Stały mostek serwisowy kratownicowy, lotnisko Heathrow, Wielka Brytania
Projekt głównej konstrukcji został wykonany przez Mott MacDonald jako pierwotną firmę konsultingową. Wykonawca odpowiedzialny za budowę, DHD Engineering, zlecił naszemu klientowi, Ellis & Moore Consulting Engineers, projektowanie połączeń.
W niniejszym artykule wyjaśnimy trudne aspekty projektowania tego konkretnego połączenia oraz sposób, w jaki zostały one pomyślnie rozwiązane przy użyciu IDEA StatiCa Connection, a także ocenimy zastosowanie oryginalnej metody składnikowej zaimplementowanej w Eurokodzie i udowodnimy, że jej zastosowanie jest w tym konkretnym przypadku praktycznie niemożliwe.
Klasyfikacja złącza do ręcznego projektowania
Na początku wyjaśnimy procedurę stosowaną przy ręcznym projektowaniu złożonego połączenia. Jako przykład posłuży nam złącze typu N pokazane na rysunku po prawej stronie, które jest złączem wielopłaszczyznowym. Aby przeprowadzić prawidłowe obliczenia metodą składnikową, należy zidentyfikować odpowiednią konfigurację na Rysunku 7.1 Eurokodu (kliknij rysunek poniżej).
Z geometrii połączenia wynika, że w kierunku podłużnym zaznaczonym jasnoniebieskim prostokątem nie było żadnych problemów. Można je jednoznacznie sklasyfikować jako złącze typu N. Problemy zaczynają się w płaszczyźnie ukośnej! Ostatecznie mamy więc dwa współistniejące złącza „N" ze złączem „Y".
W tym kierunku problem można łatwo zwizualizować, korzystając z realistycznego zrzutu ekranu widoku 3D pobranego z finalnego modelu IDEA StatiCa Connection (patrz poniżej). Dla tej konkretnej konfiguracji brak jest jednoznacznych wytycznych w normie i/lub wymagane przez odpowiednie paragrafy limity dotyczące zakładek itp. nie są koniecznie zachowane. W takim przypadku, stosując metodę składnikową, konieczna jest opinia eksperta i właściwa ocena inżynierska. Co więcej, ponieważ zrzuty ekranu pochodzą z gotowego połączenia, widać, że zastosowano różne wzmacniające blachy węzłowe w celu wzmocnienia połączenia i osiągnięcia wymaganej nośności. Sama obecność tych blach węzłowych sprawia, że połączenie nie nadaje się do zaprojektowania metodą składnikową.
Skuteczne projektowanie metodą CBFEM
Te ograniczenia metody składnikowej nie dotyczą CBFEM i IDEA StatiCa Connection, ponieważ złącze jest modelowane dokładnie tak, jak wygląda w rzeczywistości, i analizowane jako element jednoczący we wszystkich kierunkach przy użyciu elementów skończonych. Po przyłożeniu wszystkich sił model może zostać rozwiązany, obliczone zostają wszystkie siły wewnętrzne oddziałujące w modelu, a my natychmiast otrzymujemy szybki przegląd wszystkich sprawdzeń normowych według Eurokodu, potwierdzający bezpieczny projekt.
Istotną zaletą w porównaniu z metodą składnikową jest to, że ten tok postępowania jest wspólny dla wszystkich typów połączeń. Jeśli na przykład przekroje prostokątne z jakiegoś powodu zostałyby zmienione na okrągłe lub dwuteowe, nie trzeba uwzględniać żadnych szczególnych uwarunkowań. Inaczej jest w przypadku metody składnikowej, która posiada odrębne reguły dla każdego rodzaju przekroju poprzecznego.
Uwaga dotycząca projektowania połączeń w Wielkiej Brytanii
Można śmiało stwierdzić, że w zakresie projektowania połączeń stalowych inżynierowie konstruktorzy stosują określoną procedurę, która wydaje się być powszechną praktyką w Wielkiej Brytanii. W celu zaprojektowania połączeń inżynierowie odpowiedzialni za projekt podstawowy konstrukcji dostarczają oznaczenia podobne do tych widocznych na rysunku po prawej stronie. Aby informacje były czytelne dla człowieka, połączenia są grupowane. Następnie dla każdej grupy tworzona jest obwiednia sił działających. Procedura ta zapewnia nadwytrzymałość połączenia prowadzącą do bezpiecznego projektu, a także ułatwia przepływ informacji między obiema stronami. Problem z tym podejściem polega na tym, że wymagana nadwytrzymałość (przynajmniej w tym konkretnym przypadku) jest tak duża, że bez zastosowanych wzmacniających blach węzłowych spawane elementy nie byłyby w stanie przenieść zadanych sił.
Oznacza to, że projektant połączeń staje niekiedy przed ślepą uliczką, ponieważ zmiana wymiarów elementu nie jest akceptowalną praktyką i jeśli do niej dochodzi, musi być odpowiednio uzasadniona. W tym konkretnym przypadku zastosowanie IDEA StatiCa Connection było jedynym sposobem klienta na osiągnięcie wymaganego projektu bez konieczności stosowania złożonej analizy MES i pułapek związanych z jej zastosowaniem.
Bardziej ekonomiczny projekt z IDEA StatiCa Connection
Opisana wcześniej powszechna praktyka została również zastosowana na początku w tym projekcie. W konsekwencji obwiedniowe siły obliczeniowe dostarczone przez pierwotnych inżynierów konsultingowych doprowadziły do bardzo nieekonomicznego projektu głównych węzłów kratownic. Jak widać na poniższym rysunku, wstępny projekt/projekt koncepcyjny dał bardzo ciężkie połączenie dla węzła z 8 elementami, zlokalizowanego w środku rozpiętości.
Po pośredniej komunikacji z głównymi inżynierami konsultingowymi siły zostały skorygowane w celu uzyskania bardziej realistycznych kombinacji i wykonalnych projektów. Siły te zostały zastosowane w IDEA StatiCa Connection, a następnie osiągnięto bardziej ekonomiczny projekt z mniejszą liczbą dodatkowych blach. Wynik tego nowego podejścia i komunikacji między obiema stronami przedstawiono poniżej:
Choć był to pierwszy większy projekt, w którym zastosowaliśmy IDEA StatiCa Connection, ogólna filozofia i praktyki oprogramowania pozwoliły nam szybko opracować tak złożone połączenia, które normalnie projektowalibyśmy ręcznie. W IDEA StatiCa Connection wszystkie te połączenia stały się rozwiązywalne, a co więcej, nie ma żadnych szczególnych uwarunkowań, którymi należy się zajmować. Tok postępowania jest wspólny niezależnie od geometrii.
Kolejną ważną kwestią było to, że racjonalne szczegóły połączeń doprowadziły do obniżenia kosztów produkcji, a montaż kratownic był stosunkowo łatwy.
Projekt został więc uznany za sukces przez wszystkie strony… a kolejna faza prac jest realizowana przez ten sam zespół… z podobnymi wyzwaniami dla projektantów szczegółów.
Alexander Bezas
Eur Ing, BEng Hons / MSc, inżynier budownictwa lądowego
Starszy inżynier konstruktor w Ellis and Moore Consulting Engineer
