การบิดเบี้ยวของชิ้นส่วน – แรงกระทำที่จุดศูนย์กลางแรงเฉือน

คำอธิบายของแบบจำลองการวิเคราะห์

การรวมองค์ประกอบแบบย่อในแบบจำลองการวิเคราะห์ทำให้ชิ้นส่วนมีความยาวมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ใน IDEA StatiCa Connection เวอร์ชัน 20.1 และต่ำกว่า ชิ้นส่วนจะมีความยาวเริ่มต้นที่ 1.5×h สำหรับหน้าตัดเปิด และ 2×h สำหรับหน้าตัดปิด ปลายของชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยองค์ประกอบเปลือกถูกเสริมความแข็งด้วยตัวเชื่อม ซึ่งใช้ในการถ่ายแรง ตัวเชื่อมเหล่านี้ทำให้ปลายชิ้นส่วนมีความแข็งในการต้านการบิดเบี้ยว

ใน IDEA StatiCa Connection เวอร์ชัน 21.0 และสูงกว่า องค์ประกอบแบบย่อจะถูกเพิ่มไว้ด้านหลังส่วนของชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยองค์ประกอบเปลือก องค์ประกอบแบบย่อมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับที่ประกอบด้วยองค์ประกอบเปลือกที่มีคุณสมบัติวัสดุแบบยืดหยุ่น ความยาวขององค์ประกอบแบบย่อคือ 4×h สำหรับประเภทการวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด แรงกระทำถูกใช้ที่ปลายขององค์ประกอบแบบย่อ ดังนั้นการเชื่อมต่อจึงได้รับผลกระทบจากการเสริมความแข็งน้อยลงมาก แบบจำลองมีประสิทธิภาพมากขึ้น และช่วยให้สามารถลดความยาวเริ่มต้นของชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยองค์ประกอบเปลือกเหลือ 1.25×h สำหรับทั้งหน้าตัดเปิดและปิด 

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้ในบทความ Condensed superelements - invisible but essential

นั่นหมายความว่าความยาวของชิ้นส่วนที่มีการตั้งค่าเริ่มต้นเพิ่มขึ้นจาก 1.5×h เป็น 5.25×h และจาก 2×h เป็น 5.25×h สำหรับหน้าตัดเปิดและหน้าตัดปิดตามลำดับ การบิดเบี้ยวพัฒนาตลอดความยาวของชิ้นส่วนตามทฤษฎีของ Vlasov และโมเมนต์การบิดเบี้ยวไม่เพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้น แต่เพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียล 

ดังนั้นในเวอร์ชันก่อนหน้า (20.1 และต่ำกว่า) โมเมนต์การบิดเบี้ยวมีผลกระทบน้อย แต่ขณะนี้อาจมีความสำคัญมาก โดยสูงกว่าประมาณ 6.5 เท่า หากการบิดเบี้ยวถูกยับยั้งในการเชื่อมต่อ แน่นอนว่าอัตราการใช้งานของแผ่นเหล็ก สลักเกลียว และรอยเชื่อมก็เพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน

โปรดทราบว่าโมเมนต์การบิดเบี้ยวขึ้นอยู่กับความยาวของชิ้นส่วน ตำแหน่งที่แรงกระทำ เงื่อนไขขอบเขตที่ปลายทั้งสองด้าน หรือจุดรองรับหรือแผ่นเสริมความแข็งระหว่างกลาง ดังนั้นผู้ใช้ควรตระหนักว่าโมเมนต์การบิดเบี้ยวยังคงมีความไม่แม่นยำอยู่ เพียงแต่ขณะนี้ชิ้นส่วนมีความยาวมากขึ้น จึงใกล้เคียงกับขนาดจริงมากขึ้นหากสามารถพิสูจน์การบิดได้

ชิ้นส่วนบิดเบี้ยวจริงหรือไม่?

คำถามสำคัญคือการบิดและการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วนเป็นไปได้จริงหรือไม่ บ่อยครั้งที่ปีกบนของชิ้นส่วนถูกยึดด้วยแผ่นพื้น ซึ่งยับยั้งการบิดของชิ้นส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในกรณีนั้น การบิดและการบิดเบี้ยวอาจถูกละเลยได้ และไม่จำเป็นต้องออกแบบชิ้นส่วนและการเชื่อมต่อให้ต้านทานแรงเหล่านี้ 

หากปีกบนของโครงหลังคาเหล่านี้ถูกยับยั้งการเคลื่อนที่ด้านข้างอย่างแท้จริง รูปแบบการวิบัตินี้ไม่มีความเกี่ยวข้อง และแรงภายในควรได้รับการปรับแก้ตามความเหมาะสม

จะกำจัดโมเมนต์บิดที่ไม่ต้องการได้อย่างไร?

มีสองวิธีในการละเลยโมเมนต์บิดใน Connection application

1. คำนวณโมเมนต์สมมูล
2. ใช้การดำเนินการ Lateral torsional restraint

มาดูแต่ละตัวเลือกทีละรายการ

การคำนวณโมเมนต์บิดสมมูล

ชิ้นส่วนทั้งหมดรับแรงผ่านจุดศูนย์ถ่วง สำหรับหน้าตัดที่มีความสมมาตรสองแกน (เช่น หน้าตัด I, H, RHS, CHS) จุดศูนย์ถ่วงอยู่ที่ตำแหน่งเดียวกับจุดศูนย์กลางแรงเฉือน หากแรงกระทำผ่านจุดศูนย์กลางแรงเฉือน แรงเฉือนจะไม่ก่อให้เกิดการบิดเพิ่มเติม 

อย่างไรก็ตาม สำหรับชิ้นส่วนอื่นที่มีแกนสมมาตรเพียงหนึ่งแกนหรือไม่มีเลย ตำแหน่งของจุดศูนย์กลางแรงเฉือนจะเลื่อนออกจากจุดศูนย์ถ่วง แรงเฉือนถูกใช้ผ่านจุดศูนย์ถ่วง และโมเมนต์บิดจะเกิดขึ้น โมเมนต์บิดนี้เท่ากับแรงเฉือนคูณด้วยระยะห่างระหว่างจุดศูนย์ถ่วงและจุดศูนย์กลางแรงเฉือน 

หากวิศวกรสันนิษฐานว่าชิ้นส่วนไม่สามารถหมุนได้ โมเมนต์บิดนี้ควรถูกสมดุลด้วยโมเมนต์บิดในทิศทางตรงข้ามในผลของแรงกระทำที่ใช้ โปรดทราบว่าโมเมนต์บิดที่ใช้สมดุลนี้จะแสดงในแรงที่ไม่สมดุลเมื่อใช้ตัวเลือก Loads in Equilibrium

ตอนนี้มาแสดงในตัวอย่างเชิงปฏิบัติ

เรามีการเชื่อมต่อที่มีคานรูปตัว U ดูหน้าตัด คุณลักษณะ และแรงกระทำในภาพด้านล่าง

ตัวอย่างเช่น คานนี้บิดตัวและแสดงแนวโน้มความเค้นและการเสียรูปที่ไม่สมจริง และการตรวจสอบตามมาตรฐานได้รับผลกระทบ ในความเป็นจริง คานถูกป้องกันการบิดตลอดความยาว ดังนั้นจึงไม่ควรมีผลกระทบดังกล่าว

เพื่อแก้ไขแบบจำลอง จะต้องคำนวณโมเมนต์บิดสมมูลในทิศทางตรงข้าม M'_x และเพิ่มเข้าไปในผลของแรงกระทำสำหรับชิ้นส่วนนี้ ในตัวอย่างนี้ สำหรับ LE1 จะต้องเพิ่มโมเมนต์ M'_x = V_z * y₀ = 1502 * 0,113 = 170 kNm เพิ่มเติม

โปรดทราบว่าการตัดสินใจว่าจะสมดุลการบิดหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับวิศวกร มีข้อกำหนดในมาตรฐานหรือสิ่งพิมพ์ที่อาจช่วยได้

การดำเนินการ Lateral torsional restraint

อีกวิธีหนึ่งในการทำให้ชิ้นส่วนมีเสถียรภาพคือการใช้การดำเนินการ Lateral torsional restraint

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับฟังก์ชันนี้ อ่านบทความต่อไปนี้:

• Lateral-torsional restraint สำหรับชิ้นส่วน
• Lateral-torsional restraint ในการออกแบบโครงสร้าง