CBFEM - jak funguje, shoda s normami, validace a verifikace

CBFEM je jedinečná metoda pro navrhování a posouzení ocelových přípojů, prutů a kotvení. Lze ji použít pro většinu spojů, kotvení a detailů s různou topologií.

Metoda CBFEM (Component Based Finite Element Method) je:

• Dostatečně obecná, aby se dala použít pro většinu spojů, kotvení a detailů v inženýrské praxi.
• Dostatečně jednoduchá a rychlá v každodenní praxi, aby poskytovala výsledky v čase srovnatelném se současnými metodami a nástroji.
• Dostatečně komplexní, aby stavebním inženýrům poskytla jasné informace o chování přípoje, napětí, deformaci, rezervách jednotlivých součástí a o celkové bezpečnosti a spolehlivosti.

Posouzení styčníku ve standardní komponentní metodě založené a v CBFEM použité v IDEA StatiCa Connection je založeno na posudku všech částí spoje - komponent. Komponenty mohou být šrouby, kotvy, svary, plechy a beton u kotvení. 

CBFEM rozdělí celý styčník na výše uvedené oddělené komponenty. Z každé komponenty pak software automaticky vytvoří analytický model.

Vlastní posouzení se sestává ze dvou kroků:

1. Vypočítají se síly v jednotlivých částech / komponentech styčníku
2. Jednotlivé komponenty se posoudí podle vzorců v normě

Výpočet sil

CBFEM implementovaná v IDEA StatiCa Connection zjednodušuje chování jednotlivých komponent. Jak?

Model se skládá z prutů, na které působí zatížení, a výrobních operací (včetně ztužujících prvků), které slouží k vzájemnému spojení prutů. 

Analyzovaný FEM model se generuje automaticky. Konstruktér nevytváří model FEM, ale vytváří přípoj pomocí výrobních operací.

Díky tomu se síly počítají bez zjednodušujících předpokladů. A počítají se i další vlivy, jako je vzájemné působení prvků atd. 

Navíc díky zohlednění skutečné tuhosti komponent zahrnují výsledky i páčení. Nic není zanedbáno.

Posouzení a vyhodnocení výsledků

Pevnostní analýza je nejdůležitější analýzou přípojů. Kontrola deformace plechů spolu s normovými posudky komponent se provádějí pomocí elasticko-plastické analýzy.

Analýza styčníků je materiálově nelineární. Přírůstky zatížení se aplikují postupně a hledá se stav napětí.

Posudek plechů

Plechy jsou modelovány s pružně-plastickým materiálem s jmenovitým sklonem meze kluzu podle normy EN 1993-1-5, odst. C.6, (2), tan^-1 (E/1000). 

Chování materiálu je založeno na von Misesově kritériu meze kluzu. Předpokládá se, že je pružný před dosažením návrhové meze kluzu f_yd.

Kritériem mezního stavu únosnosti pro oblasti, které nejsou náchylné k boulení, je dosažení mezní hodnoty hlavní deformace membrány. Doporučuje se hodnota 5 % (např. EN 1993-1-5, App. C, Par. C.8, Pozn. 1).

Specifické části Teoretických základů pro každý z podporovaných národních standardů:

• Posudky plechů dle EN (Eurokód)
• Posudky plechů dle AISC (American standard)
• Posudky plechů dle CISC (Canadian standard)
• Posudky plechů dle (Australian standard)
• Posudky plechů dle IS (Indian standard)
• Posudky plechů dle GB (Chinese standard)
• Posudky plechů dle HKG (Hong Kong Code of Practice)
• Posudky plechů dle SP (Russian standard)

Posudek ostaních částí

Posudky pro spočtené síly se provádějí podle stejných rovnic jako v normě. Rovnice použité pro šrouby, kotvy, svary a betonový blok jsou uvedeny v aplikaci a lze si je důkladně zkontrolovat.

Posudky šroubů

Šrouby jsou v IDEA StatiCa Connection posouzeny podle příslušných norem. Další informace naleznete v článku Šrouby a šroubové spoje.

Posudky svarů

Také v případě svarů se posudky provádí podle příslušných norem.

Podrobné informace o kontrole svarů v aplikaci Connection naleznete v článku Svar/Svary v IDEA StatiCa.

Posudky betonového bloku

Principy výpočtu betonového bloku jsou vysvětleny v článku Konstrukční model betonového bloku. 

Specifické části Teoretických základů pro každý z podporovaných národních standardů:

• Posudky betonového bloku dle EN (Eurokód)
• Posudky betonového bloku dle AISC (American standard)
• Posudky betonového blokudle CISC (Canadian standard)
• Posudky betonového bloku dle AS (Australian standard)
• Posudky betonového bloku dle IS (Indian standard)
• Posudky betonového bloku dle GB (Chinese standard)
• Posudky betonového bloku dle HKG (Hong Kong Code of Practice)
• Posudky betonového bloku dle SP (Russian standard)

Jak může být CBFEM v souladu s normou a zároveň s reálným chováním konstrukce?

Návrhová metoda konečných prvků (CBFEM) je optimalizována tak, aby poskytovala výsledky relevantní pro normové posouzení a zároveň pokrývala chování skutečné konstrukce. Současně zohledňuje bezpečnostní rezervu definovanou normou.

Podívejte se na video a najděte odpovědi na své otázky.

Klíčové vlastnosti analýzy CBFEM

Slyšeli jste někdy zkratky MNA nebo GMNA implementované v softwaru, ale nejste si jisti, co znamenají? Vlastnosti analýzy, nelinearita materiálu nebo geometrie. Co doporučuje a provádí CBFEM?

Podívejte se na následující video a seznamte se s přístupy.

Validace a verifikace

Původně dva univerzitní týmy strávily více než tři roky ověřováním a validací metody CBFEM. 

Postupem času bylo ve spolupráci s univerzitami z celého světa (USA, Nizozemsko, Německo, Švýcarsko, Jižní Amerika a další) provedeno několik nových ověřovacích studií.

Co přesně znamená validace a verifikace? Proces validace a verifikace potvrzuje, že výsledky softwaru jsou správné. 

Verifikace je porovnání s analytickou metodou, která je nejčastěji součástí stavebních předpisů (např. AISC, EN atd.).

Analytické metody v normách jsou zatíženy zjednodušeními a pro komplikované přípoje se mohou výsledky mezi normou a CBFEM lišit, zejména na hranicích rozsahu platnosti. V takovém případě porovnání CBFEM s pokročilým modelem ověřeným experimenty dokazuje, že CBFEM je bezpečný, i když je odolnost vyšší, než určuje norma. 

Validace je porovnání numerického modelu s experimentem. 

Numerický model je často velmi pokročilý a zahrnuje materiálové a geometrické nelinearity. Geometrie a materiálové vlastnosti jsou stejné jako ty, které byly naměřeny v experimentu. Pokud se výsledky - typicky křivky zatížení-posunutí a napětí-deformace - numerického modelu blíží výsledkům experimentu, je numerický model validován. Materiálové vlastnosti numerického modelu se pak změní na jmenovité hodnoty, zvětší se imperfekce podle výrobních tolerancí a může se provést několik studií citlivosti změnou parametrů, např. tloušťky desek, meze kluzu materiálu. 

Nakonec jsou výsledky numerického modelu porovnány s výsledky CBFEM. Výsledky se nemusí dokonale shodovat, ale výsledky musí být bezpečné a rozdíly v přijatelném rozmezí. 

Nejdůležitější příklady verifikace a validace byly publikovány v knize "Component-based finite element design of steel connections."

V našem Centru podpory najdete mnoho verifikačních studií a srovnání s laboratorními testy. Najdete je pomocí níže uvedeného odkazu.

Verifikační studie