Rinforzo del controvento longitudinale (EN)
Il controvento longitudinale è un elemento affidabile e ampiamente utilizzato nelle strutture in acciaio per capannoni. Grazie ai calcoli accurati forniti dalla simulazione di IDEA StatiCa Member, gli ingegneri possono ora ridurre le stime della lunghezza di instabilità e tenere conto dell'effetto dei collegamenti eccentrici sul comportamento complessivo del controvento.
Informazioni di base sulla struttura
Il capannone è largo 8,3 metri, lungo 22,6 metri e alto 2,3 metri. L'elemento critico per l'analisi è un profilo SHS 50x50x3 mm saldato a un IPE 180 su una piastra di nodo eccentrica.
Calcolo manuale - resistenza assiale e a flessione
Per condurre un'analisi avanzata, è fondamentale eseguire il calcolo manuale e comprendere il comportamento dell'elemento critico. Il calcolo manuale viene eseguito utilizzando EN 1993-1-1. Nel calcolo si considerano la forza assiale di progetto e i momenti flettenti causati dall'eccentricità della piastra di nodo e dal peso proprio. Il peso proprio ha un effetto minore sulla verifica normativa e sullo sfruttamento. Questo caso di carico verrà trascurato nell'approccio FEA.
Calcolo manuale - resistenza assiale e a flessione
Sulla base dell'approccio di calcolo manuale, è evidente che la verifica di stabilità dell'elemento sotto compressione e flessione combinate non è soddisfatta. Lo sfruttamento è del 145%.
Imperfezioni del calcolo manuale:
- Le ipotesi di calcolo considerano collegamenti cernierati e non tengono conto della rigidezza reale dei collegamenti.
- La stima della lunghezza critica si basa sulla disposizione dei collegamenti senza considerare la rigidezza effettiva.
- Non esiste una rappresentazione visiva del comportamento del modello. Bisogna fidarsi ciecamente dell'equazione, principalmente del coefficiente inserito.
- Il punto critico della struttura può essere trascurato a causa delle ipotesi introdotte.
- Ipotesi iniziali errate di ingegneri inesperti (giovani) possono portare a errori fatali.
- La determinazione di alcuni coefficienti nell'approccio normativo è complicata in alcuni casi, principalmente per i coefficienti Cmy, Cmz e CmLT.
Modello non rinforzato
Nuovo progetto
Avviare IDEA StatiCa-->Steel-->Member.
Seguire i passaggi richiesti per creare un modello di base che possa essere ulteriormente adattato e migliorato.
Progettazione
Elemento di supporto rigido
Per abilitare un Rigid support member, selezionare semplicemente CON1 e CON2, quindi selezionare la casella di controllo nella griglia delle proprietà.
È possibile osservare come il Rigid support member viene visualizzato nella scena. Il passo successivo è rimuovere tutti i carichi dal modello.
Carico
Il controvento longitudinale è caricato assialmente. La forza di compressione di progetto di -38,7 kN è riferita all'estremità dell'elemento analizzato.
Il peso proprio della struttura ha un effetto minore sul comportamento a causa del basso peso dell'elemento. Questo carico viene trascurato.
Condizione al contorno
La piastra di nodo è saldata all'IPE 180. Per simulare una condizione al contorno analoga, assicurarsi di selezionare che tutti i sei gradi di libertà siano vincolati per CON1.
Rilasciare il vincolo nella direzione X locale per CON2 a causa del carico assiale predefinito nella scheda Load.
Collegamento
Ora è il momento di creare i collegamenti. Selezionare semplicemente CON1 e Edit connection.
Modificare CON1 e creare il collegamento. Selezionare l'operazione di produzione Connecting plate e impostare i parametri.
La finestra di IDEA StatiCa Connection si aprirà in pochi secondi. Costruire il collegamento passo dopo passo aggiungendo l'operazione richiesta. Aggiungere l'operazione di produzione Connecting plate CPL1 e impostarne i parametri come mostrato nella figura seguente.
Nel passaggio successivo, regolare la geometria della piastra a linguetta e della piastra di nodo nell'editor delle piastre.
Ora è possibile chiudere e salvare CON1.
CON1 è impostato. Ora fare clic su CON2 e, utilizzando la funzione Recent connection, applicare lo stesso collegamento a CON2 e aprire il collegamento in IDEA StatiCa Connection.
Modificare Alignment in Rear a causa dell'eccentricità inversa della piastra di nodo nel giunto CON2.
La vista dall'alto del modello finale apparirà ora come segue:
Verifica
Analisi Materialmente Non Lineare
L'Analisi Materialmente Non Lineare (MNA) tiene conto della plasticità del materiale e fornisce informazioni preziose sulla tensione equivalente e sulla deformazione plastica del modello. Questa analisi non si concentra sulla verifica normativa di bulloni e saldature, poiché questi dovrebbero essere verificati nel modello di collegamento separato.
Passare alla scheda Check ed eseguire la MNA.
È possibile attivare la Equivalent stress e verificare l'output di campo sull'intero elemento. Il punto critico per la tensione viene rilevato sul collegamento stesso.
Le deformazioni indicano la flessione causata dalle eccentricità dei collegamenti su entrambi i lati e le tensioni aggiuntive.
Analisi Lineare di Instabilità
L'analisi di instabilità è uno strumento prezioso per anticipare il collasso della struttura sotto carichi di compressione. Valuta la stabilità e prevede la capacità di carico critica prima dell'instabilità o del collasso. Questo metodo è essenziale per garantire l'integrità strutturale e la sicurezza.
L'output dell'analisi:
- Fattore alfa critico
- Forme di instabilità
L'Analisi Lineare di Instabilità (LBA) fornisce diversi output fondamentali. La prima forma di instabilità mostra una bassa perdita di stabilità con un fattore di 1,63 x Ned. Tuttavia, la seconda forma modale, a causa di una sezione trasversale simmetrica ortogonale, raggiunge un fattore più elevato di 1,90. È importante tenere a mente l'interazione reciproca dei modi nell'analisi successiva.
Per iniziare con l'Analisi Geometrica e Materialmente Non Lineare con Imperfezioni (GMNIA), lo stato iniziale deve essere impostato come imperfezione locale. Seguendo EN 1993-1-1, Cl. 5.3.2 (3), l'imperfezione locale deve essere scelta con attenzione. Prima di inserire le imperfezioni, è necessaria una permutazione di opzioni con segni variabili per selezionare quelle critiche (2). Solo le imperfezioni che indicano uno sfruttamento critico devono essere utilizzate per l'analisi finale (3). È importante essere meticolosi nella selezione delle imperfezioni per garantire un'analisi accurata e affidabile.
Analisi Geometrica e Materialmente Non Lineare con Imperfezioni
La GMNIA è un tipo di analisi utilizzata in ingegneria per studiare il comportamento delle strutture sotto carichi estremi. Questa analisi tiene conto sia della non linearità geometrica (variazioni di forma) che della non linearità materiale (variazioni delle proprietà del materiale) di una struttura, nonché di eventuali imperfezioni o deformazioni iniziali presenti nella struttura. Considerando questi fattori, gli ingegneri possono comprendere meglio come una struttura si comporterà sotto carico e prendere decisioni informate riguardo alla sua progettazione e sicurezza.
L'analisi cerca l'equilibrio ad ogni incremento utilizzando la forma deformata iniziale derivante dall'imperfezione della LBA. Se non è possibile trovare l'equilibrio, la soluzione si interrompe.
- La non linearità materiale si verifica quando il materiale non è più in grado di deformarsi elasticamente e inizia a cedere plasticamente, causando un cambiamento nel suo comportamento.
- I problemi di stabilità sorgono quando la struttura non è in grado di eseguire ulteriori iterazioni a causa della mancanza di equilibrio e si è raggiunto un punto di biforcazione.
Eseguire la GMNIA. I risultati dimostrano che l'elemento ha perso stabilità. Il calcolo si è interrotto prima che venisse raggiunto il potenziale di plasticità.
Deformazioni
Conclusioni per la parte non rinforzata
I risultati dell'analisi confermano le ipotesi iniziali formulate durante il calcolo manuale. Il calcolo manuale mostra che lo sfruttamento è al 145%, un valore piuttosto elevato. Tuttavia, il calcolo è stato interrotto al 91,4% dalla GMNIA a causa di un problema di stabilità. Vale la pena notare che il potenziale di plasticità non è stato raggiunto. Confrontando con le nostre ipotesi, il valore di sfruttamento della GMNIA è pari a 1/0,914 = 109%.
Per garantire la stabilità, si raccomanda di rinforzare il modello. A causa della difficoltà di sostituire gli elementi nel capannone esistente, l'attenzione sarà concentrata sul loro rinforzo. IDEA StatiCa Member coprirà il processo di rinforzo degli elementi.
Modello con rinforzo
La sezione trasversale esistente verrà rinforzata utilizzando un'altra sezione accoppiata tramite bulloni.
Copia del progetto esistente
Il modo più semplice per iniziare è duplicare il modello corrente, inclusi tutti i materiali, i processi di produzione e gli schemi statici già definiti.
Nuovo progetto
Avviare IDEA StatiCa-->Steel-->Member e aprire il modello copiato.
Progettazione
Modificare l'elemento analizzato AM1(1). Definire una New Section(2)-->accedere al General Section Designer(3)
-->Importare la sezione predefinita (4)-->Selezionare il file General_Section.ideaGcss(5).
Questo è il modello della sezione generale predefinita. La sezione originale è stata rinforzata utilizzando la sezione CFomega.
Il modello seguente mostra la struttura creata. Tuttavia, un avvertimento fondamentale è che l'elemento comprende sezioni formate a freddo che non possono essere saldate, il che significa che la sezione non può essere accoppiata e l'integrità non è garantita.
Le sezioni si comportano in modo indipendente.
Prima di modificare l'elemento, creare un assemblaggio definito dall'utente per il bullone M6, che non è presente nella libreria standard. Andare su Materials-->Bolt assembly-->Modificare i parametri secondo la tabella seguente-->Salvare come Hilti M6.
Aggiungere un Intermediate node per collegare le due sezioni indipendenti con bulloni, con le Absolute positions impostate a 1,5 m dall'inizio dell'elemento. Modificare CON3.
Collegamento
CON3 consente all'utente di creare un collegamento bullonato lungo l'intera lunghezza della trave. Scegliere l'operazione Fastener grid or Contact del produttore.
Inserire le proprietà e la disposizione dei bulloni secondo le indicazioni seguenti:
Ecco come appare il modello nell'applicazione Member.
Verifica
Analisi Materialmente Non Lineare
Passare alla scheda Check ed eseguire la MNA. L'analisi mostrerà le zone soggette a plasticità e quelle con tensione massima.
La deformazione dimostra che l'elemento collabora grazie all'accoppiamento bullonato.
Analisi Lineare di Instabilità
Avviare il calcolo per l'Analisi Lineare di Instabilità. La prima forma di instabilità è cambiata a causa del rinforzo della sezione; si tratta di un modo di flessione pura in direzione verticale. Il fattore di instabilità è aumentato.
Nella seconda forma modale, si verifica una simultanea occorrenza di flessione laterale e distorsione della sezione ad entrambe le estremità della trave.
Poiché i fattori di instabilità sono vicini tra loro, la creazione dell'interazione dei modi garantisce la cattura di tutte le possibili deformazioni sotto pressione. Sono necessarie quattro combinazioni di imperfezioni per creare l'interazione reciproca di due modi di instabilità.
Il modo pratico per identificare le combinazioni di modi critiche consiste nel sovraccaricare il modello. Ciò rivelerà indicazioni quali deformazione plastica, deformazioni o calcoli GMNIA non completati (l'approccio per un modello non rinforzato).
Analisi Geometrica e Non Lineare con Imperfezioni
Dopo aver selezionato attentamente le imperfezioni ed eseguito la GMNIA, il punto critico sul collegamento è stato identificato attraverso la tensione equivalente. È una buona prova della progettazione riportare che l'analisi ha raggiunto il completamento al 100% senza alcun problema di stabilità, garantendo la sicurezza dell'elemento e di tutti i suoi componenti.
Sulla base della non linearità geometrica e della forma imperfetta derivante dal passo di analisi precedente, è possibile osservare l'evoluzione della freccia del secondo ordine.
Report
Fare clic sulla scheda Report per generare automaticamente un riepilogo dei passaggi di analisi e delle verifiche normative, che può essere salvato come documento PDF o Word.
Riepilogo
Questo tutorial mira a fornire ai lettori una comprensione completa del processo di valutazione delle strutture, come il controvento longitudinale, utilizzando sia il calcolo manuale che il Metodo degli Elementi Finiti. Il confronto tra la verifica normativa con calcolo manuale e l'analisi avanzata FEA consentirà ai lettori di prendere decisioni informate e acquisire preziose informazioni sulle differenze tra i due approcci.
Punti chiave:
- I calcoli manuali sono un ottimo strumento per la progettazione preliminare.
- La stima della lunghezza critica si basa sull'aspetto dei collegamenti, senza considerare la rigidezza effettiva.
- Le ipotesi iniziali sono state confermate attraverso l'analisi FEA avanzata e il comportamento del modello è rappresentato visivamente.
- La trascuratezza della rigidezza del giunto, dell'eccentricità e della derivazione normativa complessa può portare a errori e risultati fuorvianti.