Forțe interioare în îmbinările metalice

Forțele de capăt ale unui element din modelul de analiză a cadrului sunt transferate la capetele segmentelor de element. Excentricitățile elementelor cauzate de proiectarea nodului sunt respectate în timpul transferului.

Modelul de analiză creat prin metoda CBFEM corespunde foarte precis nodului real, în timp ce analiza forțelor interioare se efectuează pe un model 3D FEM cu bare puternic idealizat, în care elementele individuale sunt modelate prin linii de axă, iar nodurile sunt modelate prin noduri imateriale.

Nod al unui stâlp vertical și al unei grinzi orizontale

Forțele interioare sunt analizate folosind elemente 1D în modelul 3D. Mai jos este prezentat un exemplu al forțelor interioare.

Forțe interioare în grinda orizontală; M și V sunt forțele de capăt la nod

Efectele produse de un element asupra nodului sunt importante pentru proiectarea nodului (îmbinării). Efectele sunt ilustrate în figura următoare:

Efectele elementului asupra nodului; modelul CBFEM este reprezentat cu albastru închis

Momentul M și forța tăietoare V acționează în nodul teoretic. Punctul nodului teoretic nu există în modelul CBFEM, astfel că încărcarea nu poate fi aplicată aici. Modelul trebuie încărcat cu acțiunile M și V, care trebuie transferate la capătul segmentului la distanța r

M_c = M – V ∙ r

V_c = V

În modelul CBFEM, secțiunea de capăt a segmentului este încărcată cu momentul M_c și forța V_c.

La proiectarea nodului, trebuie determinată și respectată poziția reală a acestuia față de punctul teoretic al nodului. Forțele interioare în poziția nodului real diferă în general de forțele interioare în punctul teoretic al nodului. Datorită modelului CBFEM precis, proiectarea se realizează pe forțe reduse – a se vedea momentul M_r în figura următoare:

Momentul încovoietor în modelul CBFEM: săgeata indică poziția reală a îmbinării

La încărcarea nodului, trebuie respectat faptul că soluția nodului real trebuie să corespundă modelului teoretic utilizat pentru calculul forțelor interioare. Aceasta este îndeplinită pentru nodurile rigide, însă situația poate fi complet diferită în cazul articulațiilor.

Poziția articulației în modelul teoretic 3D FEM și în structura reală

Din figura anterioară reiese că poziția articulației în modelul teoretic cu elemente 1D diferă de poziția reală din structură. Modelul teoretic nu corespunde realității. La aplicarea forțelor interioare calculate, un moment încovoietor semnificativ este aplicat nodului deplasat, iar nodul proiectat este supradimensionat sau nu poate fi proiectat deloc. Soluția este simplă – ambele modele trebuie să corespundă. Fie articulația din modelul cu elemente 1D trebuie definită în poziția corectă, fie forța tăietoare trebuie deplasată astfel încât momentul să fie zero în poziția articulației.

Distribuția deplasată a momentului încovoietor pe grindă: momentul zero se află în poziția articulației

Deplasarea forței tăietoare poate fi definită în tabelul pentru definirea forței interioare.

Localizarea efectului de încărcare are o influență mare asupra proiectării corecte a îmbinării. Pentru a evita orice neînțelegeri, permitem utilizatorului să selecteze dintre trei opțiuni – Node / Bolts / Position.

Rețineți că la selectarea opțiunii Node, forțele sunt aplicate la capătul elementului selectat, care se află de obicei în nodul teoretic, cu excepția cazului în care decalajul elementului selectat este setat în geometrie.

Importul încărcărilor din programe FEA

IDEA StatiCa permite importul forțelor interioare din programe FEA terțe. Programele FEA utilizează o anvelopă a forțelor interioare din combinații. IDEA StatiCa Connection este un program care rezolvă nodul metalic în mod neliniar (model de material elastic/plastic). Prin urmare, combinațiile de anvelopă nu pot fi utilizate. IDEA StatiCa caută extremele forțelor interioare (N, V_y, V_z, M_x, M_y, M_z) în toate combinațiile la capetele tuturor elementelor conectate la nod. Pentru fiecare astfel de valoare extremă, sunt utilizate și toate celelalte forțe interioare din acea combinație în toate elementele rămase. IDEA StatiCa determină cea mai defavorabilă combinație pentru fiecare componentă (placă, sudură, șurub etc.) din îmbinare.

Utilizatorul poate modifica această listă de cazuri de încărcare. Poate lucra cu combinații în wizard (sau BIM), sau poate șterge unele cazuri direct în IDEA StatiCa Connection.

Avertisment!

Este necesar să se țină cont de forțele interioare neechilibrate în timpul importului. Aceasta poate apărea în următoarele cazuri:

• O forță nodală a fost aplicată în poziția nodului investigat. Software-ul nu poate detecta care element ar trebui să transfere această forță nodală și, prin urmare, aceasta nu este luată în considerare în modelul de analiză. Soluție: Nu utilizați forțe nodale în analiza globală. Dacă este necesar, forța trebuie adăugată manual unui element selectat ca forță axială sau forță tăietoare.
• Un element nestructural din oțel (de obicei din lemn sau beton) încărcat este conectat la nodul investigat. Un astfel de element nu este luat în considerare în analiză, iar forțele sale interioare sunt ignorate. Soluție: Înlocuiți elementul din beton cu un bloc de beton și ancoraj.
• Nodul face parte dintr-o placă sau un perete (de obicei din beton). Placa sau peretele nu face parte din model, iar forțele lor interioare sunt ignorate. Soluție: Înlocuiți placa sau peretele din beton cu un bloc de beton și ancoraj.
• Unele elemente sunt conectate la nodul investigat prin legături rigide. Astfel de elemente nu sunt incluse în model, iar forțele lor interioare sunt ignorate. Soluție: Adăugați aceste elemente manual în lista elementelor conectate.
• Cazurile de încărcare seismică sunt analizate în software. Majoritatea programelor FEA oferă analiza modală pentru rezolvarea seismicității. Rezultatele forțelor interioare ale cazurilor de încărcare seismică furnizează de obicei doar anvelopele forțelor interioare în secțiuni. Datorită metodei de evaluare (rădăcina pătrată a sumei pătratelor – SRSS), forțele interioare sunt toate pozitive și nu este posibil să se găsească forțele corespunzătoare extremului selectat. Nu este posibil să se obțină echilibrul forțelor interioare. Soluție: Modificați manual semnul pozitiv al unor forțe interioare.