Modello FE del giunto in acciaio sostitutivo

I collegamenti analizzati nell'add-on Giunti acciaio utilizzano il cosiddetto modello FE di giunti acciaio sostitutivo ( sottomodello ) per la verifica. Questo modello viene creato secondo un modello topologico di un giunto in acciaio. I singoli componenti di progetto, come piastre, saldature o bulloni, sono rappresentati in questo modello da oggetti EF di base - superfici o aste - che sono integrati da oggetti speciali, come contatti di superfici o collegamenti rigidi. Questo approccio consente di confrontare il comportamento di questi elementi di base con le formule analitiche disponibili nelle norme di progetto. Utilizzando il sottomodello, è possibile analizzare la resistenza e l'instabilità, nonché la rigidezza e la capacità deformativa del giunto in acciaio.

Le dimensioni del sottomodello sono determinate proporzionalmente alle dimensioni della sezione delle aste unite. Le aste modellate utilizzando superfici 2D sono estese nella direzione dall'intersezione delle linee centrali di una lunghezza che, per impostazione predefinita, corrisponde a 1,5 volte la dimensione della sezione più grande dell'asta. Questa distanza è misurata dal componente più lontano utilizzato.

Nel sottomodello, l'estremità dell'asta collegata è supportata da un vincolo rigido o caricata da un carico sostitutivo calcolato nel modello di struttura globale, a seconda delle impostazioni dell'utente. Il carico alle estremità delle aste è regolato in modo che il suo effetto corrisponda alle forze interne sull'asta pertinente nel nodo a cui è assegnato il giunto. Le estremità dell'asta sono irrigidite con una piastra rigida per prevenire l'ingobbamento della sezione ed evitare concentrazioni di tensioni nel nodo caricato o supportato.

Per impostazione predefinita, il modello EF del sottomodello utilizza un'analisi geometricamente lineare insieme a un modello di materiale non lineare per calcolare la resistenza ultima. Il metodo iterativo di Newton-Raphson viene applicato per analizzare le non linearità del modello. L'analisi non lineare del secondo ordine (P-Δ) viene utilizzata come impostazione predefinita per l'analisi strutturale nel caso della valutazione dell'instabilità, mentre il metodo degli autovalori lineare viene utilizzato per l'analisi di stabilità. Per ulteriori informazioni, vedere il capitolo Impostazioni dell'analisi statica del manuale di RFEM.

Modello del materiale

Le superfici che rappresentano le piastre delle aste e le piastre inserite nel "Sottomodello" hanno uno spessore uniforme con il modello di materiale plastico isotropo assegnato. L'ipotesi di rottura per tensione si basa sul criterio di snervamento di von Mises. Viene utilizzato un diagramma bilineare. Il materiale è elastico fino al raggiungimento della tensione di snervamento. Il modulo elastico corrisponde all'acciaio; nella successiva fase plastica, il modulo plastico corrisponde a 1/1000 del modulo elastico.

Il criterio per determinare il limite di resistenza ultima corrisponde al 5% di deformazione plastica equivalente di von Mises. Questo valore è consigliato, ma può essere modificato dall'utente. La resistenza ultima determinata dal limite di deformazione plastica consente di utilizzare il comportamento plastico dell'acciaio e la ridistribuzione delle forze interne nel giunto. Ciò corrisponde bene al comportamento reale del giunto in acciaio.

Aste e piastre

Per la modellazione delle piastre delle aste piane e delle piastre inserite, vengono utilizzati il tipo di geometria "Piano" e il tipo di rigidezza "Standard". Le superfici hanno uno spessore uniforme con un modello di materiale plastico isotropo assegnato, che è descritto nella sezione Modello di materiale. La superficie è un oggetto 2D che si trova nel piano centrale della piastra. Se le singole piastre, che rappresentano l'asta, non possono essere collegate direttamente utilizzando le loro linee di contorno, viene creato un collegamento utilizzando Collegamenti rigidi. Il tipo di collegamento rigido "Linea a linea" collega la linea di contorno della piastra dell'asta collegata e la linea integrata creata nella piastra dell'asta a cui è collegata. Questo collegamento viene utilizzato, ad esempio, per le sezioni a I.

Le aste o le loro parti da superfici non piane, come sezioni cave circolari o sezioni cave rettangolari arrotondate, sono modellate segmentando la sezione curva in superfici piane più piccole. Queste superfici hanno le stesse proprietà delle superfici utilizzate per le piastre piane. Il livello di segmentazione può essere modificato dall'utente.

Rete

Le impostazioni della mesh per tutte le superfici hanno la forma degli elementi finiti impostata su triangoli e quadrangoli con l'opzione applicata "Stessi quadrati ove possibile".

Le piastre delle aste di ogni asta hanno le stesse dimensioni dell'elemento mesh. La dimensione minima e massima dell'elemento è impostata per impostazione predefinita. La dimensione dell'elemento mesh è derivata dalla dimensione della sezione trasversale dell'asta. Per impostazione predefinita, il bordo più lungo della sezione trasversale è diviso in otto parti. L'impostazione della mesh delle piastre inserite viene gestita separatamente: La dimensione dell'elemento mesh è derivata dal bordo più lungo della lamiera. Per una piastra senza bulloni, viene creato un valore predefinito di otto elementi sul bordo più lungo; per una piastra bullonata, il valore predefinito è 16 elementi.

Per i bulloni, un infittimento della mesh del nodo circolare viene applicato solo alle superfici per piastre bullonate. Per questo infittimento del nodo circolare, è possibile impostare il raggio come multiplo del raggio del foro del bullone, nonché impostare il numero di elementi sul bordo del foro del bullone.

Per la superficie sostitutiva della saldatura d'angolo, è possibile specificare il numero massimo di elementi lungo la lunghezza della saldatura e le dimensioni minima e massima degli elementi.

I nodi della mesh sono collegati a linee o superfici collegate tramite link rigidi e contatti di superficie. Ciò ha un impatto sulla mesh della superficie collegata, in modo che la sua discretizzazione non sia completamente indipendente.

bulloni

Il modello di bullone è costituito da un sistema di aste, superfici e contatti di superfici che rappresentano le singole parti del bullone, del gambo, della testa e del dado. Un foro è preparato per ogni bullone nelle piastre imbullonate.

Il foro nella piastra è riempito con aste disposte radialmente chiamate "raggi". Queste aste, del tipo "Trave", sono utilizzate per trasferire il taglio tra il gambo del bullone e la piastra. Il numero di queste aste è influenzato dall'impostazione della mesh, corrispondente al numero di elementi sul bordo del foro. La sezione di queste aste è un "Rettangolo massiccio" e le sue dimensioni sono influenzate dal numero di aste e dalle dimensioni delle piastre imbullonate e corrispondono all'area del bullone in appoggio.

Un vincolo interno dell'asta è assegnato al nodo in cui le aste sono collegate alla piastra. La cerniera è impostata in modo che le aste non rafforzino il foro nella piastra e trasmettano solo il taglio tra la piastra e il bullone.

Le aste a raggio hanno una non linearità "Rottura per trazione" per consentire solo alla parte compressa del bullone di agire. Ad essi viene assegnato un materiale elastico lineare isotropo corrispondente all'acciaio nello stato elastico.

Il modello della testa del bullone e del dado utilizza anche un set di aste radiali ("raggi"), poiché viene applicato al foro della piastra imbullonata. Queste aste differiscono nelle dimensioni della sezione trasversale, tuttavia, in modo che rappresentano l'altezza della testa del bullone o del dado. Inoltre, non viene assegnato né cerniere alle estremità dell'asta né alcuna non linearità di rottura. Quel set di aste è esteso da una superficie a forma di anello che si collega ai raggi disposti radialmente. Per la superficie, vengono utilizzati il tipo di geometria "Piano" e il tipo di rigidezza "Standard", con uno spessore uniforme che corrisponde all'altezza della testa del bullone o del dado.

I centri del sistema radiale di aste che rappresentano la testa del bullone, il bullone nel foro e il dado del bullone sono uniti da un'asta che rappresenta il gambo del bullone e la filettatura. Ad essa viene assegnato il tipo di asta "Trave" ed è indicato come gambo. L'asta della spalla ha una sezione trasversale circolare la cui area corrisponde all'area filettata del bullone. Il materiale della sezione trasversale è elastico lineare isotropo.

Il tipo di asta "Rigidezza definibile" è utilizzato nella sezione tra le piastre imbullonate. La matrice di rigidezza corrisponde all'asta utilizzata tra la testa del bullone (dado) e la piastra imbullonata; l'unica differenza è la rigidezza flessionale, che è aumentata in modo significativo. Se la rigidezza non è stata regolata, ci sarebbe una flessione fisicamente irrealistica del bullone nel punto in cui le forze sono effettivamente trasmesse esclusivamente dal taglio. Il comportamento plastico di questa parte del gambo del bullone è rappresentato da una cerniera dell'asta all'interfaccia delle piastre imbullonate. Le condizioni della cerniera sono fisse in tutti i gradi di libertà eccetto la rotazione assiale e la direzione assiale, che sono assegnate utilizzando il tipo di non linearità "Diagramma". Questa non linearità è equivalente al comportamento plastico bilineare del materiale della spalla del bullone.

Le forze di compressione che si verificano nel contatto delle piastre imbullonate e tra queste piastre e la testa del bullone o del dado sono trasmesse da contatti tra superfici. Sono posizionati tra la superficie dell'anello della testa del bullone e la superficie che rappresenta la prima piastra imbullonata, tra le singole piastre imbullonate che sono in contatto (potrebbero esserci più piastre nel caso di collegamenti a taglio multipli) e tra la superficie che rappresenta il ultima piastra imbullonata e l'anello del dado. Il tipo di contatto tra superfici è impostato come "Rottura per trazione" nella direzione perpendicolare alle superfici e "Attrito rigido" in contatto parallelo alle superfici. Qui, il coefficiente di attrito è impostato su un valore vicino a zero. Questi contatti consentono di generare la forza di trazione corretta sulla spalla del bullone.

La forza di trazione di progetto e la forza di taglio di progetto come risultato delle forze di taglio interne nelle direzioni y e z utilizzate per le verifiche di progetto si verificano sul gambo tra le piastre imbullonate.

I numeri nell'immagine sopra indicano i seguenti componenti:

Saldature

Il modello di saldature di testa completamente attraversate utilizza un collegamento diretto tra le piastre saldate. È rappresentato da Collegamenti rigidi del tipo "Linea a linea". Il collegamento è simile al collegamento tra i piatti delle aste. Questo tipo di collegamento rigido utilizza le opzioni "Distribuzione definita dall'utente" e "Ignora posizione relativa".

Anche il modello delle saldature d'angolo utilizza un sistema di collegamenti rigidi (vedere ➁ nel grafico sotto), con superfici sostitutive (vedere ➀ nel grafico sotto) per il collegamento.

Il tipo di collegamento rigido è "Linea a linea", con le opzioni "Distribuzione definita dall'utente" e "Ignora posizione relativa" applicate, che unisce il bordo della piastra di collegamento al bordo della superficie di saldatura sostitutiva e il secondo bordo della sostituire la superficie alla piastra di riferimento. La superficie sostitutiva si trova a metà dell'altezza della sezione trasversale triangolare della saldatura d'angolo. Questa altezza è nota come "spessore della gola" della saldatura d'angolo. La superficie sostitutiva della saldatura d'angolo ha il tipo di rigidezza "Standard" e uno spessore uniforme con le dimensioni che corrispondono allo spessore della gola della saldatura. Viene applicato il modello del materiale plastico ortotropo.

Il modello del materiale è impostato per corrispondere al comportamento della saldatura considerato nelle norme. Ciò significa che solo le tensioni che corrispondono alle componenti delle tensioni di saldatura σ_⊥, τ_⊥ e τ||sorgono sulla superficie sostitutiva. Nelle restanti direzioni di tensione, la rigidezza della superficie sostitutiva è vicina a zero.

Analisi di instabilità

L'approccio del modello EF del giunto sostitutivo in acciaio è adatto anche per valutare l'instabilità della piastra di acciaio utilizzando un'analisi EF del modello a guscio. A tale scopo, il modello utilizzato per l'analisi statica viene adattato in un certo modo in modo che venga finalmente applicato il modello FE di instabilità del giunto in acciaio sostitutivo ( sottomodello di instabilità ).

Le impostazioni modificate del sottomodello di instabilità sono le seguenti:

• Tutti i materiali utilizzati sono impostati su elastici (materiale dell'asta e della piastra, tutte le parti del modello di bullone, superficie sostitutiva della saldatura).
• Il modello è caricato alle estremità da Spostamenti generalizzati imposti dei nodi invece delle forze dalla struttura globale modello. Queste deformazioni sono equivalenti ai carichi nodali, ma il loro utilizzo garantirà che le estremità libere dell'asta non influiscano negativamente sui risultati dell'analisi di stabilità.
• Per impostazione predefinita, il sottomodello di instabilità utilizza il tipo di analisi "Secondo ordine (P-Δ)" per l'analisi statica e il "Metodo degli autovalori (lineare)" con quattro autovalori più bassi per l'analisi di stabilità.

Dopo il calcolo, il modello fornisce il numero richiesto di autovalori con ciascun coefficiente di carico critico. Spetta all'utente valutare se la stabilità del giunto in acciaio è sufficiente.

Analisi di rigidezza

Per determinare la rigidezza del giunto, vengono utilizzati due sottomodelli. Questi sono il principale modello EF di rigidezza del giunto in acciaio sostitutivo ( sottomodello di rigidezza ) - un modello a guscio dettagliato che è, ad eccezione del carico e dei vincoli, identico al sottomodello utilizzato per l'analisi statica -, e il modello FE di rigidezza ausiliaria del giunto in acciaio sostitutivo ( Sottomodello di rigidezza ausiliaria ) che viene utilizzato per perfezionare i risultati di rigidezza del giunto considerando l'effetto degli spostamenti generalizzati delle aste collegate.

I parametri di progetto del sottomodello di rigidezza sono gestiti nella "Configurazione dell'analisi di rigidezza". Questa impostazione consente di selezionare il "Tipo di analisi" (geometricamente lineare o P-Δ del secondo ordine) e di definire il "Numero massimo di iterazioni" e il "Numero di incrementi di carico". È anche possibile controllare le dimensioni del modello e le impostazioni della mesh, in modo simile alle impostazioni della "Configurazione ultima" applicabili per l'analisi tensioni-deformazioni del collegamento. Anche ulteriori parametri del modello sono presi dalla configurazione ultima.

I carichi su entrambi i sottomodelli (sottomodello di rigidezza e sottomodello di rigidezza ausiliaria) corrispondono alla rigidezza del giunto in esame. La rigidezza viene analizzata separatamente per ogni asta nel giunto. L'asta analizzata è caricata alla fine con una forza unitaria corrispondente al tipo e alla direzione della rigidezza esaminata S (S_N+, S_N-, S_My+, S_My-, S_Mz+, S_Mz- ). Le altre aste nel collegamento hanno vincoli rigidi alle loro estremità. Il valore del carico unitario per determinare la "rigidità iniziale" dipende dalla dimensione di ogni asta collegata.

Una volta eseguito il calcolo, il sottomodello di rigidezza viene utilizzato per ottenere la deformazione (rotazione o spostamento) alla fine di ogni asta analizzata. La deformazione ottenuta dal sottomodello di rigidezza ausiliaria viene sottratta da questa deformazione per considerare la rigidezza delle aste attaccate. Il risultato è la rigidezza del giunto calcolata dal carico e dalla deformazione. In base a questa rigidezza, i collegamenti possono essere classificati come "Bloccati", "Semirigidi" o "Rigidi".