Principi fondamentali di
IDEA StatiCa Connection
Introduzione
IDEA StatiCa Connection è un software di progettazione basato sul Metodo degli Elementi Finiti a Componenti (CBFEM), destinato all'uso da parte di ingegneri strutturali qualificati che abbiano familiarità con la progettazione di collegamenti in acciaio. Si basa sulla comprensione dei principi ingegneristici da parte degli utenti per simulare correttamente ogni giunto e interpretare il comportamento risultante a seguito dell'analisi FE. In quanto tale, non è destinato a sostituire le conoscenze ingegneristiche dell'utente, ma a potenziare le sue capacità progettuali sfruttando il motore CBFEM sottostante.
Questa guida riassume alcuni elementi chiave del software e si consiglia di essere letta da tutti gli utenti di IDEA StatiCa. In questo modo, l'utente eviterà errori comuni che possono potenzialmente portare a risultati errati. Inoltre, le risorse online nel Support Center vengono costantemente aggiornate con nuove informazioni sull'utilizzo e sui principi di impiego del software. Infine, ma non meno importante, si consiglia vivamente di leggere il Theoretical Background e i relativi appendici nazionali.
IDEA StatiCa è stato sviluppato per modellare e progettare collegamenti in acciaio. A tal riguardo, il collegamento deve presentare un unico nodo identificabile in cui convergono tutti gli elementi, indipendentemente dalla complessità del collegamento stesso. Si tenga presente che le piccole eccentricità di alcuni elementi rispetto al nodo vengono prese in considerazione dal modello agli Elementi Finiti e non creano alcun problema al concetto di nodo fittizio.
D'altra parte, se nel modello è possibile identificare più di un nodo, questo può probabilmente essere classificato come una struttura e l'approccio seguito da IDEA StatiCa potrebbe essere inappropriato e portare a risultati errati.
L'ingegnere deve utilizzare il proprio giudizio ingegneristico per determinare se un collegamento può essere considerato come uno o più nodi e adottare l'approccio appropriato.
Come regola generale, il nodo in IDEA StatiCa deve includere solo gli elementi presenti nel software di analisi globale, poiché le forze derivanti dall'analisi includeranno solo le forze relative a tali elementi. Naturalmente, ciò è soggetto al giudizio dell'ingegnere e può variare da caso a caso.
Gli effetti del carico sono definiti per impostazione predefinita nel nodo fittizio. L'utente è libero di modificare la posizione della definizione del carico su base elemento per elemento. Ciò è un requisito per alcuni casi, sia dalla normativa (ad es. progettazione di piastre d'anima secondo AISC o SCI) che dalla specifica di progetto.
Prima di utilizzare questa funzione, l'utente deve essere consapevole che posizioni di carico diverse producono risultati diversi.
È pratica comune per i consulenti distribuire i carichi per la progettazione dei collegamenti sotto forma di tabelle di carico derivanti da risultati di inviluppo, il che significa che le componenti di tensione non sono coesistenti.
Questi carichi creano un campo di tensioni non realistico. Nella nostra soluzione, questo stato di tensione non realistico si riflette sul modello e può potenzialmente portare a rotture.
Si noti che questo non è una peculiarità di IDEA StatiCa, poiché tali stati di tensione produrrebbero rotture nel modello di progettazione globale originale se queste componenti di tensione massime venissero applicate simultaneamente. Questo problema è aggravato dal numero di elementi collegati.
Per evitare questa situazione, si consiglia vivamente di utilizzare più di una combinazione per le proprie progettazioni, derivanti dal modello di progettazione globale originale. È noto che i risultati per ciascuna combinazione sono in equilibrio attorno ai nodi.
L'utilizzo dei nostri collegamenti BIM rende la transizione dal modello globale alla progettazione dei collegamenti semplice e priva di errori.
Inoltre, IDEA StatiCa offre un modo molto semplice per identificare eventuali forze non bilanciate nel modello, abilitando il pulsante Carichi in Equilibrio. Queste sono le forze che saranno bilanciate dalle reazioni degli elementi definiti come portanti.
Il segno dei momenti non segue la convenzione classica della statica. I momenti seguono la regola della mano destra attorno all'asse locale dell'elemento.
Per visualizzare l'asse locale di un elemento, è necessario attivare il pulsante LCS nel pannello della barra multifunzione Etichette.
Per definire un momento positivo attorno a un asse, l'utente deve puntare il pollice destro verso il lato positivo di tale asse. La curvatura delle dita rappresenta quindi una rotazione che riflette il momento positivo attorno a quell'asse.
Si noti che i collegamenti BIM gestiscono automaticamente le trasformazioni necessarie durante il trasferimento dei carichi dal software di analisi.
IDEA StatiCa consente la definizione di diverse opzioni di tipo di modello negli elementi, ognuna delle quali influenza il tipo di vincolo che verrà applicato all'estremità dell'elemento (con N-Vy-Vz-Mx-My-Mz che rappresenta un'estremità libera/non vincolata). In sostanza, viene utilizzato per garantire che il carico applicato corrisponda al comportamento del modello globale.
Ad esempio, se un elemento di controvento è previsto per resistere a carichi assiali e di taglio ma non a momenti, l'utilizzo di un modello non vincolato non sarebbe adeguato poiché l'elemento di controvento svilupperebbe un momento lungo la sua lunghezza. Ciò può essere evitato utilizzando un modello N-Vy-Vz, dove i vincoli stessi resistono al momento (che verrà mostrato come Non conformità nella scheda Verifica -> Analisi). Questi vincoli possono essere utilizzati anche per garantire la stabilità in un dato modello rimuovendo alcuni gradi di libertà. Un esempio chiave è un collegamento di controvento con un singolo bullone, dove il controvento sarebbe libero di ruotare attorno all'asse del bullone. In questo caso, l'utilizzo di un tipo di modello appropriato previene lo sviluppo di un meccanismo.
In generale, se il valore delle forze/momenti resistiti supera significativamente il carico applicato (a giudizio del progettista), ciò potrebbe indicare che il tipo di modello scelto potrebbe non essere appropriato per il giunto e potrebbe portare a una progettazione non conservativa. In tali casi, è preferibile selezionare un tipo di modello alternativo che corrisponda alle condizioni di carico/supporto previste oppure utilizzare il modello non vincolato N-Vy-Vz-Mx-My-Mz.
La scelta del tipo di modello è generalmente soggetta al giudizio del progettista, poiché i vincoli necessari dipenderanno nella maggior parte dei casi dalle specifiche del progetto e dalle condizioni di carico che devono essere simulate nel modello.
Esempio di un collegamento di controvento con un singolo bullone in cui il tipo di modello deve essere N-Vy-Vz, per prevenire un meccanismo
Sebbene sia possibile che per i collegamenti tozzi l'analisi di instabilità non sia critica, essa è considerata parte integrante del metodo CBFEM. Pertanto, è fortemente consigliato eseguire l'analisi di instabilità dopo la standard analisi Tensione/Deformazione, per garantire che i suoi limiti (vedere il nostro Background Teorico) siano rispettati, e per dimostrare che la resistenza prevista dall'analisi tensione-deformazione possa essere completamente sviluppata.
Inoltre, l'instabilità dei componenti del collegamento può influenzare la stabilità dell'intera struttura. In questo caso, possiamo dire che il tipo di modo di instabilità è globale. Altrimenti, il modo di instabilità è detto locale.
È molto importante sottolineare che diversi limiti inferiori del fattore critico (αcr, limit) sono applicabili a diversi tipi di modi di instabilità. Possiamo trascurare l'instabilità globale per gli elementi, (incluso il collegamento) nei casi in cui il fattore di instabilità è superiore a 15 (in caso di progettazione plastica) o superiore a 10 (nel caso in cui la tensione sulle piastre sia nel ramo elastico).
L'instabilità locale si applica alle singole piastre (irrigidimenti, anima del pilastro), e i corrispondenti fattori di instabilità limite sono definiti in base alle norme di progettazione e alle sperimentazioni di ricerca. Gli effetti dell'instabilità locale sono considerati trascurabili quando il fattore di instabilità è:
- ≥ 2 - nel caso di una piastra con 4 lati vincolati
- ≥ 3 - nel caso di una piastra con 3 lati vincolati
- ≥ 4 - nel caso di una piastra con 2 lati vincolati (adiacenti)
- ≥ 15 - nel caso di una piastra con 2 lati vincolati (opposti)
Purtroppo, il tipo di forma di instabilità è soggetto al giudizio dell'ingegnere e non può essere determinato dal software. È responsabilità dell'utente decidere quale tipo di instabilità si applica al proprio modello osservando le forme deformate di instabilità.
Quando si aggiunge un elemento al modello, la sua lunghezza viene calcolata automaticamente dal software in base all'altezza della sezione trasversale. L'algoritmo di calcolo fa parte del metodo CBFEM ed è calibrato sulla base di risultati numerici e sperimentali.
La lunghezza dell'elemento calcolata garantisce che avvenga una corretta diffusione delle tensioni in conformità con la metodologia CBFEM.
Nel caso in cui venga aggiunto all'elemento un componente o una modifica (fori per bulloni, intagli, aperture, ecc.), il software adeguerà la lunghezza complessiva di conseguenza, al fine di mantenere una distanza dalla discontinuità.
Tuttavia, il software consente di modificare il fattore predefinito per il calcolo della lunghezza dell'elemento tramite le impostazioni "Code setup", che influenzano la lunghezza complessiva. Si consiglia vivamente agli utenti di lasciare questo valore come predefinito, poiché tali modifiche possono influenzare significativamente i risultati. Tutte le nostre verifiche sono state eseguite con le impostazioni predefinite.
In rari casi, i valori predefiniti di questa impostazione possono portare a un errore che altrimenti non si verificherebbe. Esempi di scenari rari potrebbero essere: 1. travi eccessivamente alte (ad es. 1,5+ m) che portano a una distanza eccessiva dalla discontinuità più vicina, oppure 2. un'elevata forza di taglio localizzata applicata su una sezione di lunghezza ridotta (ad es. una mensola corta che sorregge una trave di scorrimento per carroponte), che IDEA StatiCa modellerebbe, per impostazione predefinita, più lunga della realtà. Entrambi i casi comporterebbero un'elevata flessione all'estremità caricata.
È per questo motivo che questa impostazione è disponibile, per fornire agli utenti esperti una certa flessibilità nella gestione di questi rari casi in cui potrebbe essere necessaria una lunghezza ridotta.
In tali casi, in cui è assolutamente chiaro che il problema è dovuto esclusivamente alla lunghezza dell'elemento, l'utente dovrà condurre uno studio per esaminare l'impatto di qualsiasi riduzione del rapporto altezza/lunghezza dell'elemento sul comportamento del modello (campi di tensione-deformazione e forze nei vari componenti). Qualora i risultati coincidano, una riduzione del parametro potrebbe essere possibile, anche se in alcuni modelli potrebbe essere necessario procedere in combinazione con le impostazioni della rete.
In altre parole, se l'utente decide di modificare questa impostazione, deve essere in grado di giustificarla adeguatamente facendo riferimento ai risultati di uno studio associato che dimostri che la riduzione non ha influenzato i risultati nei componenti del giunto.
Per questo motivo, si consiglia di contattare il nostro team di supporto prima di modificare qualsiasi parametro critico.
Esempio di studio che dimostra una riduzione del rapporto lunghezza/altezza dell'elemento senza un impatto significativo sul campo delle tensioni e sul carico dei componenti.
È importante sapere che codici diversi utilizzano convenzioni diverse per la definizione della saldatura. Il codice americano, ad esempio, utilizza le lunghezze del cateto, mentre l'Eurocode utilizza gli spessori di gola per il calcolo. Questa convenzione è rispettata in tutto il progetto, inclusi l'output del report e i disegni.
Pertanto, è responsabilità dell'utente adeguare le dimensioni delle saldature quando necessario, al fine di comunicarle a terze parti (ad es. i fabbricatori) che utilizzano convenzioni diverse.
IDEA StatiCa Connection è uno strumento dedicato principalmente alla valutazione dei collegamenti di elementi laminati a caldo, che non sono significativamente influenzati dall'instabilità. Viene eseguita un'analisi geometricamente lineare e materialmente non lineare per la sua rapidità e stabilità di calcolo. Tuttavia, questo tipo di analisi non tiene conto della perdita di stabilità per ogni fase di calcolo, poiché l'analisi di instabilità è lineare, mentre la perdita di stabilità richiede un'analisi geometricamente non lineare.
Se si insiste nell'utilizzare IDEA StatiCa Connection per la verifica dei collegamenti di elementi a pareti sottili (formati a freddo), assicurarsi di essere un utente esperto del software e di essere pronti ad applicare con attenzione il proprio giudizio ingegneristico almeno ai seguenti punti:
- Eseguire l'analisi lineare di instabilità e valutare attentamente ogni forma di instabilità. Si tenga presente che le prime 5 forme di instabilità calcolate potrebbero non essere sufficienti.
- Non fare affidamento sulla plasticità degli elementi a pareti sottili e limitare invece la tensione di von Mises alla tensione di snervamento o anche a valori inferiori se necessario.
- Tenere presente che lo sviluppo dell'instabilità locale, che non viene considerata in ogni fase di calcolo, può ridistribuire diversamente le forze interne nei componenti.
- Tenere presente che la rigidezza dei componenti può differire, a causa di diversi modi di rottura o della loro combinazione.
- Tenere presente che le verifiche e i dettagli costruttivi dei componenti presentati (ad es. bulloni, saldature) seguono le disposizioni normative applicabili agli elementi laminati a caldo. Nel caso in cui le disposizioni normative pertinenti per gli elementi a pareti sottili siano diverse, le verifiche fornite non sono applicabili ad essi.
In IDEA StatiCa Connection, l'utente è libero di modellare topologie di collegamento che in precedenza era impossibile progettare. La gamma di strumenti forniti e i diversi tipi di analisi (instabilità, rigidezza, ecc.) offrono una comprensione del comportamento dei collegamenti progettati molto più approfondita rispetto a prima.
È responsabilità dell'utente apprendere, comprendere e applicare questi strumenti ai propri progetti, specialmente se si decide di discostarsi da topologie di collegamento consolidate e testate.
Deve essere chiaro che IDEA StatiCa non è in grado di "correggere" errori di progettazione concettuale. Sebbene possa aiutare a prevenirli, con la corretta applicazione degli strumenti forniti.
Un collegamento concettualmente errato con la fila superiore mancante sembra superare tutte le verifiche normative, ma con l'uso dello strumento Forma deformata vengono rivelate deformazioni eccessive e concentrazioni di deformazioni plastiche. Ciò può probabilmente causare problemi di esercizio, ma senza un cedimento catastrofico (come una frattura).
