Elemente de fermă și IDEA StatiCa

Context și considerații preliminare

Bun venit la al șaselea meu articol de blog! Așa cum a devenit tradiție, îmi place să aduc o notă personală. Câți dintre noi își amintesc când au analizat prima fermă? În cazul meu, aveam 18 ani și eram în al doilea an de liceu, pregătindu-mă pentru examenele A Levels. Materia era Desen Tehnic, iar metoda era Notația Bow.

Câți ingineri (mai în vârstă) își amintesc de aceasta? Avansând câțiva ani, o fermă a fost primul sistem structural pe care l-am realizat la universitate – recunosc, împreună cu alți trei colegi de echipă. Aceasta a fost tăiată, găurită, șurubată și testată până la distrugere – ceea ce nu a durat prea mult, grăbesc să adaug!

Fermele vin evident în multe forme și dimensiuni și sunt realizate din atât de multe materiale diferite încât este greu de numărat – vă amintiți structurile din paie de băut? Numitorul comun a fost întotdeauna îmbinările – nu doar modul în care ar trebui tratate, ci și modul în care ar trebui proiectate. Pentru dimensiunile lor, oferă capacități excepționale de preluare a încărcărilor, ceea ce reprezintă unul dintre motivele pentru care sunt o soluție „de referință" pentru situații dificile!

Am avut întotdeauna o pasiune pentru lemn – foarte probabil pentru că sunt un pasionat al clădirilor și construcțiilor istorice. Lemnul a fost primul material structural utilizat pentru realizarea fermelor. Fermele din lemn datează din 2500 î.Hr. Grecii antici le foloseau în acoperișurile lor și au fost prezente în mod semnificativ în arhitectura medievală.

Multe dintre vechile hambare de zeciuială au fost construite folosind aceste metode. Îmbinările erau formate în elementele din lemn folosind tradiționalele îmbinări cu cep și scobitură, cu cuie din lemn sau similare. Uneltele la care meșteșugarii din trecut aveau acces erau oarecum limitate, ceea ce a dus la crearea unor opere de artă tridimensionale, nu doar a unor structuri menite să țină vântul și ploaia afară.

Fermele din lemn au fost întotdeauna utilizate în locuințe, de la conacele medievale până la locuințele moderne. Ceea ce s-a schimbat dramatic sunt metodele și formele utilizate. Fermele de acoperiș moderne de astăzi, cu elementele lor zvelte și plăcile de îmbinare inginerești, sunt departe de imaginea de mai sus.

Când analizăm evoluția fermelor din oțel, trebuie mai întâi să privim la fier, atât fontă cât și fier forjat, și la rolul acestuia. Sectorul în mare parte responsabil pentru această dezvoltare este transportul – gândiți-vă la căile ferate (din întreaga lume).

Există multe exemple remarcabile răspândite pe glob:

Ferma lenticulară Brunel – Podul Royal Albert - Fier

Podul feroviar Firth of Forth - Oțel

Cu podurile deschizând calea în proiectare inteligentă și elegantă, cine urma să se ridice la înălțime din perspectiva clădirilor? În 1889, „Doamna de Fier" a fost construită la Paris (cunoscută și sub numele de Turnul Eiffel). Deși construită din fier forjat, este, poate, una dintre cele mai iconice clădiri care prezintă ferme și acțiune de fermă din lume astăzi.

Desigur, structurile moderne se bazează din ce în ce mai mult pe ferme pentru a depăși situații speciale sau deschideri mari. Există mai multe tipuri de ferme, unele cu denumiri speciale:

• fermă cu arc
• fermă tip evantai
• fermă fink
• fermă gambrel
• fermă howe
• fermă cu montant central
• fermă cu doi montanți
• grindă Vierendeel (o formă de fermă)
• fermă Warren
• etc.

Analiza structurală, metodele de proiectare și materialele s-au schimbat, dar constanta privind proiectarea dificilă a îmbinărilor rămâne. Capacitatea de a evalua corect cerințele de încărcare ale unei ferme (și ale oricărei structuri, de altfel) este esențială. Atât de multe ferme își au rădăcinile în geometrie, astfel încât este important ca geometria să fie recunoscută și ca un factor important, uneori arhitectural.

Ce rol joacă IDEA StatiCa?

Elementele în sine (într-o fermă metalică) sunt adesea zvelte și sunt supuse ulterior unor efecte suplimentare care ar putea determina un proiectant să ia în considerare forme superioare de analiză. Disponibilitatea unei soluții software care poate combina toate aceste cerințe cu o funcționalitate ușor de utilizat este absolut esențială în lumea ingineriei structurale de astăzi.

Din fericire, există IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection poate proiecta în siguranță și eficient îmbinările de fermă complexe de astăzi – există, de asemenea, îmbinări avansate pe bază de lemn (folosind plăci). Poate utiliza modelul analitic din mai multe soluții MEF folosind o aplicație numită IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot asigură legătura dintre MEF și IDEA StatiCa Connection. Dacă proiectantul este preocupat de elementele din fermă, atunci avem IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot poate fi utilizat pentru a gestiona și această soluție.

Unde se încadrează IDEA StatiCa? Considerați un exemplu simplu, dar esențial:

Acestea sunt probabil cele mai subestimate structuri din rețelele noastre rutiere de astăzi. Sunt supuse tuturor tipurilor obișnuite de încărcări: permanente, variabile, vânt, zăpadă și gheață. Apoi există și încărcările dinamice care trebuie eventual luate în considerare. Toate acestea în încercarea de a proiecta ceva care poate fi fabricat eficient și montat rapid.

Acest exemplu a fost simplificat deoarece dorim să ne concentrăm pe interacțiunea cu soluția IDEA StatiCa.

Pasul 1 – Analiza cu Metoda Elementelor Finite

Structura a fost modelată, analizată și proiectată într-o aplicație adecvată de analiză cu elemente finite (MEF) – în acest caz Robot Structural Analysis de la Autodesk. Vă rugăm să consultați site-ul nostru pentru o listă completă a aplicațiilor suportate.

Programul de completare IDEA StatiCa Checkbot a fost pornit din interiorul Robot. Instalarea majorității acestor așa-numite programe de completare pentru celelalte aplicații suportate se face automat pentru a le face utilizarea și mai rapidă și mai ușoară.

Pasul 2 – Export în Checkbot

Elementele și îmbinările sunt selectate în Robot și exportate în Checkbot. În cazul în care apar modificări, modelul Checkbot poate fi, de asemenea, sincronizat cu MEF. Încărcările externe introduse în modelul MEF sunt utilizate pentru analiza globală, iar reacțiunile interne – forțe axiale, forțe tăietoare și momente – sunt transferate în Checkbot. Odată în Checkbot, acestea sunt disponibile atât pentru Connection, cât și pentru Member.

În Checkbot, puteți vizualiza și efectele încărcărilor.

Elementele din IDEA StatiCa Checkbot pot fi, de asemenea, îmbinate – astfel, elementele continue realizate din lungimi mai mici pot fi unite pentru proiectarea unei îmbinări. În acest exemplu, elementele tălpii inferioare au fost modificate în acest mod. În schimb, talpa superioară nu a fost modificată deoarece la îmbinarea sa nu este necesar. Aceasta este o facilitate excelentă atunci când se utilizează aplicații MEF care trebuie să modeleze elementele continue în acest mod.

Pasul 3 – Proiectarea și verificarea îmbinărilor

Îmbinările pot fi proiectate și verificate cu IDEA StatiCa Connection, iar elementele pot fi verificate în IDEA StatiCa Member. Poziționarea elementelor a fost întotdeauna un compromis între model de analiză și realitate. Elementele se pot deplasa în fabricație pentru a facilita sudarea – acest lucru poate duce adesea la probleme în modelul analitic. În IDEA StatiCa, putem modifica excentricitățile pentru a ține cont de această neconcordanță.

În cadrul soluției Connection trebuie să vă amintiți să corelați modelul de analiză atunci când analizați Tipul de Model. Dacă doriți să utilizați îmbinări cu un singur șurub într-o placă de nod tradițională, trebuie să vă amintiți să schimbați Tipul de Model în consecință – la N,Vy,Vx – unul care nu permite momente. Cu toate acestea, dacă îmbinarea dvs. (cum este în acest exemplu) poate prelua un moment, atunci acest pas poate fi omis.

Lucrul cu combinațiile de încărcări de calcul reale este imperativ pentru a obține un model de îmbinare sigur și eficient și o verificare conform codului. Folosind patru operații simple pentru a crea o îmbinare complet sudată, putem vedea că toate efectele critice ale încărcărilor (combinațiile noastre de calcul) au fost verificate pe rând și toate sunt satisfăcute.

Pasul 4 – Verificarea elementelor

A doua îmbinare poate fi proiectată într-un mod similar înainte de a analiza diagonala în IDEA StatiCa Member.

Ceea ce arată acest lucru, totuși, este că există suficient spațiu pentru a analiza în continuare eficiența materialelor și a îmbinărilor, deoarece multe elemente de fermă sunt supradimensionate pentru a compensa lipsa acestei analize avansate.

Concluzii

Fermele sunt o parte esențială a ingineriei structurale și utilizarea lor va deveni din ce în ce mai îndrăzneață. Progresele în materiale și metode de construcție vor însemna că noi proiecte și concepte vor apărea în anii următori – sunt sigur de acest lucru. Ceea ce văd în abordarea IDEA StatiCa ca depozit de date este cel mai bun din ambele lumi: putem lăsa experții în domeniul MEF să continue și să dezvolte soluții de clasă mondială, în timp ce ne conectăm la rezultatele și modelul lor pentru a crea modelele de îmbinare și verificările elementelor – un domeniu în care suntem cei mai buni!

Sper că v-a plăcut această incursiune în lumea fermelor și modul în care noi, la IDEA StatiCa, vă putem ajuta în mai multe moduri. Fiți atenți la un articol înrudit care va apărea în curând despre contravântuiri.