Kondenzované superelementy - neviditelné, ale zásadní

Tento článek je dostupný také v dalších jazycích:
Co umožnilo, aby se nejrealističtější model přípoje choval ještě realističtěji?

Do vydání verze 21 neexistovalo mnoho způsobů, jak modelovat přípoje ocelových prvků realističtěji, než pomocí aplikace IDEA StatiCa. Přesto ale existovaly situace, kdy hodnoty napětí na hranách prvků byly nepřesné a neodpovídaly jejich skutečnému chování. Nebylo snadné najít správný způsob, jak zůstat soustředěný na návrh přípojů, řešit pouze oblast v blízkosti konstrukčního uzlu a zároveň vzít v úvahu chování ostatních připojených prvků.

Našemu týmu vývojářů se ale podařilo najít cestu. Model radikálně zvětšili přidáním částí prutů, které nejsou viditelné, ale jsou pro celý model zásadní. Tyto části se nazývají kondenzované superelementy a dělají veškerou tu těžkou práci k vylepšení chování modelu.

Tato změna má za následek, že konce prutů, které vidíme v modelové scéně, ve skutečnosti koncemi nejsou. V předchozích verzích byly koncové řezy zafixovány ve své rovině a často zde mohly vznikat nerealistické špičky napětí. Nyní mohou tyto průřezy deplanovat - mohou se deformovat nejen v rovině průřezu, ale také kolmo na tuto rovinu.

Vylepšený řešič CBFEM

Výsledky ukazují lepší shodu s experimenty a normovými vzorci zejména u přípojů trubkových profilů.

Na druhou stranu tato změna také znamená, že špičky napětí nacházející se původně v koncových částech se mohou a budou přesouvat blíže ke konstrukčnímu uzlu přípoje. Tím pádem mohou být v 'době kondenzovaných superelementů' u některých přípojů jejich komponenty vystaveny větším silám.

Tři výhody pro vás

Toto vylepšení přináší také velmi příjemné vedlejší účinky - části prutů simulované skořepinovými prvky mohou být nyní kratší. Hlavní výhody této změny jsou:

  • V průměru o 30 % rychlejší výpočty
  • Rychlejší vizualizace výsledků
  • Přesnější modelování spojů dutých profilů

Další nové funkce a vylepšení představené ve verzi 21 jsou uvedeny v našich podrobných Novinkách k verzi.

Nové délky prvků

Uživatelé IDEA StatiCa jsou zvyklí na výchozí délky prvků nastavené pro výpočetní model přípoje. Tyto délky byly závislé na typu průřezu (dutý / otevřený).

Nyní je výchozí délka pro oba typy nastavena na stejnou hodnotu 1,25 x výška průřezu. Délka kondenzovaných superelementů je 4 x výška průřezu pro standardní napětostní analýzu. Protože jsme chtěli zachovat vznik vlastních tvarů boulení uvnitř plechů přípoje a ne v prutech, je délka prvků pro lineární boulení a tuhostní analýzu  nastavena na 0,5 x výšku průřezu.

I když byly tyto změny původně provedeny za účelem zlepšení chování přípojů dutých profilů, pomohly přiblížit se skutečnému chování také u jiných typů přípojů.

Možná se ptáte, jaké jsou hlavní důsledky změn? Bezpochyby dojde k určitým změnám výsledků mezi verzemi. Ve velké většině přípojů jsou však rozdíly ve výsledcích pod 1 %.

Případy s většími rozdíly poukazují na téma, kde se praxe dostává do střetu s teorií. Toto téma se týká účinků kroucení na profily s otevřeným průřezem. Z několika důvodů jsou tyto účinky stavebními inženýry často zanedbávány a nejsou ani implementovány do aplikací pro globální FEM analýzu.

Účinky kroucení

I když se nejedná o raketovou vědu, úplně triviální téma to také není. Takže přibližme trochu teorie:

V závislosti na typu otevřeného průřezu, okrajových podmínkách prutu a typu zatížení mohou nastat dva druhy torzního chování s ohledem na Vlasovovu hypotézu:

  • Prosté (St. Venantovo) kroucení 
  • Vázané kroucení kombinující prosté a ohybové kroucení
          • prosté kroucení je charakterizováno vnitřní silou Tt (prostý kroutící moment) s výsledným čistým torzním smykovým napětím τt
          • ohybové kroucení je charakterizováno vnitřními silami B (bimoment) a Tw (ohybový torzní moment) s výsledným normálovým (podélným) napětím σw a ohybovým torzním smykovým napětím τw

Ve výpočetních modelech předchozích verzí bylo ohybové kroucení zachyceno vícebodovými vazbami spojujícími uzel s koncem prutu. Tyto vazby se používají k přenosu zatížení do modelu. Nový kondenzovaný superelement posouvá vazby dále a prvek se tedy může v koncovém řezu deformovat. To má za následek větší bimoment v přípoji.

Zde vidíte několik příkladů přípojů, kde tyto změny vedly k výrazně rozdílným výstupům:

Zárodek prutu zatížen kroutícím momentem


Jednostranné připojení nosníku na příčel přes čelní desku


Přípoj nosníku na sloup

Pokud řešíte takové případy a zejména porovnáváte-li výsledky mezi verzemi, měli byste mít na paměti, že výpočtové modely nejsou stejné. Pruty jsou delší a přípoj jako celek je měkčí. Takže lze očekávat rozdíly ve výsledcích u některých spojovacích prvků.

Vždy byste si však nejdříve měli zkontrolovat některá nastavení, abyste se vyhli nesprávným výstupům. Od verze 21 je důležitější než kdykoliv předtím používat funkci „Zatížení v rovnováze“.

Je možné, že budete v nejnovější verzi potřebovat zkontrolovat model přípoje vytvořené v některé ze starších verzí. Pak byste neměli zapomenout nastavit parametry v nastavení 'Normy' na nové výchozí hodnoty, abyste nemíchali jablka s hruškami.

Každopádně, pokud si chcete být 100% jisti, že vaše aplikace IDEA StatiCa verze 21 pracuje s nejlepšími možnými daty, vymodelujte celý výpočetní model ve verzi 21 úplně od začátku.

Pokud vás zajímá teoretické pozadí všech vylepšení uvedených ve verzi 21, v tomto článku z našeho Centra podpory najdete velmi užitečné a vyčerpávající informace připravené našimi specialisty. 

Byl tento článek užitečný?