Modelowanie połączeń jako modeli powierzchniowych

Artykuł o tematyce technicznej

W module RF-/FRAME-JOINT Pro, istnieje możliwość wymiarowania połączeń dla ram zgodnie z DIN 18800 lub Eurokodem 3. Jeśli chodzi o połączenia niestandardowe lub zachodzi konieczność dokładniejszego sprawdzenia połączenia i jego zachowania, zaleca się tworzenie modeli powierzchniowych. Poniższy artykuł wyjaśnia, jak zbudowany jest taki model.

Tworzenie modelu pręta

Program RFEM umożliwia wygenerowanie modelu powierzchniowego z elementu prętowego na podstawie przekroju poprzecznego posiadającego cienkie ścianki. Dlatego, w pierwszej kolejności należy utworzyć model prętowy, a następnie odpowiednie pręty należy przekonwertować. Model wykorzystany w tym artykule pokazano na Rysunku 01 a.

Rysunek 01 - Rama hali jako podstawa modelu powierzchniowego

Jest to pojedyncza rama hali, gdzie połączenie ramowe zaznaczone na rysunku strzałką zostanie zastąpione modelem powierzchniowym. Długość prętów odgrywa tu istotną rolę z dwóch powodów:

  1. Model powierzchniowy wymaga większej ilości elementów skończonych niż model prętowy. Dlatego zaleca się, aby wybrać jak najmniejszą długość pręta, w celu zminimalizowania pracy związanej z przeprowadzeniem obliczeń i tym samym skrócenia czasu ich przeprowadzania. Z drugiej strony, dokładność obliczeń wzrasta, jeśli duża część pręta zostanie zdefiniowana jako model powierzchniowy i zwiększona zostanie ilość elementów skończonych.
  2. Przekształcenie z pręta na model powierzchniowy wymaga odpowiedniego przyłożenia obciążenia - siły wewnętrzne pręta muszą zostać przeniesione z węzła na linie w przekroju poprzecznym. Aby uzyskać rozmieszczenie obciążenia jak najbardziej zbliżone do rzeczywistości, pręt nie powinien być zbyt krótki.

Aby oba warunki zostały spełnione, można skorzystać z ogólnej zasady rozmieszczenia obciążeń pod kątem 60 °. Największa szerokość przekroju poprzecznego powinna zostać zastosowana jako minimalna odległość dla pola przyłożenia obciążenia.

Rysunek 02 - Wpływ długości słupa

Rysunek 02 pokazuje porównanie trzech zamodelowanych połączeń ramy w jednym przekroju, który znajduje się w odległości równej połowie szerokości przekroju b. Wartościami odniesienia są równoważne naprężenia von Mises’a. Wyraźnie widać różnice w wynikach pomiędzy opcją 1 z zastosowaną odległością l równą pojedynczej szerokości przekroju, a opcją 2 z zastosowaną podwójną szerokością przekroju. Co więcej, dla długości równej trzykrotności szerokości przekroju pokazanej w wariancie 3, różnice wydają się ledwo widoczne. Dlatego zaleca się zastosować długość równą podwójnej szerokości przekroju aby być po bezpiecznej stronie. To samo dotyczy dźwigara. Dla uproszczenia, nie wykonano cięcia tego elementu i zastosowano cały element zbieżny.

Ponieważ słup powinien być ciągły, należy go wydłużyć w górę ponad dochodzący pręt. Długość pręta należy dobrać w taki sposób, aby wystawał co najmniej poza belkę zbieżną, ponieważ później zostanie przycięty do prawidłowej długości. Zmodyfikowane połączenie dla ramy pokazano na Rysunku 01 b.

Tworzenie modelu powierzchniowego

Teraz pręty mogą zostać przekształcone w modele powierzchniowe. Po kliknięciu prawym klawiszem myszy na pręt, otworzy się menu i należy wybrać "Generować powierzchnie z pręta". Utworzony model posiada różne miejsca przecięć. Ponadto, brakuje płyt czołowych, żeber i prawidłowego nachylenia słupa.

Najpierw należy edytować przecięcia. W tym celu należy wybrać narzędzie "Połączyć linie lub pręty". Po zaznaczeniu dwóch przecinających się powierzchni i użyciu tego narzędzia, na liniach ograniczających te powierzchnie w miejscu przecięcia zostaną utworzone punkty przecięcia. Istnieje też możliwość utworzenia przecięcia i przekonwertowania go na linię. Punkty końcowe belki zbieżnej można przesunąć w miejsca nowych punktów jak pokazano na Rysunku 03.

Rysunek 03 - Przecinanie belki zbieżnej narzędziem "Połączyć linie lub pręty"

Może się zdarzyć, że po użyciu funkcji „Połączyć linie lub pręty” powstaną nieprawidłowe powierzchnie lub zostaną one usunięte. Można to poprawić później. Po usunięciu wszystkich niepotrzebnych linii i węzłów, powinien powstać model widoczny na Rysunku 04.

Rysunek 04 - Przenoszenie nachylenia dźwigara na słup

Następny krok to cięcie słupa. Aby wyświetlić poprawne nachylenie wzmocnienia, w trakcie kopiowania jedna z krawędzi górnego pasa zostaje użyta jako wektor przesunięcia. Proces pokazano na Rysunku 04. Górny punkt przecięcia pomiędzy słupem a pasem dźwigara należy skopiować. W oknie dialogowym "Przesunąć i/lub kopiować” wprowadzona zostaje dodatnia ilość kopii i wprowadzony zostaje wektor poprzez węzeł początkowy i końcowy krawędzi pasa dźwigara. Wartość dla kierunku dY musi zostać ustawiona na 0. Teraz może zostać utworzona linia pomiędzy węzłami. Linia ta przecina również krawędź przeciwległego pasa słupa. Za pomocą narzędzia "Połączyć linie lub pręty", możliwe jest wygenerowanie punktu przecięcia.

Rysunek 05 - Przycinanie słupa

Po wyświetleniu prawidłowego nachylenia, nowy węzeł jest kopiowany na drugą stronę słupa, a węzły na końcu słupa są wówczas przesuwane do tych nowych węzłów (Rysunek 05 a). W tym punkcie, połączenie między słupem i utworzonym przedłużeniem może zostać przesunięte do niższej krawędzi belki zbieżnej, a dodatkowe linie dla elementów usztywniających i płyty czołowej można utworzyć jak pokazano na Rysunku 05 b.

Następnie utworzona zostanie płyta czołowa belki zbieżnej. Linie przecięcia pomiędzy słupem i dźwigarem można skopiować prostopadle do słupa. Odległość zależy od grubości pasa i płyty czołowej. Należy zsumować połowy grubości elementów. W tym przykładzie grubość pasa wynosi 13.5 mm, a grubość płyty czołowej to 12 mm. To daje wynik odległości na poziomie około 13 mm. Po skopiowaniu linii, linie dźwigara można również utworzyć w nowych węzłach na końcu (Rysunek 06) oraz można utworzyć dodatkowe linie łączące dla płyty czołowej. Po wykonaniu tego kroku powierzchnie belki zbieżnej już nie istnieją, ponieważ zmieniono ich linie graniczne.

Rysunek 06 - Tworzenie węzła dla płyty czołowej przy dźwigarze

Aby skończyć modelowanie, tworzone są linie żeber oraz nowe i utracone powierzchnie. To działanie skutkuje powstaniem obecnego stanu, jak pokazano na Rysunku 07. Aby wyświetlany obraz był zrozumiały, powierzchnie zostały przedstawione w różnych kolorach, w zależności od ich grubości.

Rysunek 07 - Ukończone modelowanie powierzchni z dodatkowymi elementami usztywniającymi środnik

Modelowanie połączenia śruba/półka

Połączenie pomiędzy płytą czołową dźwigara i półką słupa zostanie zrealizowane poprzez wykorzystanie bryły kontaktowej i prętów. Bryła kontaktowa jest umieszczona pomiędzy dwoma powierzchniami (słup/dźwigar) i może symulować uszkodzenie pod wpływem rozciągania między powierzchniami. Siły rozciągające powinny zostać przejęte przez śruby, zamodelowane jako pręty.

Przede wszystkim, wprowadzone zostają otwory w bryle kontaktowej. Podstawą dla otworów w bryłach są otwory w powierzchniach (w pasie i płycie czołowej). W pierwszym kroku, węzeł płyty czołowej u góry zostaje skopiowany w odpowiednie miejsce (Rysunek 08 a).   W tym miejscu można utworzyć okrąg (należy dostosować płaszczyznę roboczą). Powierzchnie boczne brył kontaktowych zawsze muszą posiadać cztery linie graniczne. Ponieważ otwór wewnątrz powierzchni jeszcze nie istnieje, okrąg musi zostać podzielony na dwa segmenty (Wstawić linię i Połączyć linie lub pręty). Otwór można utworzyć za pomocą funkcji "Wybrać linie graniczne" (Rysunek 08 b).

Rysunek 08 - Tworzenie otworów w płycie czołowej belki

W kolejnym kroku, wygenerowany otwór wraz ze środkiem zostaje skopiowany do dolnej części. Następnie oba otwory mogą zostać skopiowane z wykorzystaniem funkcji lustro (Rysunek 09 a). Bryła kontaktowa lub raczej dwie bryły kontaktowe zostają utworzone poprzez wybranie dwóch powierzchni po przeciwnych stronach i wybór funkcji "Utwórz bryłę z kontaktem…" (Rysunek 09 b). Gotowe bryły kontaktowe pokazano w modelu na Rysunku 09 c. Funkcja "Uszkodzenie podczas rozciągania" jest ustawiona w oknie dialogowym brył.

Rysunek 09 - Gotowy otwór i tworzenie bryły kontaktowej

Pręty stalowe o okrągłych przekrojach mogą być wykorzystanie w modelowaniu śrub w odniesieniu do średnicy rdzenia zastosowanych śrub. Można zastosować także naprężenie wstępne. Połączenie między prętem i powierzchnią jest wykonane z powierzchnią typu "Bez rozciągania membranowego". W ten sposób symuluje się uszkodzenie pod wpływem rozciągania na krawędzi otworu (Rysunek 10).

Rysunek 10 - Ukończony model połączenia dla ramy ze śrubami i prętami sztywnymi

Połączenie z modelem prętowym jest utworzone za pomocą prętów sztywnych. Sztywne pręty zostają utworzone na obu końcach modelu powierzchniowego w miejscach linii granicznych przekrojów modelu powierzchniowego. Zapewniają równomierne rozmieszczenie obciążenia z punktu modelu prętowego do modelu powierzchniowego.

Przydatne wskazówki

To, czy model jest spójny, będzie widoczne podczas generowania siatki ES. Poniżej przestawione są trzy typowe problemy i proponowane rozwiązania.

  1. "Linie definicji powierzchni nie są zamknięte”
    Problem pojawia się, jeśli linie graniczne powierzchni zostały zmienione. W opisywanym modelu, zmienianych zostało kilka powierzchni belki zbieżnej. Stare powierzchnie zostały zastąpione nowymi. Stare, niekompletne powierzchnie, mogą zostać usunięte. Ogólnie można stwierdzić, że poprawa powierzchni trwa często dłużej niż wygenerowanie nowej za pomocą funkcji "Wybrać linie graniczne".
  2. "Niezgodna ilość zintegrowanych obiektów w powierzchniach kontaktowych"
    Podczas zastosowania bryły kontaktowej, obie powierzchnie kontaktowe muszą być identyczne. Jeżeli na jednej powierzchni znajduje się węzeł to na drugiej powierzchni musi znajdować się także identyczny węzeł. Powierzchnie graniczne muszą być standardowe dla obu powierzchni kontaktowych.
  3. "Powierzchnie boczne XX nie mają czterech linii granicznych”
    Wszystkie powierzchnie boczne bryły kontaktowej muszą mieć cztery linie graniczne. Dotyczy to także otworów w bryle kontaktowej. Rysunek 11 pokazuje prosty przykład. W przypadku a, wyświetlona powierzchnia graniczna ma dokładnie cztery linie (2, 22, 10, 23), jednak w przypadku b, jest pięć linii, co nie jest dopuszczalne. Natomiast ilość linii granicznych dla powierzchni kontaktowych jest dowolna.
Rysunek 11 - Poprawne i błędne modelowanie powierzchni bocznych bryły kontaktowej

Słowa kluczowe

modelowanie połączenie model powierzchniowy

Do pobrania

Linki

Kontakt

Kontakt do Dlubal

Mają Państwo pytania lub potrzebują porady?
Zapraszamy do kontaktu z nami lub odwiedzenia naszej strony z FAQ.

+48 (32) 782 46 26

+48 730 358 225

info@dlubal.pl

RFEM Program główny
RFEM 5.xx

Program główny

Oprogramowanie do obliczeń płaskich i przestrzennych układów konstrukcyjnych, obejmujących płyty, ściany, powłoki, pręty (belki), bryły i elementy kontaktowe, z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES)

Cena pierwszej licencji
3 540,00 USD
RFEM Połączenia
RF-FRAME-JOINT Pro 5.xx

Moduł dodatkowy

Połączenia dla ram według Eurokodu 3 lub DIN 18800

Cena pierwszej licencji
1 120,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Timber - Timber to Timber 5.xx

Moduł dodatkowy

Obliczanie bezpośrednich połączeń drewnianych według Eurokod 5

Cena pierwszej licencji
360,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Timber - Steel to Timber 5.xx

Moduł dodatkowy

Projektowanie pośrednich połączeń drewnianych (śruby i płyty stalowe) według Eurokodu  5

Cena pierwszej licencji
850,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Steel - DSTV 5.xx

Moduł dodatkowy

Połączenia zNormalizowane w konstrukcjach stalowych według dyrektywy EN 1993‑1‑8 - DSTV

Cena pierwszej licencji
670,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Steel - Pinned 5.xx

Moduł dodatkowy

Połączenia przegubowe według Eurokodu 3

Cena pierwszej licencji
670,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Steel - Tower 5.xx

Moduł dodatkowy

Wymiarowanie przegubowych połączeń śrubowych według Eurokodu 3 dla prętów w kratowych konstrukcjach wsporczych

Cena pierwszej licencji
670,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Steel - SIKLA 5.xx

Moduł dodatkowy

Wymiarowanie połączeń Sikla według GX K14-6005-3

Cena pierwszej licencji
1 120,00 USD
RFEM Połączenia
RF-JOINTS Steel - Column Base 5.xx

Moduł dodatkowy

Wymiarowanie przegubowych i sztywnych podstaw słupów według Eurokodu 3

Cena pierwszej licencji
670,00 USD