Introducere generală în proiectarea structurală a îmbinărilor din oțel

Introducere

Elementele tip grindă sunt preferate de ingineri la proiectarea structurilor metalice. Cu toate acestea, există multe zone ale structurii în care teoria elementelor nu este valabilă, de exemplu: îmbinări sudate, îmbinări cu șuruburi, fundații, goluri în pereți, înălțimea variabilă a secțiunii transversale și încărcări concentrate. Analiza structurală în astfel de zone este dificilă și necesită o atenție deosebită. Comportamentul este neliniar, iar neliniaritatile trebuie luate în considerare, de exemplu: curgerea materialului plăcilor, contactul dintre plăcile de capăt sau placa de bază și blocul de beton, acțiunile unilaterale ale șuruburilor și ancorelor, sudurile. Codurile de proiectare, de exemplu EN1993-1-8, precum și literatura tehnică oferă metode de calcul inginerești. Caracteristica lor generală este derivarea pentru forme structurale tipice și încărcări simple. Metoda componentelor este utilizată foarte frecvent.

Metoda componentelor

Metoda componentelor (MC) rezolvă îmbinarea ca un sistem de elemente interconectate – componente. Modelul corespunzător este construit pentru fiecare tip de îmbinare, pentru a putea determina forțele și tensiunile în fiecare componentă – a se vedea imaginea de mai jos.

Componentele unei îmbinări cu plăci de capăt și șuruburi, modelate prin arcuri

Fiecare componentă este verificată separat folosind formulele corespunzătoare. Deoarece trebuie creat un model adecvat pentru fiecare tip de îmbinare, utilizarea metodei are limitări în cazul îmbinărilor cu forme generale și încărcări generale.

IDEA StatiCa, împreună cu o echipă de proiect din cadrul Departamentului de Structuri din Oțel și Lemn al Facultății de Inginerie Civilă din Praga și al Institutului de Structuri Metalice și din Lemn al Facultății de Inginerie Civilă din Universitatea Tehnică din Brno, a dezvoltat o metodă pentru proiectarea avansată a îmbinărilor structurale metalice.

Modelul cu Elemente Finite bazat pe Componente (CBFEM) este:

• Suficient de general pentru a fi utilizabil pentru majoritatea îmbinărilor, fundațiilor și detaliilor din practica inginerească.
• Suficient de simplu și rapid în practica zilnică pentru a furniza rezultate într-un timp comparabil cu metodele și instrumentele actuale.
• Suficient de cuprinzător pentru a oferi inginerului structurist informații clare despre comportamentul îmbinării, tensiuni, deformații și rezervele componentelor individuale, precum și despre siguranța și fiabilitatea globală.

Metoda CBFEM se bazează pe ideea că cele mai verificate și utile părți ale MC trebuie păstrate. Punctul slab al MC – generalitatea sa în analiza tensiunilor componentelor individuale – a fost înlocuit prin modelare și analiză folosind Metoda Elementelor Finite (MEF).

MEF este o metodă generală utilizată frecvent pentru analiza structurală. Utilizarea MEF pentru modelarea îmbinărilor de orice formă pare a fi ideală (Virdi, 1999). Analiza elastic-plastică este necesară, deoarece oțelul cedează în mod obișnuit în structură. De fapt, rezultatele analizei liniare sunt inutilizabile pentru proiectarea îmbinărilor.

Modelele MEF sunt utilizate în scopuri de cercetare a comportamentului îmbinărilor, aplicând de obicei elemente spațiale și valori măsurate ale proprietăților materialelor.

Model MEF al unei îmbinări pentru cercetare. Utilizează elemente spațiale 3D atât pentru plăci, cât și pentru șuruburi

Atât inimile, cât și tălpile elementelor conectate sunt modelate cu elemente de tip placă în modelul CBFEM, pentru care există soluții cunoscute și verificate.

Dispozitivele de fixare – șuruburile și sudurile – sunt cele mai dificile din punctul de vedere al modelului de analiză. Modelarea unor astfel de elemente în programele generale MEF este dificilă, deoarece programele nu oferă proprietățile necesare. Prin urmare, au trebuit dezvoltate componente MEF speciale pentru a modela comportamentul sudurilor și șuruburilor într-o îmbinare.

Model CBFEM al unei îmbinări cu șuruburi și plăci de capăt

Îmbinările elementelor sunt modelate ca puncte fără masă la analiza structurilor cadru sau grinzi metalice. Ecuațiile de echilibru sunt asamblate în noduri, iar forțele interioare la capetele grinzilor sunt determinate după rezolvarea întregii structuri. De fapt, îmbinarea este încărcată de aceste forțe. Rezultanta forțelor din toate elementele din nod este zero – întreaga îmbinare este în echilibru.

Forma reală a unei îmbinări nu este cunoscută în modelul structural. Inginerul definește doar dacă îmbinarea este considerată rigidă sau articulată.

Este necesar să se creeze un model credibil al îmbinării, care să respecte starea reală, pentru a proiecta corect îmbinarea. Capetele elementelor cu lungimea de 2-3 ori înălțimea maximă a secțiunii transversale sunt utilizate în metoda CBFEM. Aceste segmente sunt modelate cu elemente de tip placă.

Un nod teoretic (fără masă) și forma reală a îmbinării fără capete de element modificate

Pentru o precizie mai bună a modelului CBFEM, forțele de capăt pe elementele 1D sunt aplicate ca încărcări la capetele segmentelor. Sextupletele de forțe din nodul teoretic sunt transferate la capătul segmentului – valorile forțelor sunt păstrate, dar momentele sunt modificate prin acțiunile forțelor pe brațele corespunzătoare.

Capetele segmentelor la îmbinare nu sunt conectate. Conexiunea trebuie modelată. Așa-numitele operații de fabricație sunt utilizate în metoda CBFEM pentru a modela îmbinarea. Operațiile de fabricație sunt în special: tăieri, decalaje, găuri, elemente de rigidizare, nervuri, plăci de capăt și eclise, corniere de prindere, plăci de nod și altele. Se adaugă, de asemenea, elementele de fixare (suduri și șuruburi).

IDEA StatiCa Connection poate efectua două tipuri de analiză:

1. Analiză geometric liniară cu neliniaritatile de material și contact pentru analiza tensiunilor și deformațiilor,
2. Analiză prin valori proprii pentru determinarea posibilității de flambaj.

În cazul îmbinărilor, analiza geometric neliniară nu este necesară, cu excepția cazului în care plăcile sunt foarte zvelte. Zveltețea plăcilor poate fi determinată prin analiza valorilor proprii (flambaj). Pentru zveltețea limită la care analiza geometric liniară este încă suficientă, a se vedea Capitolul 3.9. Analiza geometric neliniară nu este implementată în software.