Îmbinări de contravântuiri și IDEA StatiCa

Acesta este articolul care continuă articolul despre ferme scris de colegul meu – Ralph Pullinger. În primul rând, întrebarea fundamentală este – care este diferența dintre contravântuire și fermă? Există o oarecare suprapunere între aceste subiecte, după cum vă puteți imagina. 

În esență, o contravântuire este un element singular care susține, consolidează sau întărește ceva, în timp ce o fermă este de obicei o întreagă parte a structurii și este formată din mai multe elemente. Cu alte cuvinte, contravântuirea poate fi parte a unei structuri de tip fermă. Desigur, unele sisteme de ferme necesită în mod obligatoriu contravântuiri pentru a fi complete – în special în sectorul rezidențial. Chiar și unele elemente din ferme acționează ca contravântuiri.

Dar unde se găsesc și sistemul de contravântuire este utilizat doar în structurile metalice? Deloc. Le veți găsi de obicei atât în clădirile cu structură metalică, cât și în cele cu structură din lemn. Mai rar în structurile din cadre de beton, cu excepția cazurilor în care există motive specifice, cum ar fi o reabilitare sau o consolidare.

Sisteme de contravântuire utilizate în structurile metalice

În sistemele structurale metalice, o contravântuire este de obicei definită ca preluând numai efort axial (fie compresiune, fie întindere). Dacă o contravântuire ar prelua un moment, atunci aceasta ar trebui definită ca o grindă sau un stâlp. Contravântuirile nu sunt limitate la axa orizontală sau verticală. Ele sunt utilizate și în planuri înclinate (cum ar fi planul acoperișului). Contravântuirile transferă invariabil acțiuni. În principal, ele urmăresc să transfere încărcările orizontale, cum ar fi vântul, către un mecanism de rezemare – de obicei fundații.

Contravântuirile pot lua forma unor cabluri, platbande, corniere, tije, secțiuni tubulare și chiar profile I. Tradițional, ele au fost întotdeauna concepute pentru a fi ascunse, dar există și numeroase exemple în care sunt expuse și puse în valoare.

Un exemplu frumos de simbioză arhitecturală și inginerească care dezvăluie contravântuirile și detaliile îmbinărilor acestora pe fațadă poate fi găsit în Spania, în clădirea cunoscută astăzi sub numele de Hotel Arts Barcelona. Aici, îmbinările structurale din oțel sunt aproape la îndemână și pot fi observate de oaspeții hotelului. Vedeți cum am efectuat acest calcul de proiectare a contravântuirii într-unul dintre webinariile noastre.

În vremurile de demult ale proiectării 2D (atât analogice, cât și digitale) și, datorită planului în care operează, contravântuirile erau adesea uitate până când erau observate trecând în fața unei ferestre (neintenționat) sau blocând accesul la o ușă. Câți își amintesc de astfel de situații?

Acum, odată cu apariția BIM, aceste probleme de coordonare au dispărut aproape complet (sperăm). Adoptarea Metodei Elementelor Finite a condus, de asemenea, la o utilizare mai eficientă a materialelor, iar metodele de analiză mai riguroase permit inginerilor să amplaseze sistemele de contravântuire acolo unde vor funcționa mai bine.

În forma sa cea mai simplă, o contravântuire este un element care merge dintr-un punct în altul. Poate fi o contravântuire singulară sau poate face parte dintr-un sistem mai amplu de contravântuiri formând un model. Desigur, există o varietate completă de sisteme de contravântuire utilizate în structuri, de la contravântuirile X utilizate în mod tipic până la sisteme avansate care respectă cerințele arhitecturale.

Pregătirea și experiența unui inginer îl vor ghida de obicei în găsirea pozițiilor și formelor adecvate de contravântuire. Aceasta poate fi rafinată ulterior prin analiză. În cadrul acestei analize, efectele suplimentare, cum ar fi excentricitățile, sunt considerate neglijabile. Așa cum susțin întotdeauna – un inginer preferă să păstreze lucrurile simple.

În analiza structurală globală (cadre 2D sau 3D), veți vedea grinzi, stâlpi și contravântuiri întâlnindu-se toate într-un singur nod. În realitate, acest lucru nu poate fi cazul, deoarece există întotdeauna o anumită excentricitate implicată. Aceasta poate fi modelată și în Metoda Elementelor Finite și BIM, astfel încât aceste efecte să fie luate în considerare – de obicei, o deplasare mică în sus/jos sau stânga/dreapta va fi suficientă.

Citiți mai multe în articolul lui Jan Kubicek despre excentricitățile structurale și problemele acestora – Ce se întâmplă dacă nu merge în direcția corectă?

Tipuri de îmbinări de contravântuiri în structurile metalice

Acum, avem o serie de contravântuiri care pot prelua încărcarea de calcul – cum le conectăm la structura principală? Aici intervine arta detalianților și cunoștințele lor. Care sunt limitările aici? Simplu spus, câte tipuri de îmbinări în structurile metalice are detaliantul stocate în hipocampul său, desigur creativitatea sa, dar și care sunt limitările instrumentelor software utilizate?

Există numeroase exemple de soluții tipice care îndeplinesc această sarcină. Majoritatea nu ies în evidență, dar unele o fac. Exemplul de mai jos este preluat din studiul de caz și webinarul Îmbinări de fațadă la spitalul Midland Metropolitan.

Clientul a dorit să valorifice sistemul de contravântuire și a utilizat IDEA StatiCa pentru a crea o îmbinare funcțională și atractivă.

Acesta ar fi un exemplu excelent al modului în care IDEA StatiCa ar putea utiliza atât un model geometric (BIM) din, să zicem, Tekla Structures pentru a obține poziționarea elementelor și formele diverselor plăci, cât și efectele încărcărilor prin Metoda Elementelor Finite din, să zicem, SCIA Engineer (sunt disponibile și alte soluții CAD și MEF😊). Dar hei, acest lucru este cu adevărat posibil!

Detalii de îmbinări de contravântuiri în IDEA StatiCa

Aplicația pentru proiectarea și verificarea conform codului a îmbinărilor IDEA StatiCa Connection este, desigur, pe deplin capabilă să gestioneze orice tip de geometrie și încărcare, începând cu îmbinări simple, cum ar fi cele pentru sistemul tipic de contravântuire în V. Avantajul față de, să zicem, foile de calcul Excel constă în generarea rapidă a formei detaliului, posibilitatea de optimizare rapidă, controlul vizual complet și, nu în ultimul rând, analiza de flambaj!

Citiți mai multe despre flambaj nu doar pentru îmbinările de contravântuiri în articolul Flambajul necesită gândire critică! al autoarei Jana Kaderova.

Pe lângă cele standard, aplicația noastră și-a dovedit capacitățile și în fața unor îmbinări de nivel avansat. Aici intervine situația în care arhitectul își realizează visele, iar inginerul structurist trăiește un coșmar. Astfel de inele centrale pentru contravântuiri X sunt utilizate în multe variante, de la cele standardizate, fabricate și testate, până la cele complet personalizate, care necesită să fie pe deplin analizate și verificate conform codului.

În categoria contravântuirilor, vedem și unul dintre motivele frecvente pentru mesajele adresate serviciului nostru de asistență. Exemplele de mai sus arată, de asemenea, o îmbinare cu un singur șurub de la contravântuire la structură. Astfel, acest element nu poate prelua niciun moment, ci doar o forță normală și forțe de forfecare.

În software-ul pentru îmbinări metalice IDEA StatiCa Connection, parametrul elementului de contravântuire numit Tipul modelului trebuie schimbat din valoarea implicită N-Vy-Vz-Mx-My-Mz în N-Vy-Vz (fără momente). În caz contrar, va apărea o singularitate din cauza mecanismului format în jurul șurubului.

Soluție bine verificată

Cu câteva zile în urmă, în cadrul serviciului meu de asistență, rezolvam o problemă cu o îmbinare care era standard/non-standard. Aceasta depinde de punctul dumneavoastră de vedere. Modelul de îmbinare era un nod K sudat integral din secțiuni tubulare dreptunghiulare (RHS), iar clientul discuta despre capacitatea portantă mai mică a acestei îmbinări de contravântuire calculată în aplicația Connection față de calculele manuale.

În această parte a poveștii, este important să subliniem că soluția bazată pe CBFEM din software este pe deplin verificată la mai multe niveluri, inclusiv prin teste de laborator și numeroase exemple utilizate. Cu toate acestea, am reacționat cu o inspecție amănunțită a problemei și prin furnizarea unui model independent cu elemente finite compus din elemente solide 3D cu comportament elastoplastic neliniar geometric în software-ul midas FEA NX.

Ipotezele pentru ambele modele:

• Oțel S355 – diagramă bilineară cu consolidare
• Analiză neliniară geometrică și materială

În general, calculele manuale furnizate de cod tind să fie destul de conservative. În acest caz particular, situația este inversă, iar soluția cu elemente finite verificată de două ori, care oferă un model precis, afișează pur și simplu o capacitate mai mică cu aproximativ 20% în ambele modele numerice față de calculele manuale. În concluzie, aceasta se datorează deformațiilor spațiale și perforării grinzii principale.

Pe lângă aceasta, în Centrul nostru de asistență, printre lista de articole de verificare și cercetare, se află și unele care discută exclusiv contravântuirile.

Unul dintre acestea, Secțiuni tubulare dreptunghiulare, include și exemplul concret al nodului K sudat proiectat conform Eurocod. Lucrarea prezintă rezultatele cercetării privind compararea rezultatelor aplicației Connection față de metoda tradițională, cu alte cuvinte, rezistența determinată prin CBFEM față de FMM pentru nodul K uniplanar SHS.

Pentru codul american AISC, există câteva exemple de verificare pregătite de Mahamid Mustafa într-un proiect comun între Universitatea din Illinois din Chicago și IDEA StatiCa. Textul Îmbinare de contravântuire Chevron într-un cadru contravântuit (AISC), precum și celelalte, dezvăluie foarte bine conceptul sigur și eficient al metodei CBFEM.

Concluzie?

Vă mulțumim că ați acordat timp pentru a citi acest articol și sperăm să vă revedem în curând pe blogul IDEA StatiCa!

PS: Un quiz bonus 😊. Încercați să numărați câte contravântuiri metalice puteți găsi în galeria noastră de proiecte exemplu!

3,2,1,...

... bine, iată lista completă filtrată a acestora pentru descărcare, inspecție și utilizare gratuită.