Elementy kratownicy i IDEA StatiCa

Tło i rozważania

Witajcie w moim szóstym wpisie na blogu! Jak stało się tradycją, lubię wnosić osobisty akcent. Ilu z nas pamięta, kiedy analizowało swoją pierwszą kratownicę? Ja miałem 18 lat i byłem w drugim roku szkoły średniej, przygotowując się do egzaminów A Levels. Przedmiotem był Rysunek Techniczny, a metodą była Notacja Bow'a.

Ilu (starszych) inżynierów to pamięta? Kilka lat później kratownica była pierwszym układem konstrukcyjnym, który wykonałem na uniwersytecie – co prawda z trzema innymi członkami zespołu. Została wycięta, wywiercona, skręcona śrubami i przetestowana do zniszczenia – co nie zajęło zbyt długo, spieszę dodać!

Kratownice oczywiście występują w wielu kształtach i rozmiarach i są wykonane z tak wielu różnych materiałów, że trudno je zliczyć – pamiętacie konstrukcje ze słomek do picia? Wspólnym mianownikiem zawsze były jednak złącza – nie tylko to, jak należy je traktować, ale także jak należy je projektować. Jak na swoje rozmiary, oferują wyjątkowe możliwości przenoszenia obciążeń, co jest jednym z powodów, dla których są „gotowym rozwiązaniem" w trudnych sytuacjach!

Zawsze miałem zamiłowanie do drewna – całkiem możliwe dlatego, że jestem zapalonym miłośnikiem historycznych budynków i budownictwa. Drewno było pierwszym materiałem konstrukcyjnym używanym do tworzenia kratownic. Drewniane kratownice sięgają 2500 lat p.n.e. Starożytni Grecy używali ich w swoich dachach, a w architekturze średniowiecznej odgrywały znaczącą rolę.

Wiele starych stodół dziesięcinnych zostało zbudowanych przy użyciu tych metod. Złącza były formowane w elementach drewnianych przy użyciu tradycyjnych czopów i wpustów z drewnianymi kołkami lub podobnymi rozwiązaniami. Narzędzia, do których mieli dostęp rzemieślnicy przeszłości, były dość ograniczone, co zaowocowało trójwymiarowymi dziełami sztuki, a nie tylko czymś, co miało chronić przed wiatrem i deszczem.

Drewniane kratownice były zawsze wykorzystywane w budownictwie mieszkaniowym – od średniowiecznych dworów po współczesne domy. To, co zmieniło się dramatycznie, to stosowane metody i formy. Dzisiejsze nowoczesne kratownice dachowe ze smukłymi elementami i inżynieryjnymi płytami połączeniowymi są dalekie od powyższego obrazu.

Patrząc na ewolucję kratownic stalowych, należy najpierw przyjrzeć się żelazu, zarówno żeliwu, jak i żelazu kutemu, oraz jego roli. Sektorem w dużej mierze odpowiedzialnym za ten rozwój jest transport – pomyślcie o kolejach (na całym świecie).

Na całym świecie można znaleźć wiele znakomitych przykładów:

Soczewkowa kratownica Brunela – Most Royal Albert - Żeliwo

Most kolejowy Firth of Forth - Stal

Skoro mosty przodowały w inteligentnym i eleganckim projektowaniu, kto miał dorównać im z perspektywy budownictwa? W 1889 roku w Paryżu zbudowano „Żelazną Damę" (znana również jako Wieża Eiffla). Choć zbudowana z żelaza kutego, jest być może jedną z najbardziej ikonicznych budowli na świecie, w której zastosowano kratownice i działanie kratownicowe.

Oczywiście nowoczesne konstrukcje coraz częściej polegają na kratownicach, aby pokonać szczególne okoliczności lub duże rozpiętości. Istnieje kilka typów kratownic, niektóre z własnymi nazwami:

• kratownica łukowa
• kratownica wachlarzowa
• kratownica fink
• kratownica gambrel
• kratownica howe
• kratownica z jednym słupkiem królewskim
• kratownica z dwoma słupkami królewskimi
• dźwigar Vierendeela (forma kratownicy)
• kratownica Warrena
• itd.

Analiza konstrukcji, metody projektowania i materiały uległy zmianie, ale jedną stałą pozostaje trudność projektowania połączeń. Umiejętność prawidłowej oceny wymagań obciążeniowych kratownicy (i każdej innej konstrukcji) jest kluczowa. Tak wiele kratownic ma swoje korzenie w geometrii, dlatego ważne jest, aby geometria była również uznawana za istotny, czasem architektoniczny, czynnik.

Co z IDEA StatiCa?

Same elementy (w stalowej kratownicy) są często smukłe i w związku z tym podlegają dodatkowym efektom, które mogą skłonić projektanta do rozważenia wyższych form analizy. Posiadanie rozwiązania programowego, które może łączyć wszystkie te wymagania z łatwą w użyciu funkcjonalnością, jest absolutnie niezbędne w dzisiejszym świecie inżynierii konstrukcyjnej.

Na szczęście istnieje IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection może projektować dzisiejsze skomplikowane połączenia kratownicowe bezpiecznie i efektywnie – dostępne są również zaawansowane połączenia na bazie drewna (z użyciem płyt). Może korzystać z modelu analitycznego z kilku rozwiązań MES za pomocą aplikacji o nazwie IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot zapewnia połączenie między MES a IDEA StatiCa Connection. Jeśli projektant martwi się o elementy kratownicy, mamy IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot może być również używany do obsługi tego rozwiązania.

Gdzie pasuje IDEA StatiCa? Rozważmy prosty, ale istotny przykład:

Są to prawdopodobnie najbardziej niedoceniane konstrukcje w dzisiejszych sieciach drogowych. Podlegają wszystkim typowym rodzajom obciążeń: stałym, zmiennym, wiatrem, śniegiem i lodem. Następnie należy ewentualnie uwzględnić również obciążenia dynamiczne. Wszystko to w dążeniu do zaprojektowania czegoś, co można efektywnie wyprodukować i szybko zmontować.

Ten przykład został uproszczony, ponieważ chcemy skupić się na interakcji z rozwiązaniem IDEA StatiCa.

Krok 1 – Analiza metodą elementów skończonych

Konstrukcja została zamodelowana, przeanalizowana i zaprojektowana w odpowiedniej aplikacji do analizy metodą elementów skończonych (MES) – w tym przypadku Autodesk Robot Structural Analysis. Prosimy odwiedzić naszą stronę internetową, aby uzyskać pełną listę obsługiwanych aplikacji.

Dodatek IDEA StatiCa Checkbot został uruchomiony z poziomu Robot. Instalacja większości tych tzw. dodatków do innych obsługiwanych aplikacji odbywa się automatycznie, aby ich użytkowanie było jeszcze szybsze i łatwiejsze.

Krok 2 – Eksport do Checkbot

Elementy i połączenia są wybierane w Robot i eksportowane do Checkbot. W przypadku zmian model Checkbot może być również synchronizowany z MES. Obciążenia zewnętrzne wprowadzone w modelu MES są używane do analizy globalnej, a reakcje wewnętrzne – siły osiowe, siły ścinające i momenty – są przenoszone do Checkbot. Po przeniesieniu do Checkbot są dostępne zarówno dla Connection, jak i Member.

W Checkbot można również wizualizować efekty obciążeń.

Elementy w IDEA StatiCa Checkbot mogą być również łączone – tak więc ciągłe elementy wykonane z mniejszych odcinków mogą być łączone razem do projektowania połączeń. W tym przykładzie elementy dolnego pasa zostały zmodyfikowane w ten sposób. Natomiast górny pas nie został zmodyfikowany, ponieważ w jego połączeniu nie ma takiej potrzeby. Jest to bardzo przydatne podczas korzystania z aplikacji MES, które muszą modelować ciągłe elementy w ten sposób.

Krok 3 – Projektowanie i sprawdzenie połączeń

Połączenia mogą być projektowane i sprawdzane za pomocą IDEA StatiCa Connection, a elementy mogą być sprawdzane w IDEA StatiCa Member. Pozycjonowanie elementów zawsze było kompromisem między modelem analitycznym a rzeczywistością. Elementy mogą być przesuwane podczas produkcji, aby ułatwić spawanie – może to często prowadzić do problemów w modelu analitycznym. W IDEA StatiCa możemy modyfikować mimośrody, aby uwzględnić tę rozbieżność.

W ramach rozwiązania Connection należy pamiętać o dopasowaniu modelu analitycznego podczas przeglądania Typu Modelu. Jeśli zamierzasz korzystać z połączeń na pojedynczą śrubę w tradycyjnej blasze węzłowej, musisz pamiętać o odpowiedniej zmianie Typu Modelu – na N,Vy,Vx – takiego, który nie dopuszcza momentów. Jednak jeśli twoje połączenie (jak w tym przykładzie) może przenosić moment, ten krok można pominąć.

Praca z rzeczywistymi kombinacjami obciążeń obliczeniowych jest niezbędna do osiągnięcia bezpiecznego i efektywnego modelu połączenia oraz sprawdzenia normowego. Używając czterech prostych operacji do stworzenia w pełni spawanego złącza, możemy zobaczyć, że wszystkie krytyczne efekty obciążeń (nasze kombinacje obliczeniowe) zostały kolejno sprawdzone i wszystkie spełniają wymagania.

Krok 4 – Sprawdzenie elementów

Drugie połączenie może być zaprojektowane w podobny sposób przed sprawdzeniem stężenia w IDEA StatiCa Member.

To jednak pokazuje, że istnieje wiele możliwości dalszego badania efektywności materiałów i połączeń, ponieważ wiele elementów kratownic jest nadmiernie wymiarowanych, aby zrekompensować brak zaawansowanej analizy.

Uwagi końcowe

Kratownice są nieodłączną częścią inżynierii konstrukcyjnej, a ich zastosowanie będzie coraz bardziej śmiałe. Postęp w materiałach i metodach budowy oznacza, że w nadchodzących latach pojawią się nowe projekty i koncepcje – jestem tego pewien. To, co dostrzegam w podejściu IDEA StatiCa jako magazynu danych, to połączenie zalet obu światów: możemy pozwolić ekspertom w dziedzinie MES kontynuować pracę i rozwijać rozwiązania najwyższej klasy, jednocześnie łącząc się z ich wynikami i modelem w celu tworzenia modeli połączeń i sprawdzeń elementów – dziedziny, w której jesteśmy najlepsi!

Mam nadzieję, że podobała Ci się ta wyprawa w świat kratownic i to, jak my w IDEA StatiCa możemy Ci pomóc na kilka sposobów. Wkrótce ukaże się powiązany artykuł dotyczący stężeń.