Podczas analizy każdego modelu konstrukcyjnego inżynier konstruktor musi zdefiniować typ każdego połączenia między elementami. Ponieważ model powinien odzwierciedlać rzeczywiste zachowanie konstrukcji, inżynier musi przewidzieć, jaki typ połączenia będzie najbardziej odpowiedni.

Dobre przybliżenie modelu do rzeczywistej konstrukcji jest istotne, szczególnie w przypadku konstrukcji stalowych, gdzie najczęściej stosuje się elementy liniowe. Konstrukcje stalowe są powszechnie stosowane ze względu na swoją efektywność.

Aby uzyskać jak najlepsze wyniki, projektanci są często zmuszeni do optymalizacji nie tylko przekrojów poprzecznych elementów, ale również projektu połączeń.

Ogólnie rzecz biorąc, inżynier konstruktor musi wybrać spośród 3 podstawowych typów połączeń klasyfikowanych według sztywności złącza:

• Przegubowe – złącza, które nie przenoszą momentów gnących.
• Sztywne – złącza z nieznaczną zmianą pierwotnych kątów między elementami
• oraz nieskończona liczba wartości pośrednich

W globalnym modelu analizy konstrukcji najczęściej stosuje się dwie pierwsze opcje. Paradoksalnie, większość rzeczywistych połączeń w konstrukcjach stalowych należy do trzeciej grupy.

Klasyfikacja ta jest wspierana zarówno przez Eurocode, jak i przez normy AISC. Choć nazewnictwo jest różne, znaczenie jest takie samo.

Dla obu norm istnieje szereg wymagań dotyczących konkretnej klasyfikacji. Jeśli chcesz poznać szczegóły, możesz zapoznać się z podstawami teoretycznymi dla Eurokodu lub dla norm AISC. Przed przystąpieniem do ocen przydatna może okazać się znajomość podstawowej i zaawansowanej teorii.

Dwie główne problematyczne sytuacje

• Złącza uznane za przegubowe w globalnym modelu analizy zachowują się w rzeczywistości jak podatne (przenoszą momenty gnące na połączony element).
• Złącza uznane za sztywne nie są wystarczająco sztywne.

Głównie ze względów produkcyjnych i montażowych pierwsza sytuacja występuje częściej.

Niektórzy mogliby powiedzieć, że ta niedokładność jest po stronie bezpiecznej i dlatego nie powoduje żadnego problemu. I rzeczywiście, momenty gnące w przęśle są w rzeczywistej konstrukcji redukowane przez momenty w połączeniach na krawędziach.

Ale należy pójść dalej: nie jest to niebezpieczne dla samej belki, lecz dla elementu, do którego belka jest podłączona!

Szybka demonstracja

Pokażmy, jak ważny jest wybór właściwego połączenia do właściwego celu. (A także konsekwencje niewłaściwego połączenia dla globalnej analizy)

Jeśli rozwiązujesz standardowe połączenie belki stropowej z belką główną, masz wiele alternatyw połączeń. Wybrałem trzy bardzo popularne.

 Za pomocą IDEA StatiCa Connection możesz obliczyć sztywność połączenia w kilka sekund. Dla lepszego porównania dodałem przypadki skrajne ze złączami Sztywnymi i Przegubowymi:

• Połączenie sztywne
• Połączenie 1 (S_j,ini = 6,7 MNm/rad)
• Połączenie 2 (S_j,ini = 1,3 MNm/rad)
• Połączenie 3 (S_j,ini = 0,5 MNm/rad)
• Połączenie przegubowe

Wpływ sztywności na momenty gnące

Wpływ sztywności na naprężenia efektywne (von Misesa)

Jak widać, podczas gdy belka stropowa jest mniej obciążona wraz ze wzrostem sztywności połączenia, belka główna może być w niektórych przypadkach łatwo przeciążona.

Typowy sposób postępowania

Gdy inżynier konstruktor decyduje, że rzeczywista sztywność połączenia powinna być uwzględniona (co powinno mieć miejsce dość często), istnieje kilka opcji obliczeniowych.

• ręcznie
• w przygotowanym arkuszu kalkulacyjnym (szablonie)
• obliczenia za pomocą dedykowanego oprogramowania

Przykładowa analiza

• rozwiązujesz prostą konstrukcję ze 100 liniowymi elementami stalowymi,
• oznacza to 200 końców do połączenia.
• taka konstrukcja może zawierać 20 różnych typów połączeń,
• masz 10 przypadków obciążeń i 100 wygenerowanych kombinacji obciążeń.

Rozwiązanie wszystkich połączeń dla każdej miarodajnej kombinacji obciążeń stałoby się koszmarem. Dlatego obliczasz tylko te najważniejsze. Mimo to może to być 10 krytycznych połączeń z 2–6 elementami, a Twój tok pracy mógłby wyglądać następująco: 

 1 ) Choć niezwykle czasochłonne, modele połączeń i obliczenia ich sztywności mogą być wykonalne. Przynajmniej dla pierwszego przebiegu.

 2 ) Po zakończeniu analizy sztywności możesz ustawić sztywność obrotową w złączach globalnego modelu analizy. Możesz ją zaimportować

                    jako pojedynczą wartość:

• jeśli M_Ed jest mniejsze niż 2/3 M_j,Rd, możesz bezpośrednio użyć sztywności początkowej połączenia
• jeśli M_Ed jest większe niż 2/3 M_j,Rd – proces iteracyjny

                   lub jako funkcję nieliniową:

 3 ) Przy zaktualizowanych parametrach sztywności możesz przeprowadzić globalną analizę, w której oczywiście zostaną obliczone nowe siły wewnętrzne. Wpływ nowych ustawień może być nieznaczny, ale w niektórych przypadkach również bardzo duży. Rozwiązaliśmy już w przeszłości kilka takich przypadków, więc możesz sprawdzić nasz artykuł w bazie wiedzy na ten temat.

 4 ) Teraz musisz sprawdzić i zweryfikować przekrój poprzeczny oraz projekt połączenia. Jeśli wszystko Ci odpowiada, masz szczęście i możesz przejść do kolejnego etapu projektowania. Bardziej prawdopodobne jest, że konieczne będą pewne zmiany w pierwotnym projekcie, więc musisz wrócić do punktu 1 ) i powtarzać proces iteracyjny, aż wszystkie elementy projektu spełnią wszystkie wymagania.

Inteligentny sposób postępowania

Najlepszym narzędziem do obliczania sztywności połączeń jest obecnie aplikacja IDEA StatiCa Connection. Aby maksymalnie uprościć tok pracy i zaoszczędzić dużo cennego czasu, możesz użyć łącza BIM do eksportu projektu połączenia z aplikacji CAD do IDEA StatiCa Connection. 

Następnie ustawiasz typ analizy na analizę sztywności i w ciągu kilku sekund uzyskujesz parametry sztywności. Aby być jak najbardziej efektywnym, w naszym centrum wsparcia można znaleźć przydatne wskazówki dotyczące analizy sztywności.

Każda analiza sztywności dostarcza natychmiast następujących cennych wyników:

Wszystkie ważne wartości w jednej tabeli

Graficzna wizualizacja obliczonych wartości

Czy chcesz samodzielnie obliczyć sztywność połączenia za pomocą IDEA StatiCa Connection? Wystarczy skorzystać z przygotowanego samouczka dla EN lub dla normy AISC. 

Proces weryfikacji nowej aplikacji został zakończony, a badania zostały opublikowane we współpracy z zespołami uniwersyteckimi. Możesz zapoznać się z kilkoma przykładami weryfikacyjnymi.

Ważne fakty

• Warto pamiętać, że to samo połączenie może być klasyfikowane różnie w zależności od długości elementu

• Sztywność początkowa (S_j,ini) nie jest zależna od obliczeniowego momentu gnącego (M_Ed), natomiast ma on wpływ jedynie na sztywność sieczną (S_j,s)

• Zmiany parametrów sztywności złączy zawsze wpływają na siły wewnętrzne obliczane w globalnym modelu analizy

• W podejściu Eurokodu należy rozróżniać między układami konstrukcyjnymi stężonymi i niestężonymi, ponieważ to samo połączenie może być klasyfikowane jako sztywne lub podatne w zależności od stężenia

• Jeśli Sj,ini i Sj,s wykazują nieskończoną sztywność, oznacza to, że krzywa sztywności jest tak stroma, że w rzeczywistości wynosi 90° na wykresie, przez co styczna daje wynik nieskończoności. Oznacza to zawsze sztywne połączenie daleko od granicy klasy podatnej, więc dokładne wartości nie są istotne.

Wypróbuj IDEA StatiCa za darmo

Interesujesz się możliwościami IDEA StatiCa w analizie sztywności połączeń? Nie ma lepszego momentu, aby wypróbować IDEA StatiCa niż teraz! 

Rozpocznij okres próbny już dziś i korzystaj przez 14 dni z pełnego dostępu i usług bezpłatnie.