Merevítő kapcsolatok és IDEA StatiCa

Ez a folytatása a rácsszerkezeteket vizsgáló cikknek, amelyet kollégám – Ralph Pullinger – írt. Először is, az alapvető kérdés: mi a különbség a merevítés és a rácsszerkezet között? Ahogy sejtheti, ezek a témák kissé átfednek egymással. 

Lényegében a merevítő egy egyedi szerkezeti elem, amely támaszt, erősít vagy megerősít valamit, míg a rácsszerkezet általában a szerkezet egy teljes része, és sok elemből áll. Más szóval, a merevítés egy rácsszerkezet része lehet. Természetesen egyes rácsszerkezetek szükségszerűen igényelnek merevítőket a teljességhez – különösen a lakóépítési piacon. Egyes rácsszerkezeteken belül még az elemek is merevítőként működnek.

De hol találhatók, és a merevítési rendszert csak acélszerkezetekben alkalmazzák? Egyáltalán nem. Általában acél- és faváz-épületekben egyaránt megtalálhatók. Betonváznál kevésbé, hacsak nincs különleges ok, például felújítás vagy megerősítés.

Acélszerkezetekben alkalmazott merevítési rendszerek

Az acél szerkezeti rendszerekben a merevítőt általában úgy definiálják, mint amely csak tengelyirányú terhet vesz fel (nyomást vagy húzást). Ha egy merevítő nyomatékot is felvenne, akkor azt gerendaként vagy oszlopként kellene meghatározni. A merevítők nem korlátozódnak a vízszintes vagy függőleges tengelyre. Ferde síkokban is alkalmazzák őket (például tetősíkban). A merevítők mindig erőket adnak át. Elsősorban arra szolgálnak, hogy a vízszintes terheket, például a szelet egy tartószerkezethez – általában az alapozáshoz – vezessék le.

A merevítők huzalok, szalagok, szögacélok, rudak, zárt szelvények, sőt I-szelvények formájában is megjelenhetnek. Hagyományosan mindig rejtettnek tervezték őket, de számos példa van arra is, hogy láthatóan és esztétikusan kialakítva alkalmazzák őket.

A merevítések és merevítő kapcsolati részletek homlokzaton való megjelenítésének szép példáját – az építészeti és szerkezeti mérnöki szimbiózist – Spanyolországban találjuk, a ma Hotel Arts Barcelona néven ismert épületen. Itt a szerkezeti acél kapcsolatok szinte kézzel érhetők és a szálloda vendégei által megfigyelhetők. Nézze meg, hogyan végeztük el ezt a merevítő tervezési számítást egyik webináriumunkon.

A 2D tervezés régi napjaiban (mind analóg, mind digitális formában), és az általuk elfoglalt sík miatt, a merevítőket gyakran elfelejtették, amíg észre nem vették, hogy (véletlenül) egy ablak elé kerülnek, vagy ajtóhozzáférést blokkolnak. Hányan emlékeznek ezekre a helyzetekre?

Most, a BIM megjelenésével, ezek a koordinációs problémák szinte eltűntek (remélhetőleg). A végeselem-módszer elterjedése szintén hatékonyabb anyagfelhasználást eredményezett, és a szigorúbb elemzési módszerek lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy a merevítési rendszereket oda helyezzék, ahol jobban működnek.

Legegyszerűbb formájában a merevítő egy olyan szerkezeti elem, amely egyik helyről a másikra vezet. Lehet egyedi merevítő, vagy egy nagyobb merevítési rendszer része, amely mintát alkot. Természetesen a szerkezetekben alkalmazott merevítési rendszerek teljes választéka megtalálható, a jellemzően használt X-merevítőktől az építészeti követelményeket figyelembe vevő fejlett rendszerekig.

A mérnök képzése és tapasztalata általában elvezeti a megfelelő merevítési pozíciók és formák megtalálásához. Ez az elemzéssel tovább finomítható. Az elemzés során az olyan további hatásokat, mint az excentricitások, elhanyagolhatónak feltételezik. Ahogy mindig fenntartom – a mérnök szereti az egyszerűséget.

A globális szerkezeti elemzésben (2D vagy 3D keretek), látni fogja, hogy a gerendák, oszlopok és merevítők mind egy csomópontban találkoznak. A valóságban ez nem lehet így, mivel mindig van némi excentricitás. Ez szintén modellezhető a végeselem-módszerben és a BIM-ben, hogy ezeket a hatásokat figyelembe vegyék – általában egy kis fel/le vagy bal/jobb eltolás elegendő.

Olvasson többet Jan Kubicek blogjában a szerkezeti excentricitásokról és azok problémáiról – Mi van, ha nem a megfelelő irányba megy?

Merevítő kapcsolatok típusai acélszerkezetekben

Most van egy sor merevítőnk, amelyek felvehetik a tervezési terhet – hogyan csatlakoztatjuk őket a főszerkezethez? Itt jön be a részlettervezők művészete és tudása. Mik a korlátok itt? Egyszerűen fogalmazva, hányféle kapcsolattípust tárol az acélszerkezetekben a részlettervező a hippokampuszában, természetesen a kreativitása, de az is, hogy mik a használt szoftvereszközök korlátai?

Számos tipikus elrendezési példa létezik erre a feladatra. A legtöbb nem emelkedik ki a tömegből, de néhány igen. Az alábbi példa a Homlokzati kapcsolatok a Midland Metropolitan kórháznál esettanulmányból és webináriumból származik.

Az ügyfél különlegessé akarta tenni a merevítési rendszert, és az IDEA StatiCa segítségével funkcionális és esztétikus kapcsolatot hozott létre.

Ez egy remek példa arra, hogyan tudná az IDEA StatiCa felhasználni mind a geometriai modellt (BIM) például a Tekla Structures-ből az elemek elhelyezéséhez és a különböző lemezek alakjaihoz, valamint a teherhatásokat a végeselem-módszer segítségével például a SCIA Engineer-ből (más CAD és végeselem megoldások is elérhetők😊). De hé, ez tényleg lehetséges!

Merevítő kapcsolati részletek az IDEA StatiCa-ban

A kapcsolattervezési és szabványellenőrzési alkalmazás, az IDEA StatiCa Connection természetesen teljes mértékben képes bármilyen geometria és terhelés kezelésére, kezdve az egyszerű kapcsolatokkal, mint például a tipikus V-merevítési rendszer esetén. Az erős oldal itt az Excel-táblázatokhoz képest a részlet alakjának gyors generálása, a gyors optimalizálás lehetősége, a teljes vizuális ellenőrzés, és nem utolsósorban a kihajlás-elemzés!

Olvasson többet a kihajlásról nem csak merevítő kapcsolatok esetén, Jana Kaderova A kihajlás kritikus gondolkodást igényel! című cikkében.

A szabványos megoldások mellett alkalmazásunk főnök szintű kapcsolatokkal szemben is bizonyította képességeit. Itt jön a játékba, ahol az építész megvalósítja édes álmait, és a statikus mérnök rémálmot él át. Az ilyen X-merevítő középső gyűrűket számos változatban alkalmazzák, a szabványosított, gyártott és tesztelt megoldásoktól az abszolút egyedi, teljes elemzést és szabványellenőrzést igénylő megoldásokig.

A merevítők témakörén belül az egyik leggyakoribb oka az ügyfélszolgálatunkhoz érkező üzeneteknek is megjelenik. A fenti példák szintén mutatnak egy egybultos kapcsolatot a merevítőtől a szerkezetig. Mint ilyen, ez a szerkezeti elem nem vehet fel nyomatékot, csak normálerőt és nyíróerőket.

Az IDEA StatiCa Connection acél kapcsolattervező szoftverben IDEA StatiCa Connection, a merevítő szerkezeti elem Modell típus nevű paraméterét az alapértelmezett N-Vy-Vz-Mx-My-Mz-ről N-Vy-Vz-re (nyomatékok nélkül) kell módosítani. Ellenkező esetben szingularitás lép fel a csavar körül kialakuló mechanizmus miatt.

Alaposan ellenőrzött megoldás

Néhány nappal ezelőtt, az ügyfélszolgálati feladataim részeként, egy szabványos/nem szabványos kapcsolattal kapcsolatos problémát oldottam meg. Ez a nézőponttól függ. A kapcsolati modell egy egyszerű, teljesen hegesztett zárt szelvényű (RHS) K-csomópont volt, és az ügyfél a Connection alkalmazásban kiszámított merevítő kapcsolat alacsonyabb teherbírásáról vitatkozott a kézi számításokhoz képest.

A történet ezen részében fontos megjegyezni, hogy a szoftverben alkalmazott CBFEM-alapú megoldás több szinten is teljes mértékben ellenőrzött, beleértve a laboratóriumi teszteket és számos felhasznált példát. Ennek ellenére alapos vizsgálattal reagáltunk a problémára, és egy 3D szilárd elemekből álló független végeselem-modellt biztosítottunk geometriailag nemlineáris elasztoplasztikus viselkedéssel a midas FEA NX szoftverben.

Mindkét modell feltételezései:

• S355 acél – bilineáris diagram keményedéssel
• Geometriai és anyagi nemlineáris elemzés

Általában a szabvány által biztosított kézi számítások inkább konzervatívak. Ebben az esetben fordítva van, és a kétszeresen ellenőrzött, pontos modellt biztosító végeselem-megoldás egyszerűen kb. 20%-kal alacsonyabb kapacitást mutat mindkét numerikus modellben a kézi számításokhoz képest. Összefoglalva, ez a térbeli deformációknak és a főgerenda átlyukadásának köszönhető.

Emellett a Támogatási központban az ellenőrzési és kutatási cikkek listájában olyanok is találhatók, amelyek kizárólag a merevítőkkel foglalkoznak.

Az egyikük, a Téglalap keresztmetszetű zárt szelvények, szintén tartalmazza a hegesztett K-csomópont Eurocode szerint tervezett példáját. A munka bemutatja a Connection alkalmazás eredményeinek összehasonlítását a hagyományos módszerrel, más szóval a CBFEM által meghatározott ellenállást az FMM-mel az egysíkú SHS K-csomópontra vonatkozóan.

Az amerikai AISC szabványhoz néhány ellenőrzési példát készített Mahamid Mustafa a Chicagói Illinois Egyetem és az IDEA StatiCa közös projektjében. A Chevron Brace Connection merevített keretben (AISC) szöveg, valamint a többi is, nagyon jól feltárja a CBFEM módszer biztonságos, mégis hatékony koncepcióját.

A vége?

Köszönjük, hogy időt szánt ennek a cikknek az elolvasására, és reméljük, hamarosan ismét találkozunk az IDEA StatiCa blogjában!

PS: Bónusz kvíz 😊. Próbálja megszámolni, hány acél merevítőt talál a Mintaprojektek galériájában!

3,2,1,...

... rendben, itt van a teljes szűrt listájuk letöltésre, megtekintésre és ingyenes felhasználásra.