Kluczowe zasady
IDEA StatiCa Connection

IDEA StatiCa zostało opracowane do modelowania i projektowania połączeń stalowych. W tym zakresie połączenie musi posiadać jeden identyfikowalny węzeł, w którym zbiegają się wszystkie elementy, niezależnie od tego, jak złożone może być to połączenie. Należy pamiętać, że małe mimośrody niektórych elementów względem węzła są uwzględniane przez model Metody Elementów Skończonych i nie powodują żadnych problemów dla koncepcji fikcyjnego węzła.

Z drugiej strony, jeśli w modelu można zidentyfikować więcej niż jeden węzeł, to prawdopodobnie można to sklasyfikować jako konstrukcję, a podejście stosowane przez IDEA StatiCa może być nieodpowiednie i prowadzić do błędnych wyników.

Inżynier konstruktor musi zastosować swoją wiedzę inżynierską, aby określić, czy połączenie można uznać za jeden lub więcej węzłów i zastosować odpowiednie podejście.

Jako ogólna zasada, węzeł w IDEA StatiCa musi zawierać tylko te elementy, które są uwzględnione w globalnym oprogramowaniu analitycznym, ponieważ siły z analizy będą obejmować tylko siły dla tych elementów. Oczywiście zależy to od oceny inżynierskiej i może się różnić w zależności od przypadku.

Efekty obciążeń są domyślnie definiowane w fikcyjnym węźle. Użytkownik ma jednak możliwość modyfikacji położenia definicji obciążenia dla każdego elementu z osobna. Jest to wymagane w niektórych przypadkach zarówno przez normę (np. projektowanie płytki żebrowej według AISC lub SCI), jak i przez specyfikację projektową.

Przed użyciem tej funkcji użytkownik musi być świadomy, że różne położenia obciążenia dają różne wyniki.

Powszechną praktyką wśród projektantów jest przekazywanie obciążeń do sprawdzenia normowego połączeń w formie tabel obciążeń z wyników obwiedni, co oznacza, że składowe naprężeń nie współistnieją.

Takie obciążenia tworzą nierealistyczne pole naprężeń. W naszym rozwiązaniu ten nierealistyczny stan naprężeń jest odzwierciedlony w modelu i może potencjalnie prowadzić do zniszczeń.

Należy zauważyć, że nie jest to osobliwość IDEA StatiCa, ponieważ takie stany naprężeń powodowałyby zniszczenia w pierwotnym globalnym modelu obliczeniowym, gdyby maksymalne składowe naprężeń były przykładane jednocześnie. Problem ten jest potęgowany przez liczbę łączonych elementów.

Aby uniknąć tej sytuacji, zdecydowanie zaleca się stosowanie więcej niż jednej kombinacji w projektowaniu, pochodzącej z pierwotnego globalnego modelu obliczeniowego. Wiadomo, że wyniki dla każdej kombinacji są w równowadze w węzłach.

Korzystanie z naszych łączy BIM sprawia, że przejście z modelu globalnego do projektowania połączeń jest proste i odporne na błędy.

Ponadto IDEA StatiCa oferuje bardzo prosty sposób identyfikacji wszelkich niezrównoważonych sił w modelu, poprzez włączenie przycisku Loads in Equilibrium. Są to siły, które zostaną zrównoważone przez reakcje elementów zdefiniowanych jako podporowe.

Znak momentów nie jest zgodny z klasyczną konwencją statyki. Momenty są zgodne z regułą prawej ręki wokół lokalnej osi elementu.

Aby wyświetlić lokalną oś elementu, należy aktywować przycisk LCS w panelu wstążki Etykiety.

Aby zdefiniować dodatni moment wokół osi, użytkownik musi skierować prawy kciuk w stronę dodatnią tej osi. Wówczas zwinięcie palców reprezentuje obrót odpowiadający dodatniemu momentowi wokół tej osi.

Należy pamiętać, że łącza BIM automatycznie obsługują wymagane transformacje podczas transferu obciążeń z oprogramowania do analizy.

IDEA StatiCa umożliwia definiowanie różnych opcji typu modelu dla elementów, przy czym każda z nich wpływa na rodzaj więzów przykładanych na końcu elementu (N-Vy-Vz-Mx-My-Mz oznacza koniec swobodny/bez więzów). W istocie służy to zapewnieniu, że przyłożone obciążenie odpowiada zachowaniu modelu globalnego.

Na przykład, jeśli element stężający ma przenosić siły osiowe i poprzeczne, ale nie moment, to zastosowanie modelu bez więzów nie byłoby właściwe, ponieważ w elemencie stężającym rozwinąłby się moment na jego długości. Można temu zapobiec, stosując model N-Vy-Vz, gdzie same więzy będą przenosić moment (który będzie wyświetlany jako Nonconformity w zakładce Sprawdzenie -> Analiza). Więzy te można również stosować w celu zapewnienia stateczności danego modelu poprzez usunięcie niektórych stopni swobody. Kluczowym przykładem jest połączenie stężenia na jednej śrubie, gdzie stężenie byłoby swobodne do obrotu wokół osi śruby. W tym przypadku zastosowanie odpowiedniego typu modelu zapobiega powstaniu mechanizmu.

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli wartość sił/momentów przenoszonych przez więzy znacznie przekracza przyłożone obciążenie (według oceny projektanta), może to wskazywać, że wybrany typ modelu może nie być odpowiedni dla danego złącza i może prowadzić do niezachowawczego projektu. W takich przypadkach najlepiej wybrać alternatywny typ modelu odpowiadający oczekiwanym warunkom obciążenia/podparcia lub zastosować model bez więzów N-Vy-Vz-Mx-My-Mz.

Wybór typu modelu jest zasadniczo uzależniony od oceny projektanta, ponieważ wymagane więzy będą najczęściej zależeć od specyfikacji projektu i warunków obciążenia, które muszą być odwzorowane w modelu.

Przykład połączenia stężenia na jednej śrubie, gdzie typ modelu musi być N-Vy-Vz, aby zapobiec powstaniu mechanizmu

Choć możliwe jest, że dla sztywnych połączeń analiza wyboczenia może nie być krytyczna, jest ona uważana za integralną część metody CBFEM. W związku z tym wysoce zaleca się przeprowadzenie analizy wyboczenia po standardowej analizie naprężenie/odkształcenie, aby upewnić się, że jej limity (patrz nasze Podstawy Teoretyczne) są przestrzegane oraz aby udowodnić, że nośność przewidywana na podstawie analizy naprężenie-odkształcenie może być w pełni rozwinięta.

Dodatkowo, wyboczenie elementów połączenia może wpływać na stateczność całej konstrukcji. W takim przypadku możemy stwierdzić, że typ postaci wyboczenia jest globalny. W przeciwnym razie postać wyboczenia nazywana jest lokalną.

Bardzo ważne jest podkreślenie, że różne dolne granice współczynnika krytycznego (αcr, limit) mają zastosowanie do różnych typów postaci wyboczenia. Możemy pominąć wyboczenie globalne dla elementów (włącznie z połączeniem) w przypadkach, gdy współczynnik wyboczenia jest wyższy niż 15 (w przypadku projektowania plastycznego) lub wyższy niż 10 (gdy naprężenia w blachach są w zakresie sprężystym). 

Wyboczenie lokalne dotyczy pojedynczych blach (usztywnień, środnika słupa), a odpowiadające im graniczne współczynniki wyboczenia są ustalane zgodnie z normami projektowymi i badaniami eksperymentalnymi. Skutki wyboczenia lokalnego uznaje się za pomijalne, gdy współczynnik wyboczenia wynosi:

• ≥ 2 - w przypadku blachy podpartej z 4 stron
• ≥ 3 - w przypadku blachy podpartej z 3 stron
• ≥ 4 - w przypadku blachy podpartej z 2 stron (sąsiednich)
• ≥ 15 - w przypadku blachy podpartej z 2 stron (przeciwległych)

Niestety, typ postaci wyboczenia podlega ocenie inżynierskiej i nie może być określony przez oprogramowanie. Obowiązkiem użytkownika jest zdecydowanie, który typ wyboczenia ma zastosowanie do jego modelu, poprzez analizę odkształconych postaci wyboczenia.

Gdy dodajemy element do modelu, jego długość jest obliczana automatycznie przez oprogramowanie na podstawie wysokości przekroju. Algorytm obliczeniowy jest częścią metody CBFEM i jest skalibrowany na podstawie wyników numerycznych i eksperymentalnych.

Obliczona długość elementu zapewnia właściwą dyfuzję naprężeń zgodnie z metodologią CBFEM.

W przypadku dodania do elementu składnika lub modyfikacji (otwory na śruby, podcięcia, otwory itp.) oprogramowanie odpowiednio dostosuje całkowitą długość, aby zachować odległość od strefy nieciągłości.

Oprogramowanie umożliwia jednak zmianę domyślnego współczynnika obliczania długości elementu poprzez ustawienia „Code setup", co wpływa na całkowitą długość. Zdecydowanie zaleca się pozostawienie tej wartości jako domyślnej, ponieważ takie zmiany mogą znacząco wpłynąć na wyniki. Wszystkie nasze weryfikacje zostały przeprowadzone z ustawieniami domyślnymi.

W rzadkich przypadkach domyślne wartości tego ustawienia mogą prowadzić do błędu, który w innym przypadku by nie wystąpił. Przykłady rzadkich scenariuszy to: 1. nadmiernie głębokie belki (np. o wysokości 1,5 m i więcej) prowadzące do nadmiernej odległości od najbliższej strefy nieciągłości lub 2. duża zlokalizowana siła ścinająca przyłożona na odcinku o krótkiej długości (np. krótki wspornik podtrzymujący dźwignicę), który IDEA StatiCa domyślnie modelowałaby jako dłuższy niż w rzeczywistości. Oba przypadki skutkowałyby dużym momentem gnącym na obciążonym końcu.

Z tego powodu ustawienie to jest dostępne, aby zapewnić doświadczonym użytkownikom pewną elastyczność w radzeniu sobie z tymi rzadkimi przypadkami, w których konieczne może być zmniejszenie długości.

W takich przypadkach, gdy jest absolutnie jasne, że problem wynika wyłącznie z długości elementu, użytkownik musi przeprowadzić analizę w celu zbadania wpływu jakiegokolwiek zmniejszenia stosunku głębokości/długości elementu na zachowanie modelu (pola naprężeń/odkształceń oraz siły w poszczególnych składnikach). Jeśli wyniki będą zgodne, zmniejszenie parametru może być możliwe, choć w niektórych modelach może być konieczne wykonanie tego w połączeniu z ustawieniami siatki.

Innymi słowy, jeśli użytkownik zdecyduje się zmodyfikować to ustawienie, musi być w stanie odpowiednio to uzasadnić, odwołując się do wyników powiązanej analizy wykazującej, że zmniejszenie nie wpłynęło na wyniki w składnikach złącza.

Z tego powodu zalecamy skontaktowanie się z naszym zespołem wsparcia przed modyfikacją któregokolwiek z tych krytycznych parametrów.

Przykładowa analiza demonstrująca zmniejszenie stosunku długości/głębokości elementu bez znaczącego wpływu na pole naprężeń i obciążenie składników.

Należy wiedzieć, że różne normy stosują różne konwencje dotyczące definicji spoin. Na przykład norma amerykańska używa długości przyprostokątnych, podczas gdy Eurokod stosuje grubości gardzieli do obliczeń. Konwencja ta jest przestrzegana w całym projekcie, w tym w raporcie i rysunkach.

Dlatego obowiązkiem użytkownika jest dostosowanie wymiarów spoin, gdy jest to wymagane, w celu komunikacji z osobami trzecimi (np. wytwórcami), które stosują inne konwencje.

IDEA StatiCa Connection jest narzędziem przeznaczonym przede wszystkim do oceny połączeń elementów walcowanych na gorąco, na które wyboczenie nie ma istotnego wpływu. Ze względu na szybkość i stabilność obliczeń stosowana jest analiza geometrycznie liniowa i materiałowo nieliniowa. Jednak ten rodzaj analizy nie uwzględnia utraty stateczności w każdym kroku obliczeniowym, ponieważ analiza wyboczeniowa jest liniowa, natomiast utrata stateczności wymaga przeprowadzenia analizy geometrycznie nieliniowej.

Jeśli zdecydujesz się na użycie IDEA StatiCa Connection do sprawdzania połączeń elementów cienkościennych (giętych na zimno), upewnij się, że jesteś doświadczonym użytkownikiem oprogramowania i bądź przygotowany na staranne zastosowanie inżynierskiej oceny w odniesieniu co najmniej do następujących kwestii:

• Przeprowadź liniową analizę wyboczeniową i dokładnie oceń każdą postać wyboczenia. Należy pamiętać, że 5 pierwszych obliczonych postaci wyboczenia może nie być wystarczające.
• Nie polegaj na plastyczności elementów cienkościennych, lecz ogranicz naprężenie von Misesa do granicy plastyczności lub nawet poniżej, jeśli jest to wymagane.
• Należy mieć świadomość, że rozwój lokalnego wyboczenia, który nie jest uwzględniany w każdym kroku obliczeniowym, może inaczej redystrybuować siły wewnętrzne w komponentach.
• Należy mieć świadomość, że sztywność komponentów może się różnić ze względu na różne tryby zniszczenia lub ich kombinację.
• Należy mieć świadomość, że przedstawione sprawdzenia normowe i szczegółowanie komponentów (np. śruby, spoiny) są zgodne z postanowieniami norm dotyczących elementów walcowanych na gorąco. W przypadku gdy odpowiednie postanowienia normowe dla elementów cienkościennych są inne, podane sprawdzenia normowe nie mają do nich zastosowania.

W IDEA StatiCa Connection użytkownik ma swobodę modelowania topologii połączeń, których wcześniej nie można było zaprojektować. Zakres dostępnych narzędzi i różnych rodzajów analiz (wyboczenie, sztywność itp.) zapewnia znacznie głębszy wgląd w zachowanie projektowanych połączeń niż dotychczas.

Obowiązkiem użytkownika jest poznanie, zrozumienie i zastosowanie tych narzędzi w swoich projektach, zwłaszcza jeśli zdecyduje się odejść od sprawdzonych i przetestowanych topologii połączeń.

Należy mieć świadomość, że IDEA StatiCa nie jest w stanie „korygować" błędów koncepcyjnych projektu. Choć może pomóc w ich zapobieganiu, przy prawidłowym zastosowaniu dostępnego zestawu narzędzi.

Koncepcyjnie błędne połączenie z brakującym górnym rzędem pozornie przechodzi wszystkie sprawdzenia normowe, jednak dzięki zastosowaniu narzędzia Deformed shape ujawniane są nadmierne odkształcenia i koncentracja odkształceń plastycznych. Może to prawdopodobnie powodować problemy ze stanem granicznym użytkowalności, jednak bez katastrofalnego zniszczenia (takiego jak pęknięcie).

Metoda obliczeniowa dotycząca blach opiera się na nieliniowych właściwościach materiału, dlatego jest niezależna od postanowień normy.

Ponieważ w stanie domyślnym oprogramowanie używa standardowych wartości tekstowych AISC, użytkownik jest odpowiedzialny za sprawdzenie, czy ustawienia konfiguracji normy są zgodne z wymaganymi postanowieniami regionalnego załącznika krajowego.