Wypaczanie elementów – Obciążenie w środku ścinania
Opis modelu obliczeniowego
Po uwzględnieniu elementów skondensowanych w modelu obliczeniowym elementy stały się znacznie dłuższe. W IDEA StatiCa Connection w wersji 20.1 i wcześniejszych elementy miały domyślnie długość 1,5×h dla przekrojów otwartych i 2×h dla przekrojów zamkniętych. Końce elementów składających się z elementów powłokowych były usztywnione łącznikami, przez które przykładane jest obciążenie. Łączniki te powodują, że koniec elementu jest sztywny na wypaczanie.
W IDEA StatiCa Connection w wersji 21.0 i nowszych za częściami elementów składającymi się z elementów powłokowych dodawane są elementy skondensowane. Element skondensowany ma takie same właściwości, jak gdyby był złożony z elementów powłokowych z elastycznymi właściwościami materiału. Długość elementu skondensowanego wynosi 4×h dla typu analizy naprężenie-odkształcenie. Obciążenia są przykładane na końcu elementów skondensowanych, dzięki czemu połączenia są znacznie mniej podatne na efekt usztywnienia. Model jest bardziej efektywny i pozwala zmniejszyć domyślną długość elementu składającego się z elementów powłokowych do 1,25×h zarówno dla przekrojów otwartych, jak i zamkniętych.
Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykule Condensed superelements - invisible but essential.
Oznacza to, że długości elementów przy ustawieniach domyślnych wzrosły z 1,5×h do 5,25×h oraz z 2×h do 5,25×h odpowiednio dla przekrojów otwartych i zamkniętych. Wypaczanie rozwija się na długości elementu zgodnie z teorią Własowa, a moment wypaczania nie rośnie liniowo, lecz wykładniczo.
W poprzednich wersjach (20.1 i wcześniejszych) moment wypaczania miał niewielki wpływ, jednak teraz może być bardzo istotny – jest on obecnie około 6,5× większy, jeśli wypaczanie jest zablokowane w połączeniu. Oczywiście stopień wykorzystania blach, śrub i spoin również wzrasta.
Należy pamiętać, że moment wypaczania zależy od długości elementu, miejsca przyłożenia obciążenia, warunków brzegowych na obu końcach oraz ewentualnych pośrednich podpór lub usztywnień. Użytkownik powinien mieć świadomość, że moment wypaczania jest nadal niedokładny. Teraz jednak element jest dłuższy, więc jego wartość jest bliższa rzeczywistej, jeśli skręcanie można uzasadnić.
Czy element rzeczywiście ulega wypaczaniu?
Zasadnicze pytanie brzmi, czy skręcanie i wypaczanie elementu są rzeczywiście możliwe. Często górna półka elementu jest podtrzymywana przez płytę stropową, która skutecznie blokuje jakiekolwiek skręcanie elementu. W takim przypadku skręcanie i wypaczanie można pominąć i nie jest konieczne projektowanie tego elementu ani jego połączenia na te siły.
Jeśli górne półki tych krokwi są rzeczywiście zabezpieczone przed przemieszczeniem bocznym, ten sposób zniszczenia nie jest miarodajny i siły wewnętrzne powinny zostać odpowiednio zmodyfikowane.
Jak wyeliminować niepożądany moment skręcający?
Istnieją dwa sposoby pominięcia momentu skręcającego w Connection application.
Przyjrzyjmy się każdej z opcji osobno.
Obliczanie zastępczego momentu skręcającego
Wszystkie elementy są obciążone przez ich środek ciężkości. W przypadku przekrojów dwusymetrycznych (np. przekrojów I, H, RHS, CHS) środek ciężkości znajduje się w tym samym miejscu co środek ścinania. Jeśli obciążenie przechodzi przez środek ścinania, siła poprzeczna nie powoduje żadnego dodatkowego skręcania.
Jednak w przypadku innych elementów posiadających tylko jedną oś symetrii lub nieposiadających jej wcale, położenie środka ścinania jest przesunięte względem środka ciężkości. Obciążenie poprzeczne jest przykładane przez środek ciężkości i generowany jest moment skręcający. Moment ten jest równy sile poprzecznej pomnożonej przez odległość między środkiem ciężkości a środkiem ścinania.
Jeśli inżynier konstruktor zakłada, że element nie może się obracać, moment skręcający powinien być zrównoważony przez przeciwny moment skręcający w przyłożonych efektach obciążenia. Należy pamiętać, że ten równoważący moment skręcający będzie widoczny w siłach niezrównoważonych przy korzystaniu z opcji Loads in Equilibrium.
Pokażmy to teraz na praktycznym przykładzie.
Mamy połączenie z belką w kształcie litery U. Przekrój, jego charakterystyki i obciążenia przedstawiono na poniższym rysunku.
Na przykład belka ta ulega skręceniu i wykazuje nierealistyczny rozkład naprężeń i odkształceń, co wpływa na sprawdzenia normowe. W rzeczywistości belka jest zabezpieczona przed skręcaniem na całej swojej długości, więc taki efekt nie powinien występować.
Aby skorygować model, należy obliczyć zastępczy przeciwny moment skręcający M'x i dodać go do efektów obciążenia dla tego elementu. W tym przykładzie dla LE1 należy dodatkowo dodać moment M'x = Vz * y0 = 1502 * 0,113 = 170 kNm.
Należy pamiętać, że decyzja o tym, czy zrównoważyć skręcanie, należy do inżyniera konstruktora. Pomocne mogą być odpowiednie zapisy w normach lub publikacje.
Operacja podparcia bocznego zapobiegającego zwichrzeniu
Innym sposobem stabilizacji elementu jest zastosowanie operacji podparcia bocznego zapobiegającego zwichrzeniu.
Aby dowiedzieć się więcej o tej funkcjonalności, zapoznaj się z następującymi artykułami: