Consolidarea contravântuirii longitudinale (EN)

Contravântuirea longitudinală este un element fiabil și utilizat pe scară largă în structurile metalice de tip hală. Datorită calculelor precise oferite de simularea IDEA StatiCa Member, inginerii pot acum reduce estimările privind lungimea de flambaj și pot lua în considerare efectul îmbinărilor excentrice asupra comportamentului general al contravântuirii.

Informații de bază despre structură

Hala are 8,3 metri lățime, 22,6 metri lungime și 2,3 metri înălțime. Elementul critic pentru analiză este un profil SHS 50x50x3 mm sudat la IPE 180 pe o placă de nod excentrică.

Calcul manual - rezistență la forță axială și încovoiere 

Pentru a efectua o analiză avansată, este esențial să se calculeze manual și să se înțeleagă comportamentul elementului critic. Calculul manual este realizat utilizând EN 1993-1-1. În calcul se iau în considerare forța axială de calcul și momentele încovoietoare cauzate de excentricitatea plăcii de nod și greutatea proprie. Greutatea proprie are un efect minor asupra verificării conform codului și a gradului de utilizare. Acest caz de încărcare va fi neglijat în abordarea prin MEF.

Calcul manual - rezistență la forță axială și încovoiere

Pe baza abordării prin calcul manual, este evident că verificarea stabilității elementului la compresiune combinată cu încovoiere nu este satisfăcută. Gradul de utilizare este de 145%. 

Imperfecțiunile calculului manual:

• Ipotezele de calcul consideră îmbinări articulate și nu iau în considerare rigiditatea reală a îmbinărilor.
• Estimarea lungimii critice se bazează pe configurația îmbinărilor, fără a lua în considerare rigiditatea reală.
• Nu există o reprezentare vizuală a comportamentului modelului. Trebuie să vă bazați orbește pe ecuație, în special pe coeficientul introdus.
• Punctul critic al structurii poate fi trecut cu vederea din cauza ipotezelor introduse. 
• Ipotezele inițiale incorecte ale inginerilor fără experiență (tineri) pot duce la erori fatale.
• Determinarea unor coeficienți în abordarea conform codului de proiectare este complicată în anumite cazuri, în special pentru coeficienții C_my, C_mz și C_mLT.

Model neconsolidat 

Proiect nou

Lansați IDEA StatiCa-->Steel-->Member.

Urmați pașii necesari pentru a crea un model de bază care poate fi ajustat și îmbunătățit ulterior.

Proiectare

Element de reazem rigid

Pentru a activa un element de reazem rigid, selectați pur și simplu CON1 și CON2, apoi bifați caseta de selectare din grila de proprietăți.

Puteți observa cum este afișat elementul de reazem rigid în scenă. Următorul pas este eliminarea tuturor încărcărilor din model.

Încărcare

Contravântuirea longitudinală este încărcată axial. Forța de compresiune de calcul de -38,7 kN este raportată la capătul elementului analizat.

Greutatea proprie a structurii are un efect minor asupra comportamentului, datorită greutății reduse a elementului. Această încărcare este neglijată.

Condiție la limită

Placa de nod este sudată la IPE 180. Pentru a simula o condiție la limită similară, asigurați-vă că selectați că toate cele șase grade de libertate sunt blocate pentru CON1.

Eliberați rezemarea în direcția locală X pentru CON2 datorită încărcării axiale predefinite în fila Load.

Îmbinare

Acum este momentul să creați îmbinările. Alegeți CON1 și Edit connection.

Editați CON1 și creați îmbinarea. Selectați operația de fabricație Connecting plate și setați parametrii.

Fereastra IDEA StatiCa Connection se va deschide în câteva secunde. Construiți îmbinarea pas cu pas adăugând operația necesară. Adăugați operația de fabricație Connecting plate CPL1 și setați parametrii acesteia conform figurii de mai jos.

În pasul următor, ajustați geometria plăcii de limbă și a plăcii de nod în editorul de plăci.

Acum puteți închide și salva CON1.

CON1 este configurat. Acum faceți clic pe CON2 și, utilizând funcția Recent connection, aplicați aceeași îmbinare la CON2 și deschideți îmbinarea în IDEA StatiCa Connection.

Schimbați Alignment la Rear datorită excentricității inverse a plăcii de nod în rostul CON2.

Vederea de sus a modelului final va arăta astfel:

Verificare

Analiza Neliniară de Material

Analiza Neliniară de Material (MNA) ține cont de plasticitatea materialului și oferă informații valoroase despre tensiunea echivalentă și deformația plastică a modelului. Această analiză nu se concentrează pe verificarea conform codului a șuruburilor și sudurilor, deoarece acestea ar trebui verificate în modelul separat de îmbinare.

Treceți la fila Check și rulați MNA.

Puteți activa Equivalent stress și verifica rezultatele pe întreg elementul. Punctul critic de tensiune este detectat la nivelul îmbinării în sine.

Deformațiile indică încovoierea cauzată de excentricitățile îmbinărilor de pe ambele laturi și tensiunile suplimentare.

Analiza Liniară de Flambaj

Analiza de flambaj este un instrument de neprețuit pentru anticiparea cedării structurii sub încărcări de compresiune. Aceasta evaluează stabilitatea și estimează capacitatea portantă critică înainte de flambaj sau colaps. Această metodă este esențială pentru asigurarea integrității și siguranței structurale.

Rezultatele analizei: 

• Factorul alfa critic 
• Forme de flambaj

Analiza Liniară de Flambaj (LBA) furnizează mai multe rezultate esențiale. Prima formă de flambaj indică o pierdere redusă a stabilității cu un factor de 1,63 x N_ed. Cu toate acestea, a doua formă de mod, datorită secțiunii transversale simetrice ortogonale, atinge un factor mai ridicat de 1,90. Este important să se țină cont de interacțiunea reciprocă a modurilor în analiza ulterioară.

Pentru a începe cu Analiza Geometrică și Materială Neliniară cu Imperfecțiuni (GMNIA), starea inițială trebuie setată ca imperfecțiune locală. Conform EN 1993-1-1, Cl. 5.3.2 (3), imperfecțiunea locală trebuie aleasă cu atenție. Înainte de introducerea imperfecțiunilor, este necesară o permutare a opțiunilor cu semne variabile pentru a le selecta pe cele critice (2). Numai imperfecțiunile care indică un grad de utilizare critic trebuie utilizate pentru analiza finală (3). Este important să fiți meticulos în selectarea imperfecțiunilor pentru a asigura o analiză precisă și fiabilă.

Analiza Geometrică și Materială Neliniară cu Imperfecțiuni

GMNIA este un tip de analiză utilizat în inginerie pentru a studia comportamentul structurilor sub încărcări extreme. Această analiză ține cont atât de neliniaritatea geometrică (modificări de formă), cât și de neliniaritatea materialului (modificări ale proprietăților materialului) ale unei structuri, precum și de orice imperfecțiuni sau deformații inițiale prezente în structură. Luând în considerare acești factori, inginerii pot înțelege mai bine cum se va comporta o structură sub încărcare și pot lua decizii informate privind proiectarea și siguranța acesteia.

Analiza caută echilibrul în fiecare increment utilizând forma deformată inițială din imperfecțiunea LBA. Dacă echilibrul nu poate fi găsit, calculul se oprește.

• Neliniaritatea materialului apare atunci când materialul nu mai poate să se deformeze elastic și începe să curgă plastic, provocând o schimbare în comportamentul său.
• Problemele de stabilitate apar atunci când structura nu poate efectua iterații suplimentare din cauza lipsei de echilibru și a atingerii unui punct de bifurcație.

Rulați GMNIA. Rezultatele demonstrează că elementul și-a pierdut stabilitatea. Calculul s-a oprit înainte de atingerea potențialului de plasticitate.

Deformații

Concluzie pentru partea neconsolidată

Rezultatele analizei confirmă ipotezele inițiale făcute în timpul calculului manual. Calculul manual arată că gradul de utilizare este de 145%, ceea ce este destul de ridicat. Cu toate acestea, calculul a fost oprit la 91,4% de GMNIA din cauza unei probleme de stabilitate. Este de remarcat că potențialul de plasticitate nu a fost atins. Comparativ cu ipotezele noastre, valoarea gradului de utilizare din GMNIA este de 1/0,914 = 109%.

Pentru a asigura stabilitatea, se recomandă consolidarea modelului. Datorită dificultății de înlocuire a elementelor în hala existentă, accentul va fi pus pe consolidarea acestora. IDEA StatiCa Member va acoperi procesul de consolidare a elementelor.

Model cu consolidare

Secțiunea transversală existentă va fi consolidată utilizând o altă secțiune cuplată prin șuruburi. 

Copierea proiectului existent

Cel mai simplu mod de a începe este prin duplicarea modelului curent, inclusiv toate materialele, procesele de fabricație și schemele statice prestabilite.

Proiect nou

Lansați IDEA StatiCa-->Steel-->Member și deschideți modelul care a fost copiat.

Proiectare

Modificați elementul analizat AM1(1). Definiți New Section(2)-->mergeți la General Section Designer(3)
-->Importați secțiunea predefinită (4)-->Selectați General_Section.ideaGcss(5).

Acesta este șablonul secțiunii generale predefinite. Secțiunea originală a fost consolidată utilizând secțiunea CFomega.

Modelul de mai jos prezintă structura creată. Cu toate acestea, un avertisment crucial este că elementul cuprinde secțiuni formate la rece care nu pot fi sudate, ceea ce înseamnă că secțiunea nu poate fi cuplată și integritatea nu este garantată.

Secțiunile se comportă independent. 

Înainte de editarea elementului, creați un ansamblu definit de utilizator pentru șurubul M6, care nu se află în biblioteca standard. Mergeți la Materials-->Bolt assembly-->Editați parametrii conform tabelului de mai jos-->Salvați ca Hilti M6.

Adăugați un nod intermediar pentru a conecta cele două secțiuni independente cu șuruburi, cu Absolute positions setate la 1,5 m de la începutul elementului. Editați CON3.

Îmbinare

CON3 permite utilizatorului să creeze o îmbinare șurubată de-a lungul întregii lungimi a grinzii. Alegeți operația Fastener grid or Contact a producătorului.

Introduceți proprietățile și dispunerea șuruburilor conform recomandării de mai jos:

Acesta este aspectul modelului în aplicația Member.

Verificare

Analiza Neliniară de Material

Treceți la fila Check și rulați MNA. Analiza vă va arăta zonele care suferă plasticitate și experimentează tensiunea maximă.

Deformația demonstrează că elementul conlucrează datorită cuplării prin șuruburi. 

Analiza Liniară de Flambaj

Lansați calculul pentru Analiza Liniară de Flambaj. Prima formă de flambaj s-a modificat datorită consolidării secțiunii, aceasta fiind un mod de încovoiere pură în direcție verticală. Factorul de flambaj a crescut.

În a doua formă de mod, există o apariție simultană a încovoierii laterale și a distorsiunii secțiunii la ambele capete ale grinzii.

Deoarece factorii de flambaj sunt apropiați între ei, crearea interacțiunii modurilor garantează captarea tuturor deformațiilor posibile sub presiune. Sunt necesare patru combinații de imperfecțiuni pentru a crea interacțiunea reciprocă a două moduri de flambaj.

Modalitatea practică de identificare a combinațiilor critice de moduri este supraîncărcarea modelului. Aceasta va evidenția indicii precum deformația plastică, deformațiile sau calculele GMNIA nefinalizate (abordarea pentru un model neconsolidat).

 Analiza Geometrică și Neliniară cu Imperfecțiuni

După selectarea atentă a imperfecțiunilor și rularea GMNIA, punctul critic la nivelul îmbinării a fost identificat prin tensiunea echivalentă. Este o dovadă bună a proiectării că analiza a atins 100% finalizare fără probleme de stabilitate, asigurând siguranța elementului și a tuturor componentelor sale.

Pe baza neliniarității geometrice și a formei imperfecte din pasul anterior de analiză, puteți observa evoluția săgeții de ordinul doi.

Raport

Faceți clic pe fila Report pentru a genera automat un rezumat al pașilor de analiză și al verificărilor conform codului, care poate fi salvat ca document PDF sau Word.

Rezumat 

Acest tutorial își propune să ofere cititorilor o înțelegere cuprinzătoare a procesului de evaluare a structurilor, cum ar fi contravântuirea longitudinală, utilizând atât calcule manuale, cât și MEF. Comparația dintre verificarea conform codului prin calcule manuale și analiza avansată prin MEF va permite cititorilor să ia decizii informate și să obțină informații valoroase despre diferențele dintre cele două abordări.

Concluzii: 

• Calculele manuale sunt un instrument excelent pentru proiectarea preliminară.
• Estimarea lungimii critice se bazează pe configurația îmbinărilor, fără a lua în considerare rigiditatea reală.
• Ipotezele inițiale au fost confirmate prin analiza avansată MEF, iar funcționalitatea modelului este reprezentată vizual.
• Neglijarea rigidității rostului, a excentricității și a derivărilor complexe din cod poate duce la erori și rezultate înșelătoare.