L'instabilità raramente è una proprietà di un elemento isolato. Dipende dalla rigidezza della struttura circostante, dalle condizioni al contorno, dalla posizione del carico, dalle imperfezioni e, aspetto importante, dal comportamento reale dei collegamenti.
L'app Stability riunisce tutti questi aspetti. L'ingegnere può modellare la parte rilevante della struttura, verificare lo schema statico, progettare e verificare i collegamenti, individuare le forme critiche di instabilità, introdurre le imperfezioni ed eseguire l'analisi geometricamente e materialmente non lineare con imperfezioni (GMNIA), tutto all'interno di un unico flusso di lavoro integrato.
Invece di stimare la lunghezza di instabilità di un elemento isolato, l'ingegnere può analizzare come l'elemento si instabilizzerà effettivamente come parte della struttura.
La soluzione risponde a queste attività principali:
- Verificare un elemento in acciaio in cui l'instabilità governa il progetto, non la resistenza.
- Progettare e verificare i collegamenti di tale elemento all'interno dello stesso lavoro.
- Verificare gli elementi e le sottostrutture nei confronti della resistenza all'instabilità.
- Generare un unico rapporto che comprenda la struttura e i relativi collegamenti.
Navigazione rapida:
Modellare la struttura attorno all'elemento analizzato (elementi)
Un'analisi di stabilità affidabile parte da un modello strutturale corretto.
- In Stability l'ingegnere lavora con una sottostruttura anziché con un elemento isolato. Elementi, nodi, vincoli, cerniere, eccentricità, carichi e combinazioni sono definiti direttamente nella scena 3D e restano modificabili durante tutto il processo di progettazione.
- I progetti possono partire da un modello vuoto, da un modello predefinito o da un'importazione da uno strumento FEA. Gli elementi possono essere aggiunti, rimossi, suddivisi o riposizionati senza dover ricostruire l'intero progetto.
- Le guide di tracciamento e ortogonali consentono di creare la geometria strutturale direttamente nella scena. Le distanze ripetute possono essere inserite tramite un moltiplicatore.
- I nodi coincidenti duplicati vengono uniti automaticamente per mantenere connesso il modello strutturale.
I vincoli e le cerniere di estremità degli elementi sono visibili direttamente nella scena, con i rispettivi gradi di libertà modificabili singolarmente. Il modello può quindi essere ispezionato prima di eseguire qualsiasi analisi di stabilità avanzata.
Un'analisi lineare fornisce reazioni, azioni interne e deformazioni, consentendo all'ingegnere di confrontare la risposta strutturale con le aspettative progettuali prima di proseguire nel flusso di lavoro.
In questo modo l'ingegnere può verificare che lo schema statico analizzato sia quello che intendeva creare.
Scopri di più su come creare un modello strutturale nell'app Stability in questo articolo.
I carichi come esistono nel modello strutturale
Stability lavora con casi di carico e combinazioni di carico, incluso il peso proprio automatico. Le combinazioni sono definite come SLU o SLE.
L'utente sceglie tra carichi puntuali e lineari da applicare agli elementi.
Per gli elementi modellati con elementi a guscio, la posizione del carico è determinante. Un carico può quindi agire sull'asse dell'elemento o su una delle sue facce, con eccentricità e larghezza caricata.
Lo stesso principio vale per la geometria dell'elemento. Le eccentricità iniziale e finale possono essere definite in modo indipendente, rendendo possibile rappresentare elementi il cui allineamento fisico varia tra le estremità.
Il risultato è un modello strutturale che può essere prima verificato con i familiari risultati dell'analisi lineare e poi utilizzato in modo coerente per le analisi più avanzate che seguono.
Scopri come definire i carichi in Stability passo dopo passo in questo articolo.
Trasformare l'elemento critico in un modello CBFEM
Non tutti gli elementi della sottostruttura richiedono un modello dettagliato agli elementi finiti.
Stability mantiene la struttura circostante come elementi 1D, consentendo all'ingegnere di selezionare la parte critica e di convertirla in un elemento CBFEM modellato con elementi finiti a guscio.
La parte CBFEM del modello può essere costituita da uno o più elementi e questa selezione rimane modificabile. Il resto della struttura modellata rimane costituito da elementi 1D, con soli i monconi necessari per la progettazione dei collegamenti. In questo modo si ottiene il dettaglio dove serve, mantenendo semplice il resto del sistema strutturale.
Trova ulteriori informazioni sulla definizione degli elementi CBFEM in Stability in questo articolo.
I collegamenti reali diventano parte del modello di stabilità
La creazione di un elemento CBFEM identifica automaticamente i suoi nodi come collegamenti.
In un progetto Stability autonomo, questi collegamenti possono essere aperti direttamente in IDEA StatiCa Connection e progettati con le consuete operazioni per piastre, bulloni, saldature, irrigidimenti e altri componenti del collegamento.
La verifica del collegamento utilizza gli effetti del carico SLU calcolati dall'analisi lineare 1D in Stability. Non è necessario trasferire le forze tra il modello strutturale e il modello del collegamento.
Se l'analisi 1D non è ancora stata eseguita, l'utente riceve una notifica relativa ai risultati mancanti.
Per le strutture con giunti ripetuti, un collegamento già progettato può essere riutilizzato anche tramite i collegamenti recenti.
Questo colma una lacuna importante tra la stabilità dell'elemento e la progettazione del collegamento. L'analisi non deve più basarsi esclusivamente su un'ipotesi di giunto idealizzato quando il collegamento reale viene progettato altrove.
Il collegamento che trasferisce le forze può invece essere progettato, verificato e successivamente rappresentato nell'analisi di stabilità dalla sua rigidezza effettiva.
Verificare la struttura prima di cercare l'instabilità
Prima delle analisi di stabilità viene eseguita un'analisi materialmente non lineare (MNA). Lo scopo è semplice: verificare che la struttura, compresi i collegamenti progettati, sia in grado di sostenere il 100% del carico applicato.
Si crea così una sequenza logica di verifiche:
modello strutturale → trasferimento del carico → progettazione del collegamento → MNA → analisi di stabilità
L'ingegnere affronta quindi la valutazione della stabilità con un sistema strutturale di cui geometria, carichi, condizioni al contorno e collegamenti sono già stati verificati.
Scopri come progettare i collegamenti nell'app Stability in questo articolo.
Forme di instabilità: vedere come si instabilizza la struttura
Il passo successivo è un'analisi lineare di instabilità (LBA).
Invece di chiedere all'ingegnere di anticipare un modo di instabilità o di ricavare in anticipo una lunghezza di instabilità efficace, Stability calcola le forme di instabilità della sottostruttura modellata.
Ogni forma è visualizzata direttamente sulla struttura insieme al relativo fattore di carico critico αcr.
Si ottengono così sia un risultato numerico sia un quadro ingegneristico dell'instabilità: l'ingegnere può vedere se il comportamento governante è globale, a livello di elemento o locale e in che modo vi partecipa la struttura circostante.
Poiché l'analisi viene eseguita sulla sottostruttura modellata, tiene conto dei vincoli effettivi e della rigidezza dei collegamenti progettati.
Il fattore di carico critico può quindi essere utilizzato per ottenere Ncr, Mcre la corrispondente lunghezza del sistema da impiegare in un modello strutturale globale. Aiuta inoltre a stabilire se gli effetti del secondo ordine possono essere trascurati nell'analisi globale.
Se il fattore di carico critico scende al di sotto di 1,0, il carico applicato supera già il carico critico elastico del sistema analizzato, condizione chiaramente indicata nei risultati.
Dalle forme di instabilità alle imperfezioni
Un modello numerico perfetto non si instabilizza come una struttura reale. L'analisi di stabilità avanzata richiede pertanto l'introduzione di imperfezioni.
Stability rende visibile la loro definizione, anziché lasciarla come dato di input numerico astratto.
Le imperfezioni globali possono essere introdotte come inclinazione oppure ricavate dalle forme di instabilità calcolate con LBA. Le forme disponibili sono accompagnate dai rispettivi fattori critici e da indicatori che aiutano l'ingegnere a valutarne la rilevanza.
Le forme di instabilità selezionate possono essere combinate con pesi e ampiezze definiti dall'utente.
Aspetto fondamentale, la geometria imperfetta risultante viene visualizzata direttamente nella scena 3D in millimetri prima dell'avvio di GMNIA.
L'ingegnere può quindi ispezionare non solo l'entità dell'imperfezione, ma anche la sua direzione e la forma combinata.
Questo è particolarmente importante quando interagiscono più imperfezioni. Una forma di instabilità di per sé non ha un orientamento positivo o negativo, mentre la direzione scelta può influire sulla resistenza finale. Visualizzare la geometria risultante prima del calcolo rende esplicita questa decisione progettuale.
Scopri di più sulle imperfezioni nell'app Stability.
GMNIA senza ricavare le lunghezze di instabilità
Una volta definite le imperfezioni, Stability esegue l'analisi geometricamente e materialmente non lineare con imperfezioni (GMNIA).
Questo è il percorso del metodo avanzato per la verifica di stabilità: anziché ricavare le lunghezze di instabilità e applicare poi una formula di stabilità dell'elemento, si calcola direttamente la risposta non lineare della struttura imperfetta.
I risultati comprendono la verifica delle deformazioni, le tensioni, le deformazioni e le componenti di spostamento.
L'analisi offre inoltre impostazioni per la riduzione della rigidezza in base alla normativa di progetto selezionata e un limite di rotazione per l'instabilità flesso-torsionale. La riduzione della rigidezza influisce solo su GMNIA; MNA e LBA restano invariate.
Il flusso di lavoro separa quindi tre distinte questioni ingegneristiche:
MNA: la struttura dettagliata e i suoi collegamenti sono in grado di sostenere il carico applicato?
LBA: come tende a instabilizzarsi la struttura e con quale fattore di carico critico?
GMNIA: la struttura imperfetta soddisfa la verifica di stabilità con il metodo di analisi avanzato?
Ogni analisi ha i propri risultati e un esplicito stato OK / NOT OK, così la conclusione non deve essere dedotta da un insieme di tabelle di risultati.
Il rapporto finale può comprendere l'analisi strutturale e, se necessario, includere le verifiche dei collegamenti nello stesso documento.
Scopri di più su tutti i tipi di analisi in Stability in questo articolo.
Partire direttamente dal modello FEA globale tramite Checkbot
In molti progetti l'elemento che richiede una verifica di stabilità esiste già in un modello FEA globale.
Non c'è motivo di ricostruirlo.
Stability è pertanto integrato con IDEA StatiCa Checkbot. Una sottostruttura rilevante può essere estratta dal modello globale importato e aperta direttamente in Stability con la sua geometria, l'allineamento delle sezioni trasversali, le eccentricità degli elementi, i casi di carico, le combinazioni e i collegamenti.
La fase di modellazione viene saltata e il progetto Stability si apre direttamente nella fase Design (non è necessaria la modellazione della struttura 1D; di conseguenza la scheda Model non è visibile)
Ciò riduce la trascrizione manuale tra l'analisi globale e la verifica di stabilità dettagliata, e con essa il rischio che il modello verificato differisca da quello che ha generato le forze.
Resta all'utente un importante dato di input ingegneristico: i vincoli al contorno della sottostruttura estratta. Queste condizioni al contorno rappresentano il vincolo fornito dalla struttura circostante e possono influenzare in modo significativo il risultato della verifica di stabilità. Devono pertanto essere definite e verificate dall'ingegnere.
Prima i collegamenti, poi la stabilità
Quando Stability viene avviato da Checkbot, la progettazione dei collegamenti rimane gestita da Checkbot.
I collegamenti vengono progettati prima in Checkbot, mantenendo i gruppi di collegamenti e la relazione con il modello strutturale importato. Stability legge poi questi progetti e ne utilizza la rigidezza nella verifica di stabilità, senza modificarli.
Il flusso di lavoro è quindi volutamente semplice:
Importazione del modello FEA globale → progettazione dei collegamenti in Checkbot → selezione della sottostruttura → apertura di Stability → definizione dei vincoli al contorno → esecuzione della verifica di stabilità.
Checkbot conserva lo stato delle analisi, tra cui MNA, il fattore critico LBA, GMNIA e le verifiche delle piastre, offrendo all'ingegnere una panoramica di quali progetti di stabilità sono già stati verificati.
E quando la sottostruttura importata non è sufficiente per il compito, il progetto può essere esportato in un'applicazione Stability autonoma. Qui la scheda Model completa torna disponibile, consentendo all'ingegnere di estendere o modificare la struttura e proseguire l'analisi in modo indipendente.
Da un elemento isolato al sistema strutturale reale
Stability cambia la domanda alla base di una verifica di stabilità dell'elemento: anziché chiedersi:
«Quale lunghezza di instabilità devo assumere per questo elemento?»
...l'ingegnere può indagare:
«Come si instabilizza questo elemento come parte della struttura che lo vincola effettivamente?»
Modellazione modificabile della sottostruttura, elementi CBFEM, collegamenti verificati secondo normativa, rigidezza reale dei collegamenti, forme di instabilità LBA, imperfezioni visibili e GMNIA sono riuniti in un unico flusso di lavoro, dal modello strutturale al rapporto finale.
Questo è lo scopo della nuova applicazione Stability in IDEA StatiCa 26.1: analizzare gli elementi soggetti a instabilità come parte della struttura a cui appartengono effettivamente.
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