CBFEM - jak to działa, zgodność z normami, walidacja i weryfikacja

CBFEM to unikalna metoda projektowania i sprawdzenia normowego połączeń stalowych, elementów i kotwienia. Może być stosowana dla większości złączy, kotwień i szczegółów o różnych topologiach.

Component Based Finite Element Method (CBFEM) jest:

• Wystarczająco ogólna, aby być stosowana dla większości złączy, fundamentów i szczegółów w praktyce inżynierskiej.
• Wystarczająco prosta i szybka w codziennej praktyce, aby dostarczać wyniki w czasie porównywalnym z obecnymi metodami i narzędziami.
• Wystarczająco kompleksowa, aby dostarczać inżynierom konstruktorom jasnych informacji o zachowaniu złącza, naprężeniach, odkształceniach, rezerwach poszczególnych komponentów oraz o ogólnym bezpieczeństwie i niezawodności.

Sprawdzenie złącza w standardowej metodzie komponentów oraz w CBFEM stosowanej w IDEA StatiCa Connection opiera się na sprawdzeniu wszystkich części złącza – komponentów. Komponentami mogą być śruby, kotwy, spoiny, blachy oraz beton w fundamencie. 

CBFEM dzieli całe złącze na wyżej wymienione oddzielne komponenty. Następnie model obliczeniowy jest tworzony automatycznie przez oprogramowanie z każdego komponentu.

Samo sprawdzenie składa się z dwóch kroków:

1. Obliczenie sił w każdym komponencie złącza
2. Sprawdzenie każdego komponentu przy użyciu równań normowych

Obliczanie sił

CBFEM zaimplementowana w IDEA StatiCa Connection upraszcza zachowanie każdego komponentu. W jaki sposób? 

Model składa się z elementów, do których przyłożone jest obciążenie, oraz operacji wytwórczych (w tym elementów usztywniających), które służą do łączenia elementów ze sobą. 

Analizowany model MES jest generowany automatycznie. Projektant nie tworzy modelu MES – tworzy złącze przy użyciu operacji wytwórczych.

Dzięki temu siły są obliczane bez upraszczających założeń. Obliczane są również inne efekty, takie jak wzajemne oddziaływanie komponentów itp. 

Co więcej, dzięki uwzględnieniu rzeczywistej sztywności komponentów, wyniki obejmują siłę podważającą. Nic nie jest pomijane.

Sprawdzenie i ocena wyników

Analiza nośności jest najważniejszą analizą złączy. Sprawdzenie odkształceń blach wraz ze sprawdzeniem normowym komponentów jest przeprowadzane metodą analizy sprężysto-plastycznej.

Analiza złączy jest materiałowo nieliniowa. Przyrosty obciążenia są przykładane stopniowo, a stan naprężeń jest wyznaczany iteracyjnie.

Sprawdzenie blach

Blachy są modelowane z materiałem sprężysto-plastycznym z nominalnym nachyleniem plateau plastycznego zgodnie z EN 1993-1-5, pkt C.6, (2), tan^-1 (E/1000). 

Zachowanie materiału opiera się na kryterium plastyczności von Misesa. Przyjmuje się, że materiał zachowuje się sprężyście przed osiągnięciem obliczeniowej granicy plastyczności f_yd.

Kryterium stanu granicznego nośności dla obszarów niepodatnych na wyboczenie jest osiągnięcie granicznej wartości głównego odkształcenia membranowego. Zalecana wartość wynosi 5 % (np. EN 1993-1-5, Zał. C, pkt C.8, Uwaga 1).

Szczegółowe części Podstaw Teoretycznych dla każdej z obsługiwanych norm krajowych:

• Sprawdzenie normowe blach według EN (Eurokod)
• Sprawdzenie normowe blach według AISC (norma amerykańska)
• Sprawdzenie normowe blach według CISC (norma kanadyjska)
• Sprawdzenie normowe blach według AS (norma australijska)
• Sprawdzenie normowe blach według IS (norma indyjska)
• Sprawdzenie normowe blach według GB (norma chińska)
• Sprawdzenie normowe blach według HKG (Hongkońskie Przepisy Budowlane)
• Sprawdzenie normowe blach według SP (norma rosyjska)

Sprawdzenie pozostałych komponentów

Sprawdzenia są przeprowadzane dla obliczonych sił przy użyciu tych samych równań co w normie, we wszystkich metodach. Równania stosowane dla śrub, kotew, spoin i bloku betonowego są prezentowane w aplikacji i mogą być szczegółowo przeglądane.

Sprawdzenie śrub

Śruby w IDEA StatiCa Connection są sprawdzane zgodnie z odpowiednimi normami. Więcej informacji można znaleźć w artykule Śruby i połączenia śrubowe.

Sprawdzenie spoin

Również w przypadku spoin sprawdzenie jest wykonywane zgodnie z odpowiednimi normami.

Szczegółowe informacje na temat sprawdzenia spoin w Connection application można znaleźć w artykule Spoina/Spoiny w IDEA StatiCa.

Sprawdzenie bloku betonowego

Zasady obliczania bloku betonowego są wyjaśnione w artykule Model konstrukcyjny bloku betonowego. 

Szczegółowe części Podstaw Teoretycznych dla każdej z obsługiwanych norm krajowych:

• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według EN (Eurokod)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według AISC (norma amerykańska)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według CISC (norma kanadyjska)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według AS (norma australijska)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według IS (norma indyjska)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według GB (norma chińska)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według HKG (Hongkońskie Przepisy Budowlane)
• Sprawdzenie normowe bloku betonowego według SP (norma rosyjska)

Jak CBFEM może być jednocześnie zgodna z normą i rzeczywistym zachowaniem konstrukcji?

Projektowa analiza MES (CBFEM) jest zoptymalizowana pod kątem dostarczania wyników istotnych dla sprawdzenia normowego, przy jednoczesnym uwzględnieniu rzeczywistego zachowania konstrukcji. Jednocześnie uwzględnia margines bezpieczeństwa zdefiniowany przez normę.

Obejrzyj film i znajdź odpowiedź na swoje pytania.

Kluczowe cechy analizy CBFEM

Czy słyszałeś kiedyś o akronimach MNA lub GMNA stosowanych w oprogramowaniu, ale nie jesteś pewien, co oznaczają? Właściwości analizy, nieliniowość materiału lub geometrii. Co jest zalecane i wykonywane przez CBFEM?

Obejrzyj poniższy film i dowiedz się więcej o stosowanych podejściach.

Walidacja i weryfikacja

Pierwotnie dwa zespoły uniwersyteckie poświęciły ponad trzy lata na weryfikację i walidację metody CBFEM. 

Z biegiem czasu przeprowadzono wiele nowych badań weryfikacyjnych we współpracy z uczelniami z całego świata (USA, Holandia, Niemcy, Szwajcaria, Ameryka Południowa i inne).

Co dokładnie oznaczają walidacja i weryfikacja? Proces walidacji i weryfikacji potwierdza, że wyniki oprogramowania są poprawne. 

Weryfikacja to porównanie z metodą analityczną, najczęściej zawartą w normie budowlanej (np. AISC, EN itp.). 

Metody analityczne zawarte w normach są obciążone uproszczeniami, a wyniki uzyskane z normy i z CBFEM dla skomplikowanych połączeń mogą się różnić, szczególnie na granicach zakresu stosowalności. W takim przypadku porównanie CBFEM z zaawansowanym modelem zwalidowanym doświadczalnie dowodzi, że CBFEM jest bezpieczna, nawet jeśli nośności są wyższe niż wyznaczone przez normę. 

Walidacja to porównanie modelu numerycznego z wynikami eksperymentu. 

Model numeryczny jest często bardzo zaawansowany, uwzględniając nieliniowości materiałowe i geometryczne. Geometria i właściwości materiałowe są takie same jak zmierzone w eksperymencie. Gdy wyniki – zazwyczaj krzywe siła-przemieszczenie i naprężenie-odkształcenie – modelu numerycznego są zbliżone do wyników eksperymentu, model numeryczny jest uznawany za zwalidowany. Właściwości materiałowe modelu numerycznego są następnie zmieniane na wartości nominalne, imperfekcje są zwiększane zgodnie z tolerancjami wykonawczymi, a kilka analiz wrażliwości może być przeprowadzonych poprzez zmianę parametrów, np. grubości blach, granicy plastyczności materiału. 

Na koniec wyniki modelu numerycznego są porównywane z wynikami CBFEM. Wyniki nie muszą pokrywać się idealnie, ale muszą być bezpieczne, a różnice muszą mieścić się w akceptowalnym zakresie. 

Najważniejsze przykłady weryfikacji i walidacji zostały opublikowane w książce „Component-based finite element design of steel connections."

W naszym Centrum Wsparcia można znaleźć wiele badań weryfikacyjnych, a także porównania z testami laboratoryjnymi. Znajdź je korzystając z poniższego łącza.

Badania weryfikacyjne