เหตุใดความสามารถรับแรงจึงแตกต่างกันสำหรับการวิเคราะห์ความเค้น/ความเครียด และการวิเคราะห์ความแข็ง?

เมื่อใช้การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ เงื่อนไขขอบเขตมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในการวิเคราะห์พื้นฐานของ IDEA StatiCa Connection แบบ EPS (การวิเคราะห์ความเค้น/ความเครียด) โดยอุดมคติแล้ว จะมีเพียงปลายด้านเดียวที่รองรับ และแรงกระทำอยู่ในสภาวะสมดุล แต่การทำงานในการวิเคราะห์ความแข็งนั้นเป็นอย่างไร?

การวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด (EPS)

• จุดรองรับ: มีจุดรองรับแบบยึดแน่นหนึ่งจุด (จำกัดองศาอิสระทั้งหมด) เมื่อเปิดใช้งานการตั้งค่า Loads in equilibrium (แนะนำ) หากปิดการใช้งาน Loads in equilibrium จะมีจุดรองรับแบบยึดแน่นหนึ่งจุดสำหรับชิ้นส่วนที่มีปลายเปิด และสองจุดรองรับ (ที่ปลายทั้งสองด้าน) สำหรับชิ้นส่วนต่อเนื่อง นอกจากจุดรองรับแบบยึดแน่นสำหรับชิ้นส่วนรับแรงแล้ว อาจมีการเพิ่มจุดรองรับเพิ่มเติมโดยประเภทแบบจำลองสำหรับชิ้นส่วนอื่น
• แรงกระทำ: แรงกระทำถูกใช้กับชิ้นส่วนทั้งหมด ยกเว้นชิ้นส่วนหนึ่งที่ถูกเลือกเป็นชิ้นส่วนรับแรง 
• ความยาวชิ้นส่วน: ชิ้นส่วนประกอบด้วยองค์ประกอบเปลือกที่มองเห็นได้และองค์ประกอบแบบย่อที่ซ่อนจากผู้ใช้ โดยค่าเริ่มต้นความยาวขององค์ประกอบเปลือกเท่ากับ 1.25 เท่าของความลึกหน้าตัด องค์ประกอบแบบย่อขยายออกไปถึง 4 เท่าของความกว้างหน้าตัด
• นิยาม "ความสามารถรับแรง": แรงกระทำสูงสุดที่ปลอดภัยก่อนเกิดการวิบัติ

การวิเคราะห์ความแข็ง (ST)

• จุดรองรับ: ชิ้นส่วนทั้งหมด ยกเว้นชิ้นส่วนที่ถูกเลือกให้วิเคราะห์ จะถูกยึดแน่น
• แรงกระทำ: แรงกระทำถูกใช้กับเฉพาะชิ้นส่วนที่ถูกเลือกวิเคราะห์เพียงชิ้นเดียว
• ความยาวชิ้นส่วน: ความยาวชิ้นส่วนใน ST สั้นกว่าใน EPS ส่วนองค์ประกอบแบบย่อมีความยาวเพียง 2 เท่าของความลึกหรือความกว้างหน้าตัด แล้วแต่ค่าใดจะมากกว่า
• นิยาม "ความสามารถรับแรง": จุดที่ความแข็งลดลงถึงขีดจำกัดที่กำหนด ไม่ใช่จุดวิบัติ

เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ ลองพิจารณาการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบเชื่อมระหว่างคานและเสาอย่างง่ายนี้ 

การคำนวณ EPS ด้วย Loads in equilibrium แสดงให้เห็นการวิบัติของแผ่นเอวเสาในแรงเฉือน พร้อมกับความเข้มข้นของความเค้นสูงในแผ่นเอวเสาจากแรงตามขวางที่มาจากปีกคาน (ส่วนประกอบแผ่นเอวเสาในแรงอัดตามขวางและแรงดึง) ความต้านทานการดัดเท่ากับ 146 kNm

เมื่อดูผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ความแข็ง ความเค้น โดยเฉพาะในแผ่นเอวเสาในแรงเฉือน มีค่าต่ำกว่ามาก แม้ว่าจะมีแรงกระทำบนคานมากกว่า คือ 150 kNm เนื่องจากการคำนวณเป็นแบบไม่เชิงเส้น เราควรเปรียบเทียบความต้านทานการดัดสูงสุด ซึ่งค่าเหล่านี้แตกต่างกันเกือบ 20% เหตุใดจึงเกิดขึ้น? แบบจำลองการวิเคราะห์เบื้องหลังมีลักษณะอย่างไร?

ความแตกต่างระหว่างการวิเคราะห์ความเค้น/ความเครียด และการวิเคราะห์ความแข็ง

การวิเคราะห์ EPS อนุญาตให้แรงกระทำอยู่ในสมดุลทั่วทั้งจุดต่อ ในขณะที่การวิเคราะห์ ST ยึดชิ้นส่วนทั้งหมดไว้ ยกเว้นชิ้นส่วนที่กำลังวิเคราะห์ ความแตกต่างของเงื่อนไขขอบเขตนี้อาจนำไปสู่แรงภายในที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญภายในจุดต่อ ตัวอย่างเช่น ในการวิเคราะห์ ST ส่วนหนึ่งของแรงเฉือนที่กระทำบนแผ่นเอวเสาจะถูกรับโดยจุดรองรับด้านบนที่อยู่ใกล้เคียง ผลกระทบนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อเสาสั้นลง เนื่องจากจุดรองรับอยู่ใกล้กับจุดต่อมากขึ้น

มาดูแบบจำลองเบื้องหลังการคำนวณ EPS และ ST ใน SCIA Engineer กัน คุณจะเห็นความแตกต่างในจุดรองรับ การโหลด ความยาวชิ้นส่วน และแรงภายใน โดยจะมีชุดแบบจำลองสี่แบบเสมอ จากซ้ายไปขวา:

• แบบจำลองความแข็ง
• แบบจำลองความเค้น-ความเครียด
• แบบจำลองความแข็งที่ใช้เฉพาะปีกบนและปีกล่างเพื่อแทนคาน
• แบบจำลองความเค้น-ความเครียดที่ใช้เฉพาะปีกบนและปีกล่างเพื่อแทนคาน

(ละเว้นแผ่นเอวคานเพื่อประเมินอิทธิพลต่อแรงเฉือนในแผ่นเอวเสา)

คุณอาจแปลกใจกับแรงที่แตกต่างกัน แบบจำลอง IDEA StatiCa Connection แสดงแรงที่ Node ให้ผู้ใช้เห็น (หากไม่ได้เลือกเป็นอย่างอื่น) ใน SCIA Engineer แรงถูกใช้ที่ปลายชิ้นส่วน กล่าวคือ แรงเฉือนคงที่ที่ 50 kN และโมเมนต์ดัดค่อยๆ ลดลงจาก 150 kNm ที่ Node เหลือ 49 kNm ที่ปลายชิ้นส่วน

นี่คือแบบจำลองแบบแรเงาที่มองเห็นขนาดคาน:

นี่คือแบบจำลองโครงลวดพร้อมจุดรองรับ:

ที่นี่สามารถมองเห็นรูปร่างที่เสียรูปได้ สังเกตความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่าง ST และ EPS: ส่วนบนของเสาใน ST ถูกยึดแน่นและไม่อนุญาตให้มีการเคลื่อนที่หรือการหมุน

นี่คือแรงภายใน: ประการแรก โมเมนต์ดัด

ประการที่สอง พิจารณาแรงเฉือน สังเกตแบบจำลองสองแบบทางขวา: แรงเฉือนใน ST และ EPS มีค่า 317.39 kN และ 416.67 kN ตามลำดับ ความแตกต่างคือ 416.67/317.39=131% เปรียบเทียบกับความแตกต่างระหว่างความต้านทานการดัด: 172.9/145.95 = 118.5% แม้ว่าเปอร์เซ็นต์เหล่านี้จะไม่เท่ากัน แต่ความแปรผันของแรงเฉือนเป็นสาเหตุหลักของความแตกต่างในผลลัพธ์ระหว่างการวิเคราะห์ทั้งสอง

เมื่อใช้ IDEA StatiCa Connection สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าจุดรองรับถูกกำหนดอย่างไร เงื่อนไขขอบเขตที่ไม่ถูกต้องเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของข้อผิดพลาดในการออกแบบที่มีนัยสำคัญ และต้องได้รับการตรวจสอบอย่างรอบคอบเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง

สรุป

ค่าความสามารถรับแรงแตกต่างกันระหว่างการวิเคราะห์ ความเค้น/ความเครียด และ ความแข็ง ใน IDEA StatiCa เนื่องจากทั้งสองวัดสิ่งที่แตกต่างกัน การวิเคราะห์ความเค้น/ความเครียดแสดง กำลังที่แท้จริง ของการเชื่อมต่อ ว่าสามารถรับแรงได้เท่าใดก่อนเกิดการวิบัติ ในทางกลับกัน การวิเคราะห์ความแข็งมุ่งเน้นที่ ความยืดหยุ่นหรือความแข็งแกร่ง ของการเชื่อมต่อ ไม่ใช่เมื่อเกิดการวิบัติ

ดังนั้น หากคุณเห็นค่าความสามารถรับแรงที่แตกต่างกัน นั่นไม่ใช่ข้อผิดพลาด แต่เป็นเพียงสองวิธีที่แตกต่างกันในการมองพฤติกรรมของการเชื่อมต่อ ใช้ทั้งสองวิธีเพื่อให้ได้ภาพรวมที่สมบูรณ์: กำลัง และ ความแข็ง