Połączenia stężeń i IDEA StatiCa

Niniejszy artykuł jest kontynuacją artykułu poświęconego kratownicom napisanego przez mojego kolegę – Ralpha Pullingera. Na wstępie należy zadać kluczowe pytanie – jaka jest różnica między stężeniem a kratownicą? Jak można się domyślić, tematy te nieco się przenikają. 

Zasadniczo stężenie to pojedynczy element, który podpiera, wzmacnia lub usztywnia coś, podczas gdy kratownica jest zazwyczaj całą częścią konstrukcji i składa się z wielu elementów. Innymi słowy, stężenie może być częścią konstrukcji kratowej. Oczywiście niektóre układy kratownic wymagają stężeń, aby były kompletne – szczególnie w budownictwie mieszkaniowym. Nawet elementy wewnątrz niektórych kratownic pełnią funkcję stężeń.

Gdzie jednak je spotykamy i czy układy stężeń stosowane są wyłącznie w konstrukcjach stalowych? Bynajmniej. Zazwyczaj można je znaleźć zarówno w budynkach stalowych, jak i szkieletowych drewnianych. Rzadziej w szkielecie żelbetowym, chyba że istnieją szczególne powody, takie jak modernizacja lub wzmocnienie.

Układy stężeń stosowane w konstrukcjach stalowych

W stalowych układach konstrukcyjnych stężenie jest zazwyczaj definiowane jako element przenoszący wyłącznie siłę osiową (ściskającą lub rozciągającą). Gdyby stężenie miało przenosić moment, należałoby je zdefiniować jako belkę lub słup. Stężenia nie są ograniczone do osi poziomej ani pionowej. Stosuje się je również w płaszczyznach ukośnych (np. w płaszczyźnie dachu). Stężenia niezmiennie przenoszą oddziaływania. Przede wszystkim mają za zadanie przenosić obciążenia poziome, takie jak wiatr, do mechanizmu podporowego – zazwyczaj fundamentów.

Stężenia mogą mieć postać cięgien, taśm, kątowników, prętów, przekrojów zamkniętych, a nawet przekrojów dwuteowych. Tradycyjnie były zawsze projektowane jako ukryte, jednak istnieje również wiele przykładów ich eksponowania i podkreślania.

Piękny przykład symbiozy architektury i inżynierii konstrukcyjnej, ukazującej stężenia i szczegóły ich połączeń na elewacji, można znaleźć w Hiszpanii, w budynku dziś znanym jako Hotel Arts Barcelona. Tutaj połączenia stalowe są niemal na wyciągnięcie ręki i można je obserwować z poziomu gości hotelowych. Zobacz, jak przeprowadziliśmy obliczenia projektowe tego stężenia w jednym z naszych webinarów.

W dawnych czasach projektowania 2D (zarówno analogowego, jak i cyfrowego) stężenia były często zapominane – ze względu na płaszczyznę, w której działają – aż do momentu, gdy okazywało się, że (niezamierzenie) przechodzą przed oknem lub blokują dostęp do drzwi. Ilu z nas pamięta takie sytuacje?

Dziś, wraz z rozwojem BIM, problemy koordynacyjne niemal zniknęły (miejmy nadzieję). Upowszechnienie Metody Elementów Skończonych przyczyniło się również do efektywniejszego wykorzystania materiału, a bardziej rygorystyczne metody analizy umożliwiają inżynierom lokalizowanie układów stężeń tam, gdzie działają najefektywniej.

W najprostszej postaci stężenie to element łączący dwa punkty. Może to być pojedyncze stężenie lub część większego układu stężeń tworzącego określony wzór. Oczywiście istnieje pełna różnorodność układów stężeń stosowanych w konstrukcjach – od typowych stężeń krzyżowych X po zaawansowane układy uwzględniające wymagania architektoniczne.

Wykształcenie i doświadczenie inżyniera zazwyczaj prowadzą go do znalezienia odpowiednich pozycji i form stężeń. Można je następnie doprecyzować w drodze analizy. To właśnie podczas tej analizy dodatkowe efekty, takie jak mimośrody, przyjmuje się jako pomijalnie małe. Jak zawsze podkreślam – inżynier lubi upraszczać.

W globalnej analizie konstrukcji (ramy 2D lub 3D) widać belki, słupy i stężenia zbiegające się w jednym węźle. W rzeczywistości nie jest to możliwe, ponieważ zawsze występuje pewien mimośród. Można to również modelować w MES i BIM, aby uwzględnić te efekty – zazwyczaj wystarczy niewielkie przesunięcie w górę/dół lub w lewo/prawo.

Przeczytaj więcej na blogu Jana Kubicka o mimośrodach konstrukcyjnych i związanych z nimi problemach – Co zrobić, gdy coś nie idzie we właściwym kierunku?

Rodzaje połączeń stężeń w konstrukcjach stalowych

Mamy zatem szereg stężeń zdolnych do przeniesienia obliczeniowego obciążenia – jak je połączyć z konstrukcją główną? Tu właśnie wkracza sztuka projektantów szczegółów i ich wiedza. Jakie są tu ograniczenia? Mówiąc wprost – ile rodzajów połączeń w konstrukcjach stalowych projektant przechowuje w swojej pamięci, jego/jej kreatywność, ale także ograniczenia stosowanych narzędzi programowych.

Istnieje wiele przykładów typowych rozwiązań realizujących to zadanie. Większość nie wyróżnia się z tłumu, ale niektóre tak. Poniższy przykład pochodzi z analizy przypadku i webinaru Połączenia elewacyjne w szpitalu Midland Metropolitan.

Klient chciał wyeksponować układ stężeń i wykorzystał IDEA StatiCa do stworzenia funkcjonalnego i atrakcyjnego połączenia.

To doskonały przykład tego, jak IDEA StatiCa może wykorzystać zarówno model geometryczny (BIM) np. z Tekla Structures do uzyskania pozycjonowania elementów i kształtów różnych blach, jak i efekty obciążeń z MES np. z SCIA Engineer (dostępne są również inne rozwiązania CAD i MES😊). Ale hej, to naprawdę jest możliwe!

Szczegóły połączeń stężeń w IDEA StatiCa

Aplikacja do projektowania i sprawdzenia normowego połączeń IDEA StatiCa Connection jest oczywiście w pełni zdolna do obsługi dowolnej geometrii i obciążeń, począwszy od prostych połączeń, jak w typowym układzie stężeń V. Przewaga nad np. arkuszami Excel polega tu na szybkim generowaniu kształtu szczegółu, możliwości szybkiej optymalizacji, pełnej kontroli wizualnej, a nie w ostatniej kolejności – analizie wyboczenia!

Przeczytaj więcej o wyboczeniu nie tylko w odniesieniu do połączeń stężeń w artykule Wyboczenie wymaga krytycznego myślenia! autorstwa Jany Kaderovej.

Oprócz standardowych rozwiązań, nasza aplikacja sprawdziła się również w przypadku połączeń na poziomie mistrzowskim. Tu wkracza sytuacja, w której architekt spełnia swoje marzenia, a inżynier konstruktor przeżywa koszmar. Takie centralne węzły stężeń krzyżowych X są stosowane w wielu wariantach – od znormalizowanych, produkowanych seryjnie i badanych, po całkowicie niestandardowe, wymagające pełnej analizy i sprawdzenia normowego.

W kategorii stężeń widzimy również jeden z częstych powodów zgłoszeń do naszego helpdesku. Powyższe przykłady pokazują również połączenie na pojedynczą śrubę łączące stężenie z konstrukcją. Taki element nie może przenosić żadnego momentu, lecz jedynie siłę normalną i siły poprzeczne.

W oprogramowaniu do projektowania połączeń stalowych IDEA StatiCa Connection parametr elementu stężającego zwany Typem modelu musi zostać zmieniony z domyślnego N-Vy-Vz-Mx-My-Mz na N-Vy-Vz (bez momentów). W przeciwnym razie wystąpi osobliwość spowodowana mechanizmem tworzącym się wokół śruby.

Gruntownie zweryfikowane rozwiązanie

Kilka dni temu, w ramach dyżuru przy helpdesku, rozwiązywałem problem z połączeniem, które było standardowe/niestandardowe – zależnie od punktu widzenia. Model połączenia stanowił prosty, w pełni spawany węzeł K z przekrojów zamkniętych prostokątnych (RHS), a klient dyskutował o niższej nośności tego połączenia stężenia obliczonej w aplikacji Connection w porównaniu z obliczeniami ręcznymi.

W tej części historii ważne jest podkreślenie, że rozwiązanie oparte na CBFEM w oprogramowaniu jest w pełni zweryfikowane na wielu poziomach, w tym poprzez badania laboratoryjne i liczne przykłady obliczeniowe. Niemniej jednak zareagowaliśmy dokładną analizą problemu i opracowaniem niezależnego modelu elementów skończonych złożonego z przestrzennych elementów bryłowych z geometrycznie nieliniowym zachowaniem sprężysto-plastycznym w oprogramowaniu midas FEA NX.

Założenia dla obu modeli:

• Stal S355 – diagram dwuliniowy z umocnieniem
• Geometrycznie i materiałowo nieliniowa analiza

Ogólnie rzecz biorąc, obliczenia ręczne według normy mają tendencję do dawania wyników po stronie bezpiecznej. W tym konkretnym przypadku jest odwrotnie – dwukrotnie sprawdzone rozwiązanie metodą elementów skończonych, zapewniające precyzyjny model, wykazuje po prostu niższą nośność o około 20% w obu modelach numerycznych w porównaniu z obliczeniami ręcznymi. Podsumowując, wynika to z przestrzennych deformacji i przebicia pasa głównego.

Ponadto w naszym centrum wsparcia, wśród listy artykułów weryfikacyjnych i badawczych, znajdują się również takie, które dotyczą wyłącznie stężeń.

Jeden z nich, Prostokątne przekroje zamknięte, zawiera właśnie przykład spawanego węzła K projektowanego według Eurokodu. Praca przedstawia wyniki badań porównujących wyniki aplikacji Connection z metodą tradycyjną, innymi słowy – nośność wyznaczoną metodą CBFEM w odniesieniu do FMM dla jednopłaszczyznowego węzła K z przekrojów SHS.

Dla normy amerykańskiej AISC przygotowano kilka przykładów weryfikacyjnych przez Mahamida Mustafę w ramach wspólnego projektu między Uniwersytetem Illinois w Chicago a IDEA StatiCa. Artykuł Połączenie stężenia Chevron w ramie stężonej (AISC), podobnie jak pozostałe, bardzo dobrze ilustruje bezpieczną, a zarazem efektywną koncepcję metody CBFEM.

Koniec?

Dziękujemy za poświęcony czas na przeczytanie tego artykułu i mamy nadzieję wkrótce znów Cię zobaczyć na blogu IDEA StatiCa!

PS: Bonus – quiz 😊. Spróbuj policzyć, ile stalowych stężeń możesz znaleźć w naszej galerii projektów przykładowych!

3,2,1,...

... no dobrze, oto kompletna przefiltrowana lista do pobrania, przeglądania i bezpłatnego użytkowania.