Připojů vyhodnocená v doplňku Ocelové spoje používají náhradní model FEA pro ocelové spoje („submodel“) k posouzení. Tento model je vytvořen na základě topologie spoje. Jednotlivé komponenty posouzení, jako jsou plechy, svary nebo šrouby, jsou v tomto modelu zastoupeny základními prvky FEA - plochami nebo pruty - doplněnými speciálními objekty, jako jsou plošné kontakty nebo tuhé vazby. Tento přístup umožňuje porovnat chování základních komponent s analytickými vzorci norem pro posouzení. S pomocí tohoto „submodelu“ lze analyzovat nosnost a pevnost proti vzpěru, jakož i tuhost a deformační kapacitu spoje.
Rozměry submodelu se určují úměrně velikosti průřezu připojených prutů. Pruty modelované pomocí 2D ploch se prodlužují v ose o násobek největšího rozměru průřezu přes komponenty spoje. Tento faktor je standardně nastaven jako 1,5, ale může být upraven v Konfigurace nosnosti. Jako reference pro vzdálenost slouží nejvzdálenější komponenta spoje.
V submodelu je konec připojeného prutu buďto tuhě vetknut, nebo zatížen náhradním zatížením vypočteným v globálním modelu v závislosti na uživatelských nastaveních. Zatížení na koncích prutů je založeno na řezných silách z celkového modelu s ohledem na příslušná nastavení pro statickou analýzu a jsou tak upravena, aby jejich působení odpovídalo řezným silám na danou součásti v uzlu, ke kterému patří spoj. Konce prutu jsou ztuhlé pomocí tuhé plochy, aby se zabránilo zkroucení průřezu a koncentraci napětí v zatíženém nebo vetknutém uzlu.
Standardně používá náhradní model FEA ocelového spoje při výpočtu nosnosti geometrickou lineární analýzu ve spojení s nelineárním materiálovým modelem. Pro analýzu nelinearit modelu se používá iterativní metoda Newton-Raphson. Nelineární analýza druhého řádu (P-Δ) je standardním nastavením pro analýzu stability při hodnocení vzpěru, zatímco pro stabilitní analýzu se používá lineární metoda vlastních čísel. Další informace naleznete v kapitole Nastavení pro statickou analýzu manuálu RFEM.
Pokud se v při statické analýze hlavního modelu zohledňuje teorie druhého nebo třetího řádu, může to vést k nekonzistencím mezi hlavním modelem (rovnováha je dosažena na deformovaném systému) a submodelem (síly působí na nedeformovaný submodel). U typických konstrukčních systémů by však tento efekt měl být zanedbatelný.
Materiálový model
Plochy představující pruty a vložené plechy v submodelu mají rovnoměrnou tloušťku a podléhají izotropně-plastickému materiálovému modelu. Hypotéza porušení napětí je založena na kritériu průtoku podle von-Mises. Používá se bilineární diagram, podle něhož se materiál deformuje elasticky při modul pružnosti oceli až do mez kluzu. Následující plastická fáze odpovídá plastickému modulu o 1/1000 modulu pružnosti.
Kritérium pro stanovení hranice pevnosti odpovídá 5% von-Mises ekvivalentní plastické deformaci. Tato hodnota je doporučována, ale může být upravena v Konfigurace nosnosti. To umožňuje využít plastické chování oceli a přerozdělení napětí v spoji. To odpovídá reálnému chování ocelového spoje v dobré aproximaci.
Pruty a plechy
Pro modelování rovných prutových desek a vložených desek se používá geometrický typ Rovina a typ tuhosti Standardní. Plochy mají rovnoměrnou tloušťku a jsou opatřeny izotropním-plastickým materiálovým modelem, který je popsán v oddílu Materiálový model. Plochy jsou 2D objekty, které se nacházejí ve středních rovinách plechů. Pokud by jednotlivé plechy, které představují prut, nemohly být spojeny přímo přes jejich ohraničující linie, provádí se spojení pomocí tuhé vazby. Typ vazby „linie na linii“ propojuje ohraničující linku spojeného plechu s integrovanou linií vytvořenou v plechu, s kterým je spojen. Toto spojení se používá například pro I-profily.
Pruty nebo jejich části z nerovinných ploch, jako jsou například kruhové duté profily nebo zaoblené obdélníkové duté profily, se modelují segmentováním zakřiveného úseku na menší rovinné plochy. Tyto plochy mají stejné vlastnosti jako plochy používané pro rovinné plechy. Stupeň segmentace může uživatel nastavit v Konfigurace nosnosti.
Síť
Nastavení sítě pro všechny plochy umožňuje trojúhelníkové a čtyřúhelníkové konečné prvky s volbou „Generovat stejná čtverce, kde je to možné“.
Plechy každého prutu mají stejnou velikost sítě. Minimální a maximální velikosti prvkových prvků jsou standardně stanoveny. Velikost prvku se odvozuje z průřezové velikosti prutu. Standardně se nejdelší hrana průřezu rozdělí na osm částí. Nastavení sítě vložených plechů je zpracováno samostatně: Velikost prvkového prvku se odvozuje z nejdelší hrany plechu. Pro plech bez šroubů se standardně vytvoří osm prvků na delší hraně, pro šroubované plechy standardně 16 prvků.
V oblasti šroubů se na plochy šroubovaných plechů aplikuje kruhová síť spojovacích prvků. Pro tuto kruhovou síť spojovacích prvků je možné stanovit poloměr jako násobek poloměru otvoru pro šroub a také počet prvků na okraji otvoru.
Pro náhradní plochu koutového svaru lze stanovit maximální počet prvků podél délky svaru a také minimální a maximální velikost prvků.
Uzly sítě jsou připojeny přes Tuhé vazby a Plošné kontakty s připojenými liniemi nebo plochami. To ovlivňuje síť připojené plochy, takže její diskretizace není zcela nezávislá.
Šrouby
Model šroubů se skládá ze systému prutů, ploch a plošných kontaktů, které představují jednotlivé části šroubu, dřík, hlavu a matici. Pro každý šroub je v šroubovaných plechech automaticky vytvořen otvor.
Otvor je vyplněn radiálně uspořádanými pruty označovanými jako "sálky". Tyto pruty typu „trám” slouží k přenosu smykové síly mezi dříkem šroubu a plechem. Počet těchto prutů je ovlivněn nastavením sítě a odpovídá počtu prvků na okraji otvoru. Průřez těchto prutů je „plné obdélníkové”, jehož rozměry jsou ovlivněny počtem prutů a rozměry šroubovaných plechů. Odpovídají ploše dříku šroubu pod ložiskem.
K uzlům, kde jsou sálky spojeny s plechem, je přiřazen prutový kloub. Kloub je nastaven tak, aby pruty neovertuřily otvor v plechu a přenášely pouze smykovou sílu mezi plechem a šroubem.
Prvky sálků mají nelinearitu typu „selhání při tahu”, aby účinkovala pouze stlačená část šroubu. Je jim přiřazen izotropní lineární elastický materiál odpovídající oceli v elastickém stavu.
Model hlavy šroubu a matice rovněž používá řadu radiálních prutů („sálky”), protože se odkazuje na otvor šroubovaného plechu. Tyto sálky se však liší svými rozměry průřezu, takže znázorňují výšku hlavy šroubu respektive matice. Navíc nejsou k prutovým koncům přidělovány klouby ani selhání nenelinearity. Tento soubor sálků je rozšířen prstencovou plochou, která je propojena s radiálně uspořádanými sálky. Pro plochu se používá geometrický typ „Rovina” a typ tuhosti „Standard” s rovnoměrnou tloušťkou, která odpovídá výšce hlavy šroubu nebo matice.
Středy radiálního systému prutů, které znázorňují hlavu šroubu, dřík v otvoru a matici šroubu, jsou propojeny prutem znázorňujícím hlavu šroubu a závit. Je přiřazen prut typu „trám” a nazývá se „dříkem”. Dřík má kruhový průřez, jehož plocha odpovídá napěťovému průřezu šroubu. Průřezový materiál je izotropní lineárně elastický.
Pro úsek mezi šroubovanými plechy se používá prut typu „Tuhost“. Matice tuhosti odpovídá prutu, který se používá mezi hlavou šroubu (nebo maticí) a šroubovaným plechem; jediný rozdíl spočívá v diferenciační tuhosti, která je značně zvýšena. Kdyby nebyla tuhost upravena, došlo by k fyzikálně nereálnému ohybu šroubu v místě, kde se ve skutečnosti přenášejí síly výhradně smykem. Plastické chování této části šroubovitého dříku je znázorněno prutovým kloubem typu nelinearity „Diagram” na rozhraní šroubovaných plechů.
Tlakové síly vznikající při kontaktu šroubovaných plechů a mezi těmito plechy a hlavou šroubu nebo maticí se přenášejí pomocí Plošné kontakty. Ty se stanovují mezi povrchem šroubové hlavy a plochou představující první šroubovaný plech, mezi jednotlivými šroubovanými plechy, které se dotýkají, a mezi povrchem představujícím poslední šroubovaný plech a prstencovou maticí. Typ povrchového kontaktu se nastavuje ve směru kolmo k povrchům na „Selhání při tahu“ a při kontaktu paralelně s povrchy na „Tuhé tření“. Tady se nastavuje koeficient tření na hodnotu blízkou nule. Tyto kontakty umožňují generování správné tahové síly na dříku šroubu. Výsledná tahová síla a výsledná příčná síla jako výsledek vnitřních smykových sil ve směrech y a z, které se používají pro posouzení posouzení, vznikají na dříku mezi šroubovanými plechy.
Čísla v horním obrázku označují následující komponenty:
| 1 | Dřík šroubu – prut typu „Tuhost" |
| 2 | Otvor pro šroub – sálky |
| 3 | Matice – prstencova plocha |
| 4 | Matice – sálky |
| 5 | Dřík šroubu |
| 6 | Matice – povrchový kontakt |
| 7 | Hlava šroubu – povrchový kontakt |
| 8 | Hlava šroubu – sálky |
| 9 | Hlava šroubu – prstencova plocha |
Přepjaté šrouby
Předsazení šroubů je aplikováno v rámci vlastní kombinace zatížení v submodelu. Tento zatěžovací stav Přepjatí šroubu je pak považován za počáteční stav pro vlastní případ zatížení při posouzení. Podle koeficientu přepjatí zadaného v Konfigurace nosnosti (který je standardně nastaven podle EN 1993-1-8 na 0,7), se předepnutí v závislosti na pevnosti v tahu aplikuje jako zatížení prutů na dříku šroubu.
Svary
Model plně provařených Tupých svárů používá přímé spojení mezi svařovanými plechy. Je prováděno pomocí Tuhých vazeb typu „linie k linii”. Spojení se podobá spojení mezi průřezovými částmi prutu (trámové desky). Tento typ tuhé vazby používá možnosti „Uživatelsky definovaná distribuce” a „Ignorovat vliv vzdálenosti”.
Model Koutových svárů také používá systém tuhých vazeb (viz ➁ na následujícím obrázku) a náhradní plochy (viz ➀ na následujícím obrázku) pro svařované spojení.
Tuhý typ vazby je „linie k linii“ s možnostmi „Uživatelsky definovaná distribuce“ a „Ignorovat vliv vzdálenosti“, přičemž hrana připojovaného plechu je spojena s hranou náhradní plochy sváru a druhá hrana této plochy je spojena s referenčním plechem. Náhradní plocha se nachází ve střední výšce trojúhelníkového průřezu koutového sváru. Tato výška se nazývá „tloušťka hrdla” koutového sváru. Náhradní plocha koutového sváru má typ tuhosti „Standardní” a rovnoměrnou tloušťku s rozměry odpovídajícími tloušťce hrdla sváru. Používá se speciálně upravený materiálový model ortotropní plastických svárů uzpůsobený k kriteriím porušení.
Materiálový model sváru je nastaven tak, aby odpovídal chování svárového materiálu zohledňovanému v normách. To znamená, že na náhradní ploše se objevují pouze napětí, která odpovídají součástem svárového napětí σ⊥, τ⊥ a τ||. V ostatních směrech napětí je tuhost náhradní plochy téměř nulová.
Analýza vzpěru
Přístup „Náhradní FEA ocelového spoje” je dobře vhodný i pro posouzení vzpěru ocelových plechů pomocí FEA analýzy skořepinového modelu. Za tímto účelem je model použité pro statickou analýzu určitým způsobem upraven, takže je nakonec aplikován „Náhradní FEA model vzpěru ocelového spoje” („vz-pěrní submodel”).
Změněná nastavení „Vzpěrního submodelu” jsou následující:
- Všechny použité materiály se považují za elastické (prutové a pleché materiály, všechny části šroubového modelu, náhradní plocha svaru).
Model je zatížen v jeho koncích pomocí Vynucené uzlové deformace namísto sil z globálního strukturálního modelu. Tyto deformace odpovídají uzlovým silám, jejich použití však zajišťuje, že volné pruty neovlivňují výsledky stabilitní analýzy negativně.
- Standardně použitý „vzpěrní submodel” Analyza typu „Druhý řád (P-Δ)” pro statickou analýzu a „Vlastní čísla (lineární)” s čtyřmi nejnižšími vlastními čísly pro stabilitní analýzu.
Po výpočtu poskytuje model požadovaný počet vlastních čísel s příslušnými kritickými faktory zatížení. Je na uživateli posoudit, zda je stabilita ocelového spoje dostatečná.
Analýza tuhosti
K určení tuhosti spoje se používají dva submodely. Jedná se o hlavní model Náhradní FEA model tuhosti (Submodel tuhosti) – detailní skořepinový model, který je kromě zatížení a ložením identický s submodelem použitým pro statickou analýzu – a Pomocný FEA model tuhosti (Pomocný submodel tuhosti), který se používá k zohlednění účinků deformací připojených prutů.
Návrhové parametry „Submodelu tuhosti” jsou spravovány v Konfigurace analýzy tuhosti. Tímto nastavením můžete vybrat „Typ analýzy” (geometricky lineární nebo P-Δ druhého řádu) a také definovat „Maximální počet iterací” a „Počet kroků zatížení”. Můžete také řídit velikost modelu a nastavení sítě, podobně jako u nastavení konfigurace nosnosti, které platí pro analýzu napětí a napětí spoje. Další parametry modelu jsou také převzaty z konfigurace nosnosti.
Komponenty zatížení aplikované na oba submodely (Submodel tuhosti a Pomocný submodel tuhosti) odpovídají tuhostem kloubu, které mají být analyzovány. Tuhost je analyzována pro každý prut ve spoji samostatně. Analyzovaný prut je na svém konci zatížen bezvýznamným zatížením odpovídajícím typu a směru zkoumané tuhosti S (SN+, SN-, SMy+, SMy-, SMz+, SMz-). Ostatní pruty ve spoji jsou na svých koncích tuhé. Velikost zatížení pro určení „Počáteční tuhosti” závisí na rozměrech každého připojeného prutu.
Po provedení výpočtu se z Submodelu tuhosti použijí deformace (otáčení nebo posunutí) na konci každého analyzovaného prutu. Deformace získaná z Pomocného submodelu tuhosti je odečtena od této deformace, aby se zohlednila tuhost připojených prutů. Výsledkem je tuhost spoje vypočítaná z zatížení a deformace. Na základě této tuhosti lze spoje klasifikovat jako „kloubový”, „poddajný” nebo „momenteresistentní”.