozni. Ekkor a merevségi elemzést nem befolyásolja a csomópont többi szerkezeti elemének merevsége, csak maga a csomópont és a vizsgált szerkezeti elem kapcsolatának kialakítása. Míg a teherhordó szerkezeti elem a szilárdsági elemzésnél alátámasztott (az alábbi ábrán az SL szerkezeti elem), a merevségi elemzésnél a vizsgált kivételével az összes szerkezeti elem alátámasztott (lásd az alábbi két ábrát a B1 és B3 szerkezeti elemek merevségi elemzéséhez). Kivételt képez az oszloptalplemez, ahol az alátámasztásokat a betonalap biztosítja, csak a vizsgált szerkezeti elem terhelt, a többi szerkezeti elemnek csak a modelltípusuknak megfelelő kényszerfeltételei vannak.

Alátámasztások a szerkezeti elemeken a szilárdsági elemzéshez

Alátámasztások a szerkezeti elemeken a B1 szerkezeti elem merevségi elemzéséhez

Alátámasztások a szerkezeti elemeken a B3 szerkezeti elem merevségi elemzéséhez

Terhek csak a vizsgált szerkezeti elemre alkalmazhatók. Ha hajlítónyomaték, M_y, van megadva, az y-tengely körüli forgási merevség kerül elemzésre. Ha hajlítónyomaték M_z van megadva, a z-tengely körüli forgási merevség kerül elemzésre. Ha tengelyirányú erő N van megadva, a kapcsolat tengelyirányú merevsége kerül elemzésre.

A nyomaték-elfordulás (vagy terhelés-deformáció) görbe két modellre kerül kiszámításra:

Teljes kapcsolati modell – szerkezeti elemekkel, lemezekkel, csavarokkal, hegesztésekkel stb. (anyagi nemlineáris elemzés)
Szerkezeti elem modell – csak a csomópontban mereven kapcsolt szerkezeti elemekkel (lineáris rugalmas elemzés)

A megjelenített diagram a Teljes kapcsolati modellből kivonva a Szerkezeti elem modellt jön létre. Ily módon a szerkezeti elemek rugalmas deformációja, amely már szerepel az egész szerkezet modelljében, kizárásra kerül.

A program automatikusan generálja a teljes diagramot; közvetlenül megjelenik a grafikus felületen, és hozzáadható a kimeneti jelentéshez. A forgási vagy tengelyirányú merevség meghatározott méretezési terhelésekre vizsgálható. Az IDEA StatiCa Connection a többi belső erő kölcsönhatásával is képes foglalkozni.

A diagram a következőket mutatja:

A méretezési teher szintje M_Ed
A kapcsolat kapacitásának határértéke 5%-os egyenértékű alakváltozásnál M_j,Rd; a képlékeny alakváltozás határa módosítható a Szabványbeállításokban
A csatlakoztatott szerkezeti elem kapacitásának határértéke (szeizmikus tervezésnél is hasznos) M_c,Rd
A határkapacitás 2/3-a a kezdeti merevség kiszámításához
A kezdeti merevség értéke S_j,ini
A szelantmerevség értéke S_js
A kapcsolat osztályozásának határai – merev és csuklós
Forgási alakváltozás Φ
Forgási kapacitás Φ_c

Merev hegesztett kapcsolat

Félmerev csavart kapcsolat

Az oszlop gerinc panel nyírásban 5%-os alakváltozásának elérése után a képlékeny zónák gyorsan terjednek

A csomópontot merevsége alapján merev, félmerev vagy csuklós kategóriába sorolják a vonatkozó szabvány szerint. A vizsgált szerkezeti elemhez beállítható a szerkezeti elem elméleti hossza:

Hogyan kerülnek alkalmazásra a terhek?

A merevségi elemzésben csak egy szerkezeti elem terhelt és vizsgált. A vizsgált szerkezeti elem a következőkkel terhelhető:

Normálerő N
Nyíróerők V_y és V_z
Hajlítónyomatékok M_y és M_z
Csavarás M_x

Minden teherhatás egyidejűleg kerül alkalmazásra. Ha az alkalmazott terhek túl kicsik, mindegyiket egy szorzótényezővel növelik, hogy elérjék a csomópont ellenállását (az alkalmazott erőknek nagyobbnak kell lenniük 1-nél). A nyomaték-elfordulás vagy terhelés-deformáció diagramok létrehozásakor az összes teherhatás arányosan, lépésekben növekszik.

Például a vizsgált szerkezeti elem terhelése:

Normálerő N = 50 kN
Nyíróerő V_z = -80 kN
Hajlítónyomaték M_y = 30 kNm

A szerkezeti elem ellenállásai:

Normálerő-ellenállás N_R = 2 111 kN
Nyíróerő-ellenállás V_z,_R = 763 kN
Hajlítónyomaték-ellenállás M_y_,R = 226 kNm

A terheket egy szorzótényezővel szorozják:

\[ \alpha = \textrm{min} \left \{ \frac{N_R}{N}, \, \frac{M_{y,R}}{M_y}, \, \frac{M_{z,R}}{M_z} \right \} \]

Megjegyzendő, hogy ha a nyíróerő nem a csomópontban hat, azaz karhosszal rendelkezik, a hajlítónyomaték érintett. A csomópontban lévő hajlítónyomaték, ahogy a drótváz modellben látható, beállított teherként kerül alkalmazásra.

Ebben a példában a szorzótényező \( \alpha = 7.53 \). A beállított terheket megszorozzák, majd lépésekben alkalmazzák, az eredményeket a Merevségi diagramon ábrázolják. Az alkalmazott terheket 12 lépésre osztják fel, és amikor a kapcsolat közelít az ellenállásához, a lépések tovább finomítódnak. Az első három lépés példája a következő táblázatban látható:

	Beállított terhek	Alkalmazott terhek	Első lépés	Második lépés	Harmadik lépés
		100%	8.33%	16.67%	25.00%
N	50	377	31	63	94
V_y	0	0	0	0	0
V_z	-80	-603	-50	-100	-151
M_x	0	0	0	0	0
M_y	30	226	19	38	57
M_z	0	0	0	0	0

Alakváltozási kapacitás

Az alakváltozási kapacitás/képlékenység δ_Cd a teherbírással és a merevsége együtt a kapcsolatok viselkedését leíró három alapvető paraméter egyike. A nyomatékálló kapcsolatokban a képlékenységet elegendő forgási kapacitás φ_Cd. Az alakváltozási/forgási kapacitás a csomópont minden egyes kapcsolatára külön kerül kiszámításra.

A szoftver az alakváltozási kapacitást abban a pontban becsüli meg, ahol az alábbi feltételek egyike teljesül:

A csavar vagy horgony húzási, nyírási vagy húzás/nyírás kölcsönhatási ellenállása elérésre kerül
A hegesztés ellenállása elérésre kerül
A lemezekben a képlékeny alakváltozás eléri a 15%-ot

A forgási kapacitás becslése fontos a szeizmikus hatásoknak kitett kapcsolatoknál, lásd Gioncu és Mazzolani (2002) és Grecea (2004), valamint szélsőséges terhelések esetén, lásd Sherbourne és Bahaari (1994 és 1996). Az összetevők alakváltozási kapacitását az elmúlt évszázad végétől tanulmányozzák (Foley és Vinnakota, 1995). Faella és mtsai. (2000) T-csonkokon végzett kísérleteket, és analitikus kifejezéseket vezettek le az alakváltozási kapacitásra. Kuhlmann és Kuhnemund (2000) kísérleteket végzett az oszlop gerinc keresztirányú nyomásnak kitett esetére, az oszlopban különböző szintű nyomó tengelyirányú erők mellett. Da Silva és mtsai. (2002) az alakváltozási kapacitást jósolták meg a csatlakoztatott gerenda különböző tengelyirányú erőszintjeinél. A kísérleti eredmények végeselem-elemzéssel kombinálva alapján Beg és mtsai. (2004) analitikus modellek segítségével alakváltozási kapacitásokat határoztak meg az alapvető összetevőkre. A munkában az összetevőket nemlineáris rugók képviselik, amelyeket megfelelően kombinálnak a csomópont forgási kapacitásának meghatározásához homloklemez-kapcsolatoknál, kiterjesztett vagy süllyesztett homloklemezzel és hegesztett kapcsolatoknál. Ezeknél a kapcsolatoknál a forgási kapacitáshoz jelentősen hozzájáruló legfontosabb összetevőkként azonosították a nyomott gerinc, az oszlop gerinc húzásban, az oszlop gerinc nyírásban, az oszlop öv hajlításban és a homloklemez hajlításban összetevőket. Az oszlop gerincéhez kapcsolódó összetevők csak akkor relevánsak, ha az oszlopban nincsenek merevítők, amelyek ellenállnak a nyomó-, húzó- vagy nyíróerőknek. Egy merevítő jelenléte kiküszöböli a megfelelő összetevőt, és annak hozzájárulása a csomópont forgási kapacitásához ezért elhanyagolható. A homloklemezek és az oszlop övek csak homloklemez-kapcsolatoknál fontosak, ahol az összetevők T-csonkként működnek, ahol a csavarok húzási alakváltozási kapacitása is szerepel. A nagyszilárdságú acél kapcsolatok alakváltozási kapacitásának kérdéseit és korlátait Girao és mtsai. (2004) tanulmányozták.

Acél kapcsolat kapacitástervezés

A kapacitástervezés a csomópont ellenőrzés része a szeizmikus tervezésben. Amikor egy szerkezet duktilitására támaszkodunk, a kapacitástervezést el kell végezni.

A kapacitástervezés célja annak megerősítése, hogy egy épület ellenőrzött duktilis viselkedést mutat, elkerülve az összeomlást egy tervezési szintű földrengés esetén.

Egy disszipáló elemet megnövelt szilárdsággal és módosított anyagdiagrammal választanak ki. A túlszilárdság tényező \(\gamma_{ov}\) az Anyagokban van meghatározva, a deformációs keményedési tényező \(\gamma_{sh}\) pedig a disszipáló elem műveletnél. Megjegyzendő, hogy a nomenklatúra eltér a szabványok között. A disszipáló elem ki van zárva a lemezek alakváltozás-ellenőrzéséből.

Módosított anyagdiagram a disszipáló elemhez

Az IDEA StatiCa Connection ellenőrzi a kapcsolatot az alkalmazott méretezési terhelésre, amelynek képlékeny csuklót kell létrehoznia a kiválasztott disszipáló elemben, általában a gerendában. A disszipáló elemben lévő képlékeny alakváltozásnak körülbelül 5% körül kell lennie. Ez megerősítésként szolgálhat arra, hogy a terhelések nagysága és helyzete megfelelően lett meghatározva.

A disszipáló elem – a gerenda – tervezett helyén kialakult képlékeny csukló

A folytonos szerkezeti elem támaszkodási pontjai automatikusan úgy vannak meghatározva, hogy az egyik végén alátámasztott, a másik végén pedig befogott nyomatékkal. Ily módon a folytonos oszlop terhelhető normálerővel és nyíróerőkkel, és az egyik oldal oldalirányban is elmozdulhat, így az oszlopgerinc nyírási tönkremenetele feltárható.

Megjegyzendő, hogy a részletképzés nagyon fontos a szeizmikusan ellenálló csomópontok esetén, de az IDEA StatiCa nem ellenőrzi.

Csukló tervezési ellenállása

A csukló tervezési ellenállása segít megbecsülni a kapcsolat ellenállásának tartalékát.

A tervező általában a kapcsolat/csukló tervezési feladatát úgy oldja meg, hogy az ismert tervezési terhet átviszi. De hasznos tudni azt is, hogy a tervezés mennyire van a határállapottól, azaz mekkora a tartalék a tervezésben és mennyire biztonságos. Ez egyszerűen elvégezhető az elemzés típusával – Csukló tervezési ellenállása.

A felhasználó a tervezési terhet ugyanúgy adja meg, mint egy szabványos tervezésnél. A szoftver automatikusan arányosan növeli az összes terhelési összetevőt, amíg az egyik ellenőrzés nem teljesül.

A DR elemzések a következő összetevőkre végeznek ellenőrzéseket:

Plasztikus alakváltozás lemezekben
Csavarok – nyírás, húzás és húzás-nyírás kombinációja
Horgonyok – húzás és nyírás acél ellenállása
Hegesztések

Kérjük, vegye figyelembe, hogy a fenti listában nem szereplő egyéb összetevőket nem ellenőrzi a rendszer, mivel az összetevőkben ható erők iránya ismeretlen. Ezért mindig el kell végezni egy EPS elemzést is, hogy biztosítható legyen az összes ellenőrzés helyes elvégzése.

A felhasználó megkapja a maximális terhelés és a tervezési terhelés arányát. Egy egyszerű diagram is rendelkezésre áll.

A felhasználó által meghatározott teherkombinációk eredményei megjelennek, kivéve ha a csukló tervezési ellenállásának tényezője kisebb mint 100%, ami azt jelenti, hogy a számítás nem konvergált, és a teherkombináció utolsó konvergált lépése jelenik meg.

Acél kapcsolat kihajlásvizsgálata

A kihajlás általában nem kritikus kérdés a kapcsolatokban. Mindazonáltal ellenőrizni kell, hogy nincsenek-e kihajlási problémák, és hogy a kizárólag geometriailag lineáris analízist alkalmazó szilárdsági vizsgálat eredményei helyesek-e.

IDEA StatiCa Connection lineáris kihajlásvizsgálatot tud elvégezni a kapcsolat modelljén. Az eredmények kihajlási alakok formájában jelennek meg. Minden kihajlási alakhoz meghatározásra kerül a kritikus teher, amelynél a tökéletes modell kihajlása bekövetkezik. A kritikus terhet a kapcsolatra ható teher szorzójaként fejezi ki a program. A kihajlási alak és a kritikus tehermultiplikátor alapján a felhasználó meghatározhatja a biztonságos kihajlási tervezést.

Egyes szabványok, pl. az Eurocode (EN 1993-1-1, 5.2.1 fejezet), rúdmodellekre 15-nél nagyobb kritikus tehermultiplikátort ajánlanak. Ha a kritikus tehermultiplikátor nagyobb mint 15, a szabvány nem írja elő a szerkezeti elemek kihajlásának ellenőrzését.

Kapcsolatok esetén a helyzet eltérő, és a szabvány nem ad konkrét ajánlást. A helyi kihajlás tervezését más módon kell kezelni. Általánosságban a helyi kihajlás három csoportra osztható:

Az egyes szerkezeti elemeket összekötő lemezek
A kapcsolatban lévő merevítő lemezek – merevítők, bordák, rövid vállak
Zárt szelvények és vékonyfalú szelvények

Az 1. csoportba tartozó lemezek kihajlása az egész szerkezeti elem kihajlási alakját befolyásolja. Ezért ajánlott ezekre a lemezekre ugyanazokat a szabályokat alkalmazni, mint magukra a szerkezeti elemekre, azaz a biztonságos kritikus tehermultiplikátort 15-ben vagy annál nagyobb értékben meghatározni. A mérnöknek ellenőriznie kell, hogy a kapcsolat tényleges kivitelezése megfelel-e a teljes szerkezet kihajlásvizsgálatához használt modell peremfeltételeinek.

A 2. csoportba tartozó lemezek a kapcsolat helyi kihajlását befolyásolják. Ilyen lemezek esetén a 15-ös kritikus tehermultiplikátor biztonságos határa konzervatív, de a szabványokban hiányzik a konkrét útmutatás. Az útmutatást kutatási cikkek adják meg, amelyek 3-as kritikus tehermultiplikátort ajánlanak biztonságos határként.

A 3. csoportba tartozó lemezek és szerkezeti elemek kihajlása rendkívül problematikus, és minden egyes eset egyedi értékelése szükséges.

Azon lemezek esetén, amelyek kritikus tehermultiplikátora kisebb a javasolt értékeknél (1. csoport esetén 15, 2. csoport esetén 3), a képlékeny tervezés nem alkalmazható. Ilyen esetben a kapcsolat tervezéséhez más módszerek szükségesek:

Szabványellenőrzés a vonatkozó tervezési szabvány szerint, pl. Eurocode vagy AISC Specification vagy Design Manual
Általános módszer az EN 1993-1-5 B mellékletében – Nem egyenletes szerkezeti elemek, ahol az MNA és LBA eredményeit a karcsú lemezek kihajlási teherbírásának meghatározásához használják fel
Geometriailag és anyagilag nemlineáris analízis tökéletlenségekkel, amely elérhető az IDEA StatiCa Member alkalmazásban

Az IDEA StatiCa Connection lineáris kihajlásvizsgálatának eredménye nem jelent végleges szabványellenőrzést. A szabványok nem adnak elegendő útmutatást. Az értékelés mérnöki ítélőképességet igényel, és az IDEA StatiCa egyedi eszközöket biztosít, amelyek a szokásos tervezőszoftverekben nem érhetők el.

Csomólemez rácsszerkezet meghosszabbításaként – példa az 1. csoportba tartozó lemezre, amelynél a kihajlás elhanyagolható, ha a kritikus kihajlási tényező nagyobb mint 15

A 2. csoportba tartozó lemezek kihajlási alakjainak példái, ahol a kihajlás elhanyagolható, ha a kritikus kihajlási tényező nagyobb mint 3

A kihajlásvizsgálathoz használt modell eltérő megtámasztásokkal rendelkezik, mint amelyeket a felhasználó a feszültség-alakváltozás analízistípusban (EPS) beállított. A teherhordó szerkezeti elem teljesen megtámasztott marad. Az N-Vy-Vz-Mx-My-Mz típusú gerendarúd-modell (amely a feszültség-alakváltozás analízistípusban szabadon mozoghat) a kihajlásvizsgálatban teljesen megtámasztott. Az összes többi gerendarúd-analízistípus esetén a hajlítónyomatékok és a normálerő rögzített, de oldalirányban szabadon mozoghat.

N-Vy-Vz-Mx-My-Mz modelltípus: megtámasztások a kihajlási modellben: N-Vy-Vz-Mx-My-Mz
N-Vy-Vz modelltípus: megtámasztások a kihajlási modellben: N-Mx-My-Mz
N-Vz-My modelltípus: megtámasztások a kihajlási modellben: N-Mx-My-Mz
N-Vy-Mz modelltípus: megtámasztások a kihajlási modellben: N-Mx-My-Mz

Feltételezzük, hogy merev kapcsolat esetén a felhasználó beállítja a hajlítónyomatékot, és a rövid gerendarúd-szakasz kihajlása nem releváns. Ezzel szemben csuklós kapcsolat esetén a felhasználó csak normál- és nyíróerőt ad meg, hajlítónyomatékot nem, de a csuklós szerkezeti elem kihajlása releváns, így hozzájárul a kihajlási tényezőhöz. Lásd az alábbi ábrát. A „Modell" a feszültség-alakváltozás analízistípusban lévő modellt mutatja, a „Kihajlás" pedig a kihajlásvizsgálatban lévő modellt.

Az összetett acél kapcsolat modellek analízisének konvergenciája

A végeselem-analízis több okból sem konvergálhat, általában azért, mert valamely elem nincs megfelelően megtámasztva, és szabadon elmozdulhat vagy elfordulhat.

A végeselem-analízis az anyagmodellek enyhén növekvő feszültség-alakváltozás diagramját igényli. Bonyolult modellek esetén, például több kontaktus esetén, a divergens iterációk számának növelése segíthet a konvergencián. Ez az érték a Kódbeállításokban adható meg. Az analízis sikertelenségének leggyakoribb okai a szingularitások, amelyek akkor lépnek fel, ha a modell részei nincsenek megfelelően összekötve, és szabadon elmozdulhatnak vagy elfordulhatnak. A felhasználó értesítést kap, és ellenőriznie kell a modellt a hiányzó hegesztések vagy csavarok szempontjából. A deformált alak megjelenik, és az első szingularitást okozó elemek 1 m-rel el vannak tolva, hogy a szingularitás könnyen azonosítható legyen.

Hiányzó hegesztések a csomólemezeknél, amelyek szingularitáshoz vezetnek

Acél-fa kapcsolatok (Elméleti háttér)

Az acél-fa kapcsolatok jelenleg csak az acéllemezek ellenőrzésére és a kötőelemekben lévő erővektorok meghatározására szolgálnak. A csomólemezek alkalmazhatók zárt vagy behelyezett formában.

A fa anyagtulajdonságai nincsenek megadva. A kötőelemek és a fa ellenőrzését manuálisan vagy más szoftverben kell elvégezni a megfelelő tervezési szabályok szerint. Ezért a merevségelemzés nem érhető el.

Az acél kapcsolatok egyéb összetevőinek ellenőrzése a szokásos módon, szabványellenőrzéssel történik.

Tudjon meg többet az acél-fa kapcsolatokkal való munkáról a Tudásbázis cikkben.

Vékonyfalú acél szerkezeti elemek

IDEA StatiCa Connection vékonyfalú szerkezeti elemek kapcsolatainak tervezéséhez csak tapasztalt mérnökökre bízható. A kihajlásvizsgálat elengedhetetlen, és minden egyes alakváltozási módot gondosan kell elemezni.

Az IDEA StatiCa Connection szoftver melegen hengerelt szerkezeti elemek kapcsolatainak vizsgálatára készült, amelyeket a kihajlás nem befolyásol jelentősen. A geometriailag lineáris és anyagilag nemlineáris analízis gyors és stabil számítása miatt kerül alkalmazásra. Ez az analízis azonban nem elegendő a stabilitásvesztés vizsgálatához. Ha a kihajlás problémát jelenthet, a lineáris kihajlásvizsgálat elvégzése segít a veszélyes területek azonosításában és az Euler-féle bifurkációs pont szorzójának meghatározásában, de ez még mindig nem elegendő vékonyfalú szerkezeti elemek esetén. Vékonyfalú szerkezeti elemeknél csak a geometriailag nemlineáris, imperfekciókat figyelembe vevő analízis megfelelő.

Ha a felhasználó mégis az IDEA StatiCa Connection szoftver használata mellett dönt vékonyfalú szerkezeti elemek kapcsolatainak ellenőrzéséhez, a következőket kell tennie:

Végezzen lineáris kihajlásvizsgálatot, és gondosan értékelje ki az összes kihajlási alakot – az első 5 bemutatott kihajlási alak nem feltétlenül elegendő (Hogyan növelhető a kiértékelt alakok száma)
Ne támaszkodjon az acéllemezek képlékenységére, inkább korlátozza a von Mises-feszültséget a folyáshatárra vagy annál alacsonyabb értékre
Legyen tudatában, hogy a helyi kihajlás – amelyet a szoftver nem vesz figyelembe – az összetevőkben eltérően oszthatja el a belső erőket
Legyen tudatában, hogy az összetevők merevsége eltérő lehet a különböző tönkremeneteli módok vagy azok kombinációja miatt.
Legyen tudatában, hogy a bemutatott szabványellenőrzések és az összetevők (pl. csavarok, hegesztések) részletezési előírásai szabványos szerkezeti elemekre vonatkozó útmutatókat követnek. Vékonyfalú szerkezeti elemek esetén az ellenőrzések eltérhetnek, és a megadott ellenőrzések nem feltétlenül helytállóak.

A vékonyfalú szerkezeti elemek kapcsolatainak tervezése erősen esetfüggő, és nem adható általános útmutató. Az IDEA StatiCa Connection szoftvert erre a felhasználási célra nem validálták.

Összetevő-ellenőrzések – EN

Az EN 1993-1-1 szerint a vékonyfalú szerkezeti elemek definíciója: „A 4. osztályú keresztmetszetek azok, amelyekben helyi kihajlás következik be, mielőtt a keresztmetszet egy vagy több részén elérnék a folyásfeszültséget." Az acélszerkezetekre vonatkozó Eurocode fő része a t ≥ 3 mm anyagvastagságú szerkezeti elemekre korlátozódik. A 4. fejezet – Hegesztett kapcsolatok csak t ≥ 4 mm anyagvastagságra vonatkozik. Ezért a szoftver által biztosított összetevő-ellenőrzések nem alkalmazhatók kisebb vastagságú hidegen alakított szerkezeti elemekre. A felhasználóknak tisztában kell lenniük ezzel, és az ellenőrzéseket manuálisan kell felváltaniuk az EN 1993-1-3 megfelelő képleteivel.

A üreges szelvényű csomópontok analízisét szintén gondosan kell elvégezni azon szerkezeti elemek esetén, amelyek kívül esnek a hegesztett csomópontok érvényességi tartományán – EN 1993-1-8 – 7.1. táblázat. Ilyen csomópontokra nincsenek irányelvek, és a szoftver eredményeit nem validálták.

Összetevő-ellenőrzések – AISC

Az AISC 360-16 A fejezetében egy felhasználói megjegyzés szerepel: „Hidegen alakított acél szerkezeti elemek tervezéséhez az AISI North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members (AISI S100) előírásai ajánlottak, kivéve a hidegen alakított üreges szerkezeti szelvényeket (HSS), amelyeket jelen szabvány szerint kell tervezni." Az AISI S100 és az AS/NZS 4600 képleteket tartalmaz a leggyakoribb kötőelemtípusok nyírási és húzási teherbírásának meghatározásához, alkalmazási tartományukkal együtt.

Összetevő-ellenőrzések – CISC

A CSA S16-14 az 1. fejezetben kimondja: „Az acélszerkezetekre – például hidakra, antennatornyokra, offshore szerkezetekre és hidegen alakított acél szerkezeti elemekre – vonatkozó követelményeket más CSA Group szabványok tartalmazzák."

Kifordulás elleni megtámasztás a szerkezeti tervezésben

A gerendákat gyakran mennyezetek vagy burkolatok akadályozzák meg a kihajlásban. Az ilyen korlátozás szimulációját a Lateral-torsional restraint (LTR) gyártási művelet biztosítja.

Modell leírása

Lateral-torsional restraint szimulációja két, bármely lemezhez hozzáadott merevséggel történik:

Oldalsó (nyíró) S [N] a lemez helyi koordináta-rendszerének y tengelye irányában alkalmazva
Csavaró C [Nm/m] a lemez helyi koordináta-rendszerének x tengelye körül alkalmazva

A felhasználók kiválaszthatják a szerkezeti elem bármely lemezét, a megtámasztás hosszát, típusát (folyamatos vagy diszkrét, megadott osztásközzel), valamint az oldalsó és csavaró merevségeket.

Egy lemez helyi koordináta-rendszere alkalmazott LTR-rel

A végeselemek csomópontjai a lemez szélességén át merev test elemekkel (RBE3, 3-as típus) kapcsolódnak a lemez hossztengelyén lévő egy ponthoz. A csavaró merevség ennél a pontnál kerül alkalmazásra egy speciális elemmel, amelynek egyetlen merevsége van: elfordulás az x tengely körül. Ez a pont két másik RBE3-mal is össze van kötve, amelyek között egy speciális elem helyezkedik el, amelynek egyetlen merevsége van: elmozdulás az y tengelyen.

Az oldalsó merevséget a felhasználó szabadként, merevként vagy megadott merevséggel állítja be. A merev merevség kellően nagy, a lemez nyíró merevségének 1000-szeresére van beállítva. Az \(S\) merevség egységnyi hosszra (egy méterre) van megadva, erőegységgel [N]. Egy elem \(S_i\) merevsége erőegység osztva hosszegységgel [N/m], és a következő:

\[ S_i = \frac{S}{s_d} \]

ahol:

\(s_d\) – két pont közötti távolság [m]

Diszkrét típus esetén az osztásközt közvetlenül a felhasználó adja meg. Folyamatos típus esetén az osztásköz kellően kicsi, hogy a lemez viselkedését ne befolyásolja az osztásköz.

Hasonlóképpen, a csavaró merevséget a felhasználó szabadként, merevként vagy megadott merevséggel állítja be. A merev merevség kellően nagy, a lemez hajlítási merevségének 1 000-szeresére van beállítva. A \(C\) merevség egységnyi hosszra (egy méterre) van megadva, hajlítónyomaték osztva hosszegységgel [Nm/m]. Egy elem \(C_i\) merevsége hajlítónyomaték-egység osztva hosszegység négyzetével [Nm/m²], és a következő:

\[ C_i= \frac{C}{s_d} \]

A merevségi értékek jobb megértéséhez lásd a következő dokumentumot: European Recommendations on the Stabilization of Steel Structures by Sandwich Panels.

A rejtett végeselemek és RBE3-ak oldalsó és csavaró merevséget biztosítanak a szerkezeti elem lemezének

Megjegyzés: az RBE3-ak csupán interpolációs kapcsolatok, amelyek önmagukban nem biztosítanak merevséget.

Ellenőrzés

Az LTR-t biztosító modellt az LTBeam szoftverrel ellenőrizték, amely hét szabadságfokú rúd (1D) elemeket alkalmaz. Ez azt jelenti, hogy a keresztmetszet nem deformálódik, de az elem képes megragadni a öblösödést. Az összehasonlítás egy S355 acélminőségű, 6 m hosszú IPE 180 keresztmetszetű példán kerül bemutatásra. A gerenda mindkét végén befogott, a felső övön 20 kN/m egyenletes terhelés hat. Az LTBeam szoftver képes meghatározni azt a rugalmas kritikus nyomatékot, amely megfelel az IDEA StatiCa Member lineáris kihajlási analízisének (LBA) eredményének.

Az LTBeam és az IDEA StatiCa Member összehasonlítása oldalsó és csavaró merevség esetén

A rugalmas kihajláshoz tartozó kritikus tehertöbbszörös \(\alpha_{cr}\) oldalsó merevség esetén mindkét szoftver szerint nagyon hasonló. Az a határoldalsó merevség, amelynél a kifordulás hatása legfeljebb 5%-a a gerenda hajlítási teherbírásának, EN 1993-1-1 szerint S_lim = 8 589 kN. A csavaró megtámasztással kapott eredmények azonban magasabb forgási merevségi szinteken eltérnek egymástól. Az IDEA StatiCa Member deformált alakját megfigyelve a különbség oka a keresztmetszet deformációja, amelyet csak a héjmodell képes megragadni. Az LTBeam irreálisan magas kritikus tehertöbbszörösöket ad magas csavaró merevség esetén.

Ennek az állításnak az igazolására az ETH egyetemen ABAQUS héjelem-modellt hoztak létre. A gerenda ismét mindkét végén befogott, S355 acélminőségű és 6 m hosszú. A gerenda keresztmetszete IPE 240. A határcsavaró merevség, azaz amelynél a kifordulás hatása legfeljebb 5%-a a gerenda hajlítási teherbírásának, C_lim = 27,13 kNm/m értékre lett meghatározva. A modellt a felső övön, a nyíláshosszfelezőn koncentrált erő terheli.

Az ABAQUS, az LTBeam és az IDEA StatiCa Member összehasonlítása csavaró merevség esetén

A csavaró merevség hatása nagyon hasonló mindkét héjelemekből álló modellben, az LTBeam eltér. A legfontosabb, hogy az ABAQUS és az IDEA StatiCa Member GMNIA által adott kihajlási teherbírások szinte egybeesnek – az eltérések legfeljebb 4%-osak.

Merevség becslése

A betonnal kitöltött és nyírócsapok által biztosított kompozit hatású padlók által nyújtott LTR legalább az oldalsó merevség esetén merevnek tekinthető. A trapézlemezek és szendvicspanelek által biztosított merevségek jóval kisebbek, és kísérletekkel vagy számításokkal határozhatók meg. Az oldalsó és csavaró merevség értékeit leggyakrabban a szendvicspanel- vagy egyéb burkolatgyártók ajánlják.

Az EN 1993-1-3 10. fejezetében megadott, trapézlemezek által biztosított oldalsó merevség S [N] számítása:

\[S=1000 \sqrt{t^3} \left ( 50+10 \sqrt[3]{b_{roof}} \right ) \frac{s}{h_w} \]

ahol:

t – a trapézlemez tervezési vastagsága [mm]
b_roof – tetőszélesség, azaz nyeregtető esetén a gerinc és az eresz közötti távolság [mm]
s – gerendák közötti távolság [mm]
h_w – trapézlemez profil mélysége [mm]

A képlet érvényes, ha a trapézlemez minden bordánál csatlakozik a gerendához. Ha a lemez csak minden második bordánál csatlakozik a gerendához, akkor S helyett 0,2 S értéket kell alkalmazni.

A szendvicspanelek oldalsó merevsége az ECCS ajánlásban kerül leírásra. A kötőelemek merevsége alapvető fontosságú:

\[S=\frac{k_v}{2B} \sum_{k=1}^{n_k}c_k^2\]

ahol:

k_v – egy rögzítés nyíró merevsége
B – egy szendvicspanel szélessége
n_k – kötőelempárok száma panelenként és támaszonként
c_k – egy pár két kötőeleme közötti távolság

A csavaró merevség bonyolultabb, és szintén becsülhető az ECCS ajánlás alapján. Tartalmazza a kötőelemek, a szendvicspanel és a gerenda torzulásának hozzájárulását. A gerenda torzulása elhanyagolható, mivel az már szerepel a héjelem-modellben.

Szendvicspanelek által biztosított csavaró (bal oldalon) és oldalsó merevség (jobb oldalon) (ECCS, 2014)

Az amerikai gyakorlatban a kifordulás elleni megtámasztást általában teljesnek vagy elhanyagolhatónak tekintik a burkolat típusától és irányától függően. Például az AISC Seismic Design Manual 8.1. táblázata azonosítja a tengelyirányú nyomásnak kitett gerendák megtámasztási feltételeit. Ahol szükséges, az oldalsó merevség levezethető a rekeszmerevségből, G', amelyet az AISI S310 szerint számítanak. Denavit és mtsai. (2020) bemutatnak egy módszert a csavaró merevség kiszámítására.

Hivatkozások

CTICM, LTBeam v. 1.0.11, elérhető: https://www.cesdb.com/ltbeam.html
Abaqus. Referencia kézikönyv, 6.16-os verzió. Simulia, Dassault Systéms. Franciaország, 2016.
EN 1993-1-3: Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése – 1-3. rész: Általános szabályok – Kiegészítő szabályok hidegen alakított elemekhez és lemezekhez, CEN, 2006.
ECCS TC7 – TWG 7.9 Szendvicspanelek és kapcsolódó szerkezetek Műszaki Munkacsoportja, European Recommendations on the Stabilization of Steel Structures by Sandwich Panels, 2^nd kiadás, 2014. ISBN 978-90-6363-081-2
Denavit, M.D.; Jacobs, W.P.; Helwig, T.A. (2020). „Folyamatos megtámasztási követelmények kényszerfeltételű tengelyű csavarásos kihajláshoz," Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, 57. kötet, 69-89. o.

Üreges keresztmetszetű szerkezeti elemek acél kapcsolatai

Az üreges keresztmetszetű szerkezeti elemek kapcsolatai komoly alakváltozásokon mehetnek keresztül, miközben még magasabb terheléseket is képesek hordani. Másrészt a lemezek inelasztikus tartományban is kihajolhatnak, amelyre geometriailag és anyagilag nemlineáris analízis kerül alkalmazásra.

Síkból való kihajlás

Az üreges keresztmetszetű kapcsolatok végső határállapotának egyik kritériuma az üreges keresztmetszet síkból való alakváltozása. Az ellenőrzés elérhető a szoftverben (a Kódbeállításokban Helyi alakváltozás-ellenőrzésként, üreges teherhordó szerkezeti elemeknél alapértelmezés szerint bekapcsolva). Ezt az CIDECT tervezési útmutatók ismerik el. A határértékek a keresztmetszet kisebb méretének 3%-a (CHS esetén 0,03 d₀, RHS esetén 0,03 b₀) a végső határállapotra, és 1% a használhatósági határállapotra vonatkozóan.

A keresztmetszet méreteinek meghatározása körkörös üreges keresztmetszet (CHS) és téglalap alakú üreges keresztmetszet (RHS) esetén

Tipikus terhelés-alakváltozás diagramok üreges keresztmetszetű kapcsolatokhoz; a piros görbe vékonyfalú, nyomásnak kitett szerkezeti elemre vonatkozik, a zöld görbe normál, nyomásnak kitett szerkezeti elemekre, a kék görbe például húzással terhelt X-kapcsolatra vonatkozik

Geometriailag és anyagilag nemlineáris analízis (GMNA)

Egyes üreges keresztmetszetű kapcsolatok esetén, különösen nagy átmérő/falvastagság arány esetén, a geometriailag lineáris analízis nem feltétlenül írja le kellő pontossággal a kapcsolat viselkedését, és teherbírása alul- vagy felülbecsülhető. Ajánlott a fejlettebb geometriailag és anyagilag nemlineáris analízis alkalmazása üreges keresztmetszetű kapcsolatokhoz, még akkor is, ha a számítási idő valamivel hosszabb. Ha a Kódbeállításokban az üreges keresztmetszetekre vonatkozó GMNA analízis van kiválasztva, a GMNA az üreges keresztmetszetű teherhordó szerkezeti elemet tartalmazó modelleknél a geometriailag lineáris és anyagilag nemlineáris analízis (MNA, az IDEA Statica Connection szabványos megközelítése) helyett kerül alkalmazásra.

Megjegyzés: Ha a teherhordó szerkezeti elem nem üreges keresztmetszetű, a GMNA megoldó le van tiltva a teljes kapcsolati modell analíziséhez, a kódbeállításoktól függetlenül (GMNA be- vagy kikapcsolva).

A keresztmetszet alakváltozása a héjmodell végén

A keresztmetszet alakváltozhat a héjelemekből álló modell végein. Az üreges keresztmetszetű kapcsolatok viszonylag hosszú szerkezeti elemeket igényelnek – a keresztmetszet átmérőjének akár 10-szereséig. A héjelemekből álló modellrész mögé kondenzált szuperelem kerül elhelyezésre. Ez gyorsabb számítást tesz lehetővé, ugyanolyan pontossággal, mint a héjelemekből álló teljes modell. A kondenzált szuperelemnek csak rugalmas anyagtulajdonságai vannak, ami azt jelenti, hogy a vizsgált tönkremeneteli módból eredő képlékeny alakváltozásoknak nem szabad elérniük a héjelem-modell végét. Emiatt a héjmodell alapértelmezés szerint az utolsó gyártási művelet mögött a keresztmetszet magasságának 1,25-szereséig terjed (a Kódbeállításokban szerkeszthető).

Üreges keresztmetszetekre csökkentett héjhajlítási ellenállás (tökéletlenségek)

Az üreges keresztmetszetű kapcsolatok teherbírását a szabványokban a Tönkremeneteli Mód Módszer határozza meg, amely kísérletekből és fejlett numerikus modellekből meghatározott görbeillesztési modelleket alkalmaz. A valódi szerkezet kezdeti tökéletlenségeket és maradó feszültségeket tartalmaz, amelyeket az IDEA StatiCa Connection héjmodelljei nem ragadnak meg. A szabványok eredményeivel való szorosabb összhang elérése érdekében a maradó feszültség és a kezdeti tökéletlenségek hatását a nagy D/(2t) arányú üreges keresztmetszetek héjainak hajlítási ellenállásának csökkentésével szimulálják.

Fáradásvizsgálat típusa a szerkezeti tervezésben

A fáradásvizsgálat típusa a normál- és nyírófeszültség-tartomány meghatározására szolgál két teherkombináció között. A feszültségek névleges feszültségeknek felelnek meg, és azokat tovább kell értékelni szabványos méretezési módszerekkel. Feltételezhetően nagy ciklusszámú fáradási részletek tervezésére használják, ahol nem várható folyás.

A fáradásvizsgálat típusa nem ad meg végső ellenállást vagy ciklusszámot, amelyet a részlet elviselhet. Csupán bemeneteket biztosít a szabványok szerinti további számításokhoz.

Mindig legalább két teherkombinációt kell beállítani. Az első teherkombináció a referencia. Ez például a szerkezet önsúlyaként értelmezhető, és tartalmazhat nulla terheket. A többi teherkombináció a fáradási hatásokat szimulálja. Az IDEA StatiCa által megadott névleges normál- és nyírófeszültség a fáradási hatás, pl. LE2, és a referencia teherkombináció közötti feszültségtartomány.

Például egy adott helyen a nyírófeszültség 50 MPa a referencia teherkombinációban és 180 MPa az LE2-ben. Az ezen a helyen megjelenített névleges nyírófeszültség:

\[\tau = 180-50=130\, \textrm{MPa}\]

Megjegyzés: a lemezek nem folyhatnak be a fáradási hatások miatt, különben a feszültségtartományok torzulnak.

A feszültségek a következőkre érhetők el:

Csavarok
Hegesztések
Lemezek

Csavarok

A csavaroknál a feszültségeket egyszerűen az erő és a megfelelő terület hányadosaként határozzák meg:

\(\sigma = F_t / A_s \)
\(\tau = V / A \)

ahol:

\(F_t\) – húzóerő a csavarban
\(A_s\) – a csavar húzási feszültségterülete
\(V\) – nyíróerő a csavarban; ha több nyírási sík van, a legnagyobb nyíróerőt kell alkalmazni
\(A\) – a nyírásnak ellenálló csavarterület; húzási feszültségterület, ha a menetek metszik a nyírási síkot, egyébként a bruttó keresztmetszeti terület

Hegesztések

A hegesztések a CBFEM-ben a lemezeket összekötő többpontos kényszerfeltételekkel rendelkező hegesztési elemekből állnak. A hegesztésben a feszültségeloszlást a kényszerfeltételek megzavarják, ezért a feszültségeket a hegesztési lábméret 1,5-szörösére elhelyezett, a varrat lábától mért keresztmetszetből veszik. Kétoldalas sarokvarratnál három keresztmetszet jön létre. Két keresztmetszet azonos részletkategóriába tartozik, és csak a jobban igénybevett jelenik meg. A maximális normálfeszültség és a megfelelő nyírófeszültség ugyanazon a helyen, valamint a maximális nyírófeszültség és a megfelelő normálfeszültség ugyanazon a helyen kerül megjelenítésre.

Lásd még a fáradásvizsgálat fejlesztései a 22.0-s verzióban.

Lemezek

A lemezekben lévő feszültségek egy felhasználó által meghatározott keresztmetszet létrehozásával vizualizálhatók egy Munkasík gyártási művelet segítségével. Az alábbi ábrán két munkasíkot hoztak létre a csavarlyukak körüli feszültségek megtekintéséhez. A maximális normálfeszültség és a megfelelő nyírófeszültség ugyanazon a helyen, valamint a maximális nyírófeszültség és a megfelelő normálfeszültség ugyanazon a helyen kerül megjelenítésre.

Tűzállósági tervezés

A tűzállósági tervezés felhasználó által beállított hőmérsékletekhez érhető el. A csökkentett anyagjellemzők az előre beállított hőmérséklet és az anyagdegradációs görbe alapján kerülnek alkalmazásra. A tűzállósági tervezés a Connection és a Member alkalmazásokban érhető el.

Hőmérséklet

Az IDEA StatiCa Member alkalmazásban a felhasználó az egész modellre beállít egy hőmérsékletet. A modell összes eleme rendelkezik beállított hőmérséklettel.

Az IDEA StatiCa Connection alkalmazásban a felhasználó minden egyes szerkezeti elemhez vagy lemezhez külön-külön beállíthatja a hőmérsékletet. A csatlakozó elemek – csavarok és hegesztések – hőmérsékletét a leghőbb csatlakozólemez hőmérséklete szerint feltételezzük.

A kapcsolatokban lévő szerkezeti elemek és lemezek hőmérséklete az EN 1993-1-2 – 4.2.5. pont: Acél hőmérsékletének alakulása és D.3 pont: Csomópontok hőmérséklete tűzben szerint határozható meg. Az acél szerkezeti elemek hőtani tulajdonságai az EN 1993-1-2 szabványból kerülnek átvételre:

Fajhő – 3.4.1.2. pont
Hővezetési tényező – 3.4.1.3. pont

Megjegyzendő, hogy a hőtágulás nem kerül figyelembevételre az IDEA StatiCa Steel programban, mivel ez olyan erőket adna hozzá, amelyek nagymértékben függnek a peremfeltételektől. A felhasználókat arra ösztönözzük, hogy a hőtágulásból eredő erőket maguk adják hozzá a teherhatásokhoz.

Anyagdegradáció

Az acéllemezek anyagdegradációja három szabvány szerint érhető el:

EN 1993-1-2 – 3.1. táblázat
AISC 360-16 – A-4.2.1. táblázat
CSA S16-14 – K.1. táblázat

Az acéllemezekhez a többlineáris anyagdiagramot alkalmazzuk hat ponttal az EN 1993-1-2 – 3.1. ábra szerint. Példaként az S355 acélminőség kerül bemutatásra, az EN 1993-1-2 – 3.1. táblázat szerinti anyagdegradációval és \(\theta = 560^{\circ}\textrm{C}\) hőmérsékleten. A folyáshatáron \(f_y\) túli képlékeny ág meredeksége \(E_{a,\theta}/1000\). A rugalmassági modulusra vonatkozó \(k_{E,\theta}\), az arányossági határra vonatkozó \(k_{p,\theta}\) és a folyáshatárra vonatkozó \(k_{y,\theta}\) redukciós tényezők értéke rendre 0,426, 0,252 és 0,594. A képlékeny alakváltozás az arányossági határtól kezdve halmozódik fel.

	Alakváltozás	Képlékeny alakváltozás	Feszültség
	\(\varepsilon\) [%]	\(\varepsilon_{pl}\) [%]	\(\sigma\) [MPa]
0	0.00	0.00	0.0
1	0.10	0.00	89.5
2	0.25	0.15	131.4
3	0.50	0.40	160.5
4	1.00	0.90	191.3
5	2.00	1.90	210.9
6	15.00	14.90	222.5

A csavarok anyagdegradációja három szabvány szerint érhető el:

EN 1993-1-2 – D.1. táblázat
AISC 360-16 – A-4.2.3. táblázat
CSA S16-14 – K.3. táblázat

A hegesztések anyagdegradációja egy szabvány szerint érhető el:

EN 1993-1-2 – D.1. táblázat

Csak a csavarok és hegesztések teherbírása csökken. Merevségük megegyezik a szobahőmérsékleten mért értékkel.

A hőtágulás elhanyagolásra kerül, és egyetlen modellben sem kerül figyelembevételre. Szükség esetén a hőtágulás hatásait hozzáadott terhekkel kell szimulálni.

Ellenőrzések

Az acéllemezek alapértelmezés szerint 5%-os képlékeny alakváltozásra kerülnek ellenőrzésre.

Az Eurocode-ban a tűzállósági tervezéshez dedikált részleges biztonsági tényező, \(\gamma_{M,fi}\) kerül alkalmazásra a csavarok és hegesztések ellenőrzésekor. Minden más szabványban a szokásos teherbírási vagy biztonsági tényezőket alkalmazzák. A csavarok és hegesztések terhelés-alakváltozás görbéi és ellenőrzései a beállított hőmérséklet alapján \(k_b\) és \(k_f\) tényezőkkel kerülnek csökkentésre.

Az előfeszített csavarokról feltételezzük, hogy elcsúsznak, és normál kézzel meghúzott csavarként kerülnek ellenőrzésre.

A betonblokk és a horgonyok hőmérsékleteismeretlen, és a megfelelő szerkezeti elemek nem kerülnek ellenőrzésre a tűzállósági tervezés során.

Merevség

A merevségelemzés jelenleg nem érhető el a tűzállósági tervezéshez. Javasolt a merevségelemzést szobahőmérsékleten elvégezni, és a merevséget megszorozni a rugalmassági modulusra vonatkozó \(k_{E,\theta}\) redukciós tényezővel.

Hegesztési méretezés

A hegesztések a legköltségesebbek és a legkritikusabbak az acél kapcsolatokban. Alulméretezésük rideg töréshez, túlméretezésük túlzott zsugorodáshoz vezethet. Az automatikus hegesztési méretezés célja az acél kapcsolatok gyors, következetes és biztonságos tervezése.

Az IDEA StatiCa Connection alkalmazásban két hegesztési méretezési stratégia érhető el minden felhasználó számára:

teljes teherbírásra
túlszilárdságra

Az Eurocode felhasználók számára két további lehetőség is rendelkezésre áll:

kapacitásbecslésre
minimális képlékenységre

A hegesztési méretezési módszer a Műveletek párbeszédpanelen adható meg.

A hegesztési méretezés futtatásakor a modell minden sarokvarrata a hegesztési méretezési módszer szerint módosul. Általánosságban a varrat mérete ebben a sorrendben növekszik:

Kapacitásbecslésre
Minimális képlékenységre
Teljes teherbírásra
Túlszilárdságra

A módszerek részletes leírása alább található.

Kapacitásbecslésre

A kapacitásbecslésre végzett hegesztési méretezés automatikusan olyan varratméreteket biztosít, amelyek éppen elegendőek a beállított terhelések átviteléhez.

A varrat kapacitásbecslése az IDEA StatiCa első gépi tanulási alkalmazása. Jelenleg csak Eurocode esetén van implementálva. A varrat ellenállása a legjobban igénybevett varratelemnek megfelelően kerül meghatározásra. Ezért a varrat kihasználtsága erősen nemlineáris. A teljes hossz ellenállását egy gépi tanulási algoritmus becsüli meg a varrat hossza mentén fennálló feszültségeloszlás alapján.

A kapacitásbecslésre végzett hegesztési méretezéshez eredmények szükségesek. A sarokvarratok mérete a következő képlet szerint kerül módosításra:

\[ a_{new} = a \cdot Ut_c / Ut_{target} \]

ahol:

\(a_{new}\) – módosított sarokvarrat méret
\(a\) – korábban beállított sarokvarrat méret
\(Ut_c\) – gépi tanulási algoritmuson alapuló kapacitásbecslés, amely a Varrat ellenőrzésnél látható
\(Ut_{target}\) – célzott kihasználtság a Beállítások → Tervezés → Automatikus méretezés → Hegesztési méretezés menüpontban

Az eredményül kapott \(a_{new}\) értéke felfelé kerekítve kerül meghatározásra a Beállítások → Alkalmazási egységek → Új elem kerekítése → Varrat mérete szerint.

Megjegyzés: a varratméreteket a részletezési szabályok korlátozzák, pl. a varrat mérete nem lehet kisebb 3 mm-nél (EN 1993-1-8 –4.5.2). Ezeket a részletezési szabályokat be kell tartani. Azt is érdemes szem előtt tartani, hogy az IDEA StatiCa-ban több varrat méretét gyakran egyetlen értékkel adják meg. Ilyen esetekben a méretet a legjobban kihasznált varrat alapján kell beállítani.

Emellett egy számítási hurok is elérhető. Ha a hegesztési méretezési módszer kapacitásbecslésre van beállítva, akkor:

A sarokvarratokat teljes teherbírásra méretezi
Kiszámítja a modellt
A sarokvarratokat kapacitásbecslésre méretezi
Kiszámítja a modellt

A varratok ezután egyetlen kattintással a célzott kihasználtságon vagy az alatt kerülnek beállításra.

Minimális képlékenységre

A minimális képlékenységre végzett hegesztési méretezés automatikusan olyan hegesztett kapcsolatokat biztosít, amelyek elég erősek a rideg törések megelőzéséhez. A varrat szilárdsága lehetővé teszi a lemez kezdeti folyását, de végső soron a varrat szakad el.

A hegesztett kötések minimális képlékenységére vonatkozó követelmény az FprEN 1993-1-8:2023 – 6.9(4) szabványban található. Ez az EN 1993-1-8 holland nemzeti mellékletéből ered, ahol a varrat szilárdsága és a lemez szilárdsága közötti rögzített arány 0,8. Szerepel a széles körben használt egyesült királyságbeli Green books C2 és C3 fejezeteiben is. A rögzített arány azonban csak S355 acélminőségre alkalmas. A második generációs Eurocode-ban ez minden acélminőségre kiterjesztésre kerül.

Ez a követelmény kétoldalas sarokvarratok esetén a következőképpen ellenőrzendő:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot \min \left \{1.0, 1.1\frac{f_y}{f_u} \right \}\]

ahol:

\(a\) – varrat torokvastagsága
\(t\) – élén csatlakoztatott lemez vastagsága
\(\beta_w\) – varrat korrelációs tényező
\(\gamma_{M2}\) – csavarok és varratok biztonsági tényezője; a Kódbeállításokban szerkeszthető
\(f_y\) – lemez folyáshatára
\(f_u\) – varrat szakítószilárdsága
\(\gamma_{M0}\) – lemezek biztonsági tényezője; a Kódbeállításokban szerkeszthető

Az egyoldalas sarokvarrat torokvastagsága kétszer akkora, mint a kétoldalas sarokvarraté.

Megjegyzés: a módszer keresztirányban terhelt varratok esetén hasznos, és akkor működik, ha a lemez teljes szélességén csatlakozik.

Teljes teherbírásra

A teljes teherbírásra végzett hegesztési méretezés automatikusan olyan varratokat biztosít, amelyek erősebbek a csatlakoztatott lemeznél. A számításban feltételezzük, hogy a lemezek húzásra, a varratok keresztirányban vannak terhelve, mint a varrat szilárdsága és képlékenysége szempontjából legkedvezőtlenebb eset. Ez a tervezési megközelítés hasznos a varratok rideg törésének elkerülésére statikus terhelés esetén.

Ez a megközelítés szintén szerepel a széles körben használt egyesült királyságbeli Green books C1 fejezetében.

Ez a követelmény kétoldalas sarokvarratok esetén a következőképpen ellenőrzendő:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} }\]

ahol:

\(a\) – varrat torokvastagsága
\(t\) – élén csatlakoztatott lemez vastagsága
\(\beta_w\) – varrat korrelációs tényező
\(\gamma_{M2}\) – csavarok és varratok biztonsági tényezője; a Kódbeállításokban szerkeszthető
\(f_y\) – lemez folyáshatára
\(f_u\) – varrat szakítószilárdsága
\(\gamma_{M0}\) – lemezek biztonsági tényezője; a Kódbeállításokban szerkeszthető

Megjegyzés: a módszer keresztirányban terhelt varratok esetén hasznos, és akkor működik, ha a lemez teljes szélességén csatlakozik.

Túlszilárdságra

A túlszilárdságra végzett hegesztési méretezés automatikusan olyan varratokat biztosít, amelyek jóval erősebbek a csatlakoztatott lemeznél. A túlszilárdsági tényező a Beállítások → Tervezés → Automatikus méretezés → Hegesztési méretezés menüpontban adható meg. Az alapértelmezett 1,4-es érték az EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) szabványból származik, képlékeny csukló kialakításához.

A számításban feltételezzük, hogy a lemezek húzásra, a varratok keresztirányban vannak terhelve, mint a varrat szilárdsága és képlékenysége szempontjából legkedvezőtlenebb eset. Ez a tervezési megközelítés hasznos a varratok rideg törésének elkerülésére képlékeny tervezés vagy ciklikus terhelés esetén. Megjegyzés: a nagy varratméret önmagában nem garantál nagy képlékenységet. Éppen ellenkezőleg, túlzott maradó feszültségekhez és a varrat zsugorodása által okozott alakváltozásokhoz vezethet.

Ez a követelmény kétoldalas sarokvarratok esetén a következőképpen ellenőrzendő:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot f_{overstrength}\]

ahol:

\(a\) – varrat torokvastagsága
\(t\) – élén csatlakoztatott lemez vastagsága
\(\beta_w\) – varrat korrelációs tényező
\(\gamma_{M2}\) – csavarok és varratok biztonsági tényezője; a Kódbeállításokban szerkeszthető
\(f_y\) – lemez folyáshatára
\(f_u\) – varrat szakítószilárdsága
\(\gamma_{M0}\) – lemezek biztonsági tényezője; a Kódbeállításokban szerkeszthető
\(f_{overstrength}\) – túlszilárdsági tényező, amely a Beállítások → Tervezés → Automatikus méretezés → Hegesztési méretezés menüpontban adható meg

Megjegyzés: a módszer keresztirányban terhelt varratok esetén hasznos, és akkor működik, ha a lemez teljes szélességén csatlakozik.