Context și considerații preliminare
Bine ați venit la a șasea mea postare pe blog! Așa cum a devenit tradiție, îmi place să adaug o notă personală. Câți dintre noi își amintesc când am analizat prima grindă cu zăbrele? Eu aveam 18 ani și eram în al doilea an de sixth form, pregătindu-mă pentru examenele A Levels. Materia era Desen tehnic, iar metoda era Notația lui Bow.
Câți ingineri (mai în vârstă) își amintesc de ea? După câțiva ani, o grindă cu zăbrele a fost primul sistem structural realizat de mine la universitate – recunosc, împreună cu alți trei colegi de echipă. A fost tăiată, găurită, înșurubată și încercată până la cedare – ceea ce nu a durat prea mult, trebuie să recunosc!
Grinzile cu zăbrele au, evident, multe forme și dimensiuni și sunt realizate din atât de multe materiale diferite încât este greu să le numărăm – vă amintiți structurile din paie de băut? Numitorul comun a fost însă întotdeauna rosturile – nu doar modul în care ar trebui tratate, ci și modul în care ar trebui calculate. Raportat la dimensiunea lor, oferă o capacitate portantă excepțională, ceea ce este unul dintre motivele pentru care reprezintă o soluție „de bază" în situații dificile!
Am iubit dintotdeauna lemnul – foarte probabil pentru că sunt un pasionat de clădiri istorice și de construcții. Lemnul a fost primul material structural folosit pentru grinzile cu zăbrele. Grinzile cu zăbrele din lemn datează din anul 2500 î.Hr. Grecii antici le foloseau la acoperișuri, iar în arhitectura medievală au fost foarte prezente.
Multe dintre vechile hambare pentru zeciuială au fost construite prin aceste metode. Rosturile erau realizate direct în elementele din lemn, folosind încheieturi tradiționale cu cep și mortază, cu cuie din lemn sau soluții similare. Instrumentele de care dispuneau meșterii din trecut erau oarecum limitate, ceea ce a dus la opere de artă tridimensionale, nu doar la ceva menit să țină vântul și ploaia afară.
Grinzile cu zăbrele din lemn au fost folosite dintotdeauna la locuințe, de la conacele medievale până la casele moderne. Ceea ce s-a schimbat radical sunt metodele și formele utilizate. Fermele moderne de acoperiș de astăzi, cu elementele lor zvelte și plăcile de îmbinare proiectate, sunt foarte departe de imaginea de mai sus.
Când privim evoluția grinzilor cu zăbrele din oțel, trebuie să începem cu fierul, atât cel turnat, cât și cel forjat, și cu rolul său. Sectorul în mare măsură responsabil pentru această dezvoltare este transportul – gândiți-vă la căile ferate (din întreaga lume).
Există multe exemple remarcabile răspândite pe tot globul:
Grinda lenticulară cu zăbrele a lui Brunel – Podul Royal Albert - Fier
Podul feroviar Firth of Forth - Oțel
Cu podurile deschizând drumul în proiectarea ingenioasă și elegantă, cine avea să preia ștafeta din perspectiva clădirilor? În 1889, „Doamna de Fier" a fost construită la Paris (cunoscută și sub numele de Turnul Eiffel). Deși este realizată din fier forjat, este, poate, una dintre cele mai emblematice construcții din lume care folosesc grinzi cu zăbrele și comportarea specifică acestora.
Desigur, structurile moderne se bazează tot mai mult pe grinzi cu zăbrele pentru a depăși situații speciale sau pentru a acoperi deschideri libere. Există mai multe tipuri de grinzi cu zăbrele, unele cu denumiri speciale:
- grindă cu zăbrele tip bowstring
- grindă cu zăbrele în evantai
- grindă cu zăbrele tip Fink
- grindă cu zăbrele tip gambrel
- grindă cu zăbrele tip Howe
- grindă cu zăbrele cu popă simplă
- grindă cu zăbrele cu popi dubli
- grindă Vierendeel (o formă de grindă cu zăbrele)
- grindă cu zăbrele tip Warren
- etc.
Analiza structurală, metodele de calcul și materialele s-au schimbat, dar un lucru rămâne constant: dificultatea calculului îmbinărilor. Capacitatea de a evalua corect încărcările necesare pentru o grindă cu zăbrele (și pentru orice structură, de altfel) este esențială. Atât de multe grinzi cu zăbrele își au rădăcinile în geometrie, încât este important ca geometria să fie recunoscută și ea ca un factor important, uneori arhitectural.
Ce rol are IDEA StatiCa?
Elementele propriu-zise (într-o grindă cu zăbrele din oțel) sunt adesea zvelte și, în consecință, sunt supuse unor efecte suplimentare care pot determina proiectantul să ia în considerare forme avansate de analiză. A dispune de o soluție software care poate combina toate aceste cerințe cu funcționalități ușor de utilizat este absolut esențial în ingineria structurală de astăzi.
Din fericire, există IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection poate calcula în siguranță și eficient îmbinările complexe ale grinzilor cu zăbrele de astăzi – există și îmbinări avansate din lemn (cu plăci). Poate folosi modelul analitic din mai multe soluții FEA, prin intermediul unei aplicații numite IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot asigură legătura dintre FEA și IDEA StatiCa Connection. Dacă proiectantul are rezerve în privința elementelor din grinda cu zăbrele, avem IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot poate fi folosit și pentru a controla această soluție.
Unde se încadrează IDEA StatiCa? Să luăm în considerare 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, utile, vânt, zăpadă și gheață. Apoi, există și încărcările dinamice, care pot fi 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 asupra interacțiunii cu soluția IDEA StatiCa.
Pasul 1 – Analiza cu elemente finite
Structura a fost modelată, analizată și dimensionată într-o aplicație adecvată de analiză cu elemente finite (FEA) – în acest caz Autodesk Robot Structural Analysis. Consultați site-ul nostru pentru lista completă a aplicațiilor compatibile.
Add-in-ul IDEA StatiCa Checkbot a fost pornit din interiorul aplicației Robot. Instalarea majorității acestor așa-numite add-in-uri pentru celelalte aplicații compatibile se face automat, pentru ca utilizarea lor să fie și mai rapidă și mai simplă.
Pasul 2 – Export în Checkbot
Elementele și îmbinările sunt selectate în Robot și exportate în Checkbot. Dacă apar modificări, modelul din Checkbot poate fi sincronizat din nou cu FEA. Încărcările exterioare introduse în modelul FEA sunt utilizate pentru analiza globală, iar eforturile interne – forțe axiale, forțe de forfecare și momente – sunt transferate în Checkbot. Odată ajunse în Checkbot, acestea sunt disponibile atât pentru Connection, cât și pentru Member.
În Checkbot puteți vizualiza și încărcările.
Elementele din IDEA StatiCa Checkbot pot fi, de asemenea, unite – astfel, elementele continue realizate din tronsoane mai scurte pot fi unite pentru calculul unei îmbinări. În acest exemplu, elementele tălpii inferioare au fost modificate în acest mod. În schimb, talpa superioară nu a fost modificată, deoarece în dreptul îmbinării sale nu este necesar. Acest lucru este foarte util atunci când se folosesc aplicații FEA care trebuie să modeleze astfel elementele continue.
Pasul 3 – Calculul și verificarea îmbinărilor
Îmbinările pot fi calculate și verificate cu IDEA StatiCa Connection, iar elementele pot fi verificate în IDEA StatiCa Member. Poziționarea elementelor a fost întotdeauna un compromis între analiză și realitate. În timpul fabricației, elementele se pot deplasa pentru a fi mai ușor de sudat – acest lucru poate duce adesea la probleme în modelul analitic. În IDEA StatiCa putem modifica excentricitățile pentru a ține cont de această diferență.
În aplicația Connection trebuie să aveți grijă ca modelul de analiză să corespundă setării Model Type. Dacă doriți să utilizați îmbinări cu un singur șurub la o placă de nod tradițională, trebuie să nu uitați să modificați Model Type în mod corespunzător – la N,Vy,Vx – un tip care nu permite preluarea momentelor. Totuși, dacă îmbinarea dumneavoastră (ca în acest exemplu) poate prelua un moment, acest pas poate fi omis.
Lucrul cu combinațiile reale de încărcări de calcul este imperativ pentru a obține un model de îmbinare sigur și eficient și o verificare conform codului corectă. Folosind patru operații simple pentru a crea un rost complet sudat, putem vedea că toate încărcările critice (combinațiile noastre de calcul) au fost verificate pe rând și toate sunt îndeplinite.
Pasul 4 – Verificarea elementelor
A doua îmbinare poate fi calculată în mod similar, înainte de a analiza contravântuirea în IDEA StatiCa Member.
Ceea ce arată acest lucru este, totuși, că există numeroase posibilități de a analiza mai în detaliu eficiența materialelor și a îmbinărilor, deoarece multe elemente ale grinzilor cu zăbrele sunt supradimensionate pentru a compensa lipsa unei analize avansate.
Gânduri de încheiere
Grinzile cu zăbrele sunt o parte esențială a ingineriei structurale, iar utilizarea lor va deveni tot mai îndrăzneață. Progresele în materiale și în metodele de construcție vor face ca în anii următori să apară noi soluții și concepte – sunt sigur de acest lucru. Ceea ce consider că oferă abordarea IDEA StatiCa de tip depozit de date este tot ce e mai bun din ambele lumi: putem lăsa experții din domeniul FEA să continue să dezvolte soluții de clasă mondială, în timp ce noi ne conectăm la rezultatele și modelul lor pentru a crea modelele de îmbinare și verificările elementelor – un domeniu în care suntem cei mai buni din clasa noastră!
Sper că v-a plăcut această incursiune în lumea grinzilor cu zăbrele și că ați văzut în câte feluri vă poate ajuta IDEA StatiCa. Fiți atenți la un articol conex care va apărea în curând despre contravântuiri.
