Versterking van langsverbanden

Een langsverband is een veelgebruikt element in stalen halconstructies. Dankzij de geavanceerde berekeningen van IDEA StatiCa Member kunnen ingenieurs de kniklengtes nauwkeuriger bepalen en beter rekening houden met het effect van excentrische verbindingen op het totale gedrag van de schoor.

Basisinformatie over de constructie

De hal is 8,3 meter breed, 22,6 meter lang en 2,3 meter hoog. Het kritische element voor de analyse is een 50x50x3 mm SHS profiel gelast aan een IPE 180 op een excentrische hoekplaat.

Handberekening - axiale en buigweerstand

Om een geavanceerde analyse uit te voeren, is het cruciaal om het gedrag van het kritieke element met de hand te berekenen en te begrijpen. De handberekening wordt uitgevoerd met behulp van EN-1993-1-1. In de berekening wordt rekening gehouden met de axiaalkracht en buigmomenten veroorzaakt door de excentriciteit van de hoekplaat en het eigengewicht. Het eigengewicht heeft een klein effect op de normcontrole. Dit belastingsgeval wordt verwaarloosd voor de FEA-benadering.

Handberekening - axiale en buigweerstand

Op basis van de handberekening is het duidelijk dat de controle van de stabiliteit van het element onder gecombineerde druk en buiging niet voldoet. De uitnutting is 145%.

Onvolkomenheden van handberekening:

• De berekeningsaannames gaan uit van scharnierverbindingen en houden geen rekening met de werkelijke stijfheid van de verbindingen.
• Er is geen visuele weergave van het gedrag van het model. Je moet blindelings vertrouwen op de vergelijking, voornamelijk op de coëfficiënt die je invoert.
• De kritieke plek op de constructie kan over het hoofd worden gezien door de aannames die we introduceren.
• Verkeerde initiële aannames van onervaren (jonge) ingenieurs kunnen leiden tot fatale fouten.
• De bepaling van sommige coëfficiënten in de ontwerpcodebenadering is in sommige gevallen gecompliceerd, vooral voor _Cmy-, _Cmz- en _{CmLT-coëfficiënten}.

Niet-versterkt model

Nieuw project

Start IDEA StatiCa-->Staal-->Member.

Volg de vereiste stappen om een basismodel te maken dat verder kan worden aangepast en verbeterd.

Ontwerp

Stijf steunelement (Rigid Support Member)

Selecteer CON1 en CON2 en schakel vervolgens het selectievakje in het eigenschappenraster in om een stijf steunelement in te schakelen.

U kunt zien hoe het stijf steunelement wordt weergegeven in de scène. De volgende stap is het verwijderen van alle belastingen uit het model

Belasting

De langsverstijving wordt axiaal belast. De ontwerpdrukkracht van -38,7 kN is gerelateerd aan het uiteinde van de geanalyseerde staaf.

Het eigengewicht van de constructie heeft geen significant effect. Deze belasting wordt verwaarloosd.

Randvoorwaarde

De plaat is gelast aan een IPE 180. Om een vergelijkbare randvoorwaarde te simuleren, moet je ervoor zorgen dat alle zes vrijheidsgraden worden beperkt voor CON1.

Deactiveer de ondersteuning in de lokale X-richting voor CON2 door de axiale belasting die vooraf is gedefinieerd in het tabblad Belasting.

Verbinding

Bewerk CON1 en maak de verbinding. Selecteer de productiebewerking Verbindingsplaat en stel de parameters in.

Vul de eigenschappen voor CPL1 in volgens onderstaande gegevens.

We raden aan de IDEA StatiCa Connection app te gebruiken om de CON1 template toe te passen op CON2. Als je de app verlaat, keer je terug naar de Member app omgeving.

Open IDEA StatiCa Connection en wijzig Alignment naar Rear vanwege de omgekeerde excentriciteit van de spantplaat in de CON2 verbinding.

Het bovenaanzicht van het uiteindelijke model ziet er dan zo uit:

Controle

Materiaal Niet-lineaire Analyse (MNA)

Material Nonlinear Analysis (MNA) houdt rekening met de plasticiteit van het materiaal en geeft waardevolle inzichten in de equivalente spanning en plastische rek van het model. Deze analyse richt zich niet op normcontroles van bouten en lassen, omdat die in het aparte verbindingsmodel moeten worden gecontroleerd.

Ga naar het tabblad Controleren en voer de MNA uit. U kunt Equivalente spanning inschakelen en het hele element controleren. Het spanningskritische punt wordt gedetecteerd op de verbinding zelf.

De vervormingen duiden op buiging veroorzaakt door de excentriciteit van de verbindingen aan beide zijden en extra spanningen.

Lineaire knikanalyse (LBA)

Knikanalyse is een onmisbaar hulpmiddel om het bezwijken van constructies onder drukbelastingen te kunnen voorspellen. Het beoordeelt de stabiliteit en voorspelt de kritische belastingscapaciteit voordat de constructie knikt of bezwijkt. Deze methode is essentieel om de structurele integriteit en veiligheid te waarborgen.

De resultaten van de analyse:

• Kritische alfa-factor
• Knikvormen

De lineaire knikanalyse (LBA) levert een aantal cruciale resultaten op. De eerste knikvorm toont een laag stabiliteitsverlies met een factor van 1,64 x_Ned. De tweede vorm, als gevolg van een symmetrische dwarsdoorsnede orthogonaal, bereikt echter een hogere factor van 1,89. Het is belangrijk om de onderlinge interactie van de modi in de komende analyse in gedachten te houden.

Om te beginnen met Geometric and Material Nonlinear Analysis with Imperfection (GMNIA), moet de begintoestand worden ingesteld als de lokale imperfectie. Volgens EN 1993-1-1, Cl. 5.3.2 (3), moet de lokale imperfectie zorgvuldig worden gekozen. Voordat de imperfecties worden ingevoerd, is het nodig om een permutatie van opties met verschillende tekens door te voeren om de kritieke gevallen te kunnen selecteren (2). Alleen de imperfecties die wijzen op een kritisch gebruik mogen worden gebruikt voor de uiteindelijke analyse (3). Het is belangrijk om bij de selectie van imperfecties zorgvuldig te werk te gaan om een nauwkeurige en betrouwbare analyse te waarborgen.

Geometrische en materiaal niet-lineaire analyse met imperfectie (GMNIA)

GMNIA is een type analyse dat in de bouwkunde wordt gebruikt om het gedrag van constructies onder extreme belastingen te bestuderen. Deze analyse houdt rekening met zowel de geometrische niet-lineariteit (vormveranderingen) en materiële niet-lineariteit (veranderingen in materiaaleigenschappen) van een constructie, als met eventuele initiële onvolkomenheden of vervormingen die aanwezig zijn in de constructie. Door met deze factoren rekening te houden, kunnen ingenieurs beter begrijpen hoe een constructie zich zal gedragen onder belasting en weloverwogen beslissingen nemen over het ontwerp en de veiligheid ervan.

De analyse zoekt naar evenwicht in elke stap met behulp van de initiële vervormde toestand van de imperfectie van LBA. Als er geen evenwicht gevonden kan worden, stopt de berekening.

• Materiaal niet-lineariteit treedt op wanneer het materiaal niet langer elastisch kan vervormen en plastisch begint mee te geven, waardoor het gedrag verandert.
• Stabiliteitsproblemen ontstaan wanneer de constructie geen verdere iteraties meer kan ondergaan door een gebrek aan evenwicht en een bifurcatiepunt is bereikt.

Voer de GMNIA uit . De resultaten tonen aan dat de balk zijn stabiliteit heeft verloren. De berekening is voortijdig gestopt, nog vóór het bereiken van het plasticiteitspotentieel.

Vervormingen

Conclusie voor het onversterkte deel

De analyseresultaten bevestigen de oorspronkelijke aannames uit de handberekening. Deze toont een uitnutting van 145%. De berekening werd echter door GMNIA gestopt bij 91,4% vanwege een stabiliteitsprobleem. Vergeleken met onze aannames komt de uitnutting volgens GMNIA neer op 1/0,914 = 109%.

Om de stabiliteit te waarborgen, wordt aanbevolen het model te versterken. Aangezien het lastig is om profielen in de bestaande hal te vervangen, ligt de focus op het versterken van de huidige staven.

Model met versterking

De bestaande doorsnede wordt versterkt met een andere doorsnede, gekoppeld met de bouten.

Kopie van het bestaande project

De eenvoudigste manier om te beginnen is door het huidige model te dupliceren, inclusief alle vooraf vastgestelde instellingen.

Nieuw project

Start IDEAStatiCa-->Staal-->Member.

Open het model dat gekopieerd is.

Ontwerp

Wijzig de geanalyseerde staaf AM1 (1). Definieer een nieuwe doorsnede (2)--> Ga naar de algemene doorsnede Editor (3) -->Importeer de voorgedefinieerde doorsnede (4)--> Selecteer de General_Section.ideaGcss (5).

Dit is de template van de voorgedefinieerde algemene sectie. De originele sectie is versterkt met behulp van de CFomega sectie.

Het onderstaande model toont de gemaakte constructie. Een cruciale waarschuwing is echter dat de staaf bestaat uit koudgevormde secties die niet kunnen worden gelast, wat betekent dat de sectie niet kan worden gekoppeld en dat de integriteit niet is gegarandeerd.

De secties gedragen zich onafhankelijk.

Maak voordat je het element bewerkt, een door de gebruiker gedefinieerde assemblage voor bout M6, die niet in de standaardbibliotheek zit. Ga naar Materialen-->Boutassemblage-->Bewerk de parameters volgens de onderstaande tabel-->Opslaan als Hilti M6.

Voeg een Tussenknooppunt toe om de twee onafhankelijke secties met bouten te verbinden, met Absolute posities ingesteld op 1,5 m vanaf het begin van het element. Bewerk CON3.

Verbinding

Met CON3 kan de gebruiker een boutverbinding maken over de hele liggerlengte. Kies de bewerking Boutraster/Contact van de fabrikant.

Voer de eigenschappen en lay-out van de bouten in volgens de onderstaande afbeeldingen:

Zo ziet het model eruit in de Member app.

Controle

Materiaal niet-lineaire analyse (MNA)

Ga naar het tabblad Controleren en voer de MNA uit. De analyse toont de gebieden die plasticiteit ondergaan en maximale spanning ervaren.

De vervorming toont aan dat het element meewerkt dankzij de boutverbinding.

Lineaire knikanalyse (LBA)

Start de berekening voor de lineaire knikanalyse. De eerste knikvorm is veranderd door de profielversterking, dit is een zuivere buigmodus in verticale richting. De knikfactor is toegenomen.

In de tweede modusvorm is er een gelijktijdig optreden van laterale buiging en doorsnedevervorming aan beide uiteinden van de balk.

Aangezien de knikfactoren dicht bij elkaar liggen, garandeert het creëren van een wisselwerking van modi dat alle mogelijke vervormingen onder druk worden vastgelegd. Er zijn vier combinaties van onvolkomenheden nodig om de onderlinge interactie van twee knikmodes te creëren.

De praktische manier om kritieke toestandscombinaties te identificeren is door het model te overbelasten. Dit zal indicaties onthullen zoals plastische rek, vervormingen of onvoltooide GMNIA-berekeningen (de aanpak voor een onversterkt model).

Geometrische en niet-lineaire analyse met imperfectie (GMNIA)

Na het zorgvuldig selecteren van de imperfecties en het uitvoeren van de GMNIA, is de kritieke plek op de verbinding geïdentificeerd via de equivalente spanning. Het is een goed bewijs van het ontwerp om te melden dat de analyse een 100% voltooiing heeft bereikt zonder stabiliteitsproblemen, waardoor de veiligheid van het onderdeel en al zijn componenten is gegarandeerd.

Gebaseerd op de geometrische niet-lineariteit en de onvolmaakte vorm uit de vorige analysestap, kun je de evolutie van de doorbuiging van de tweede orde observeren.

Vervorming

Rapporteer

Klik op het tabblad Rapport om automatisch een samenvatting van uw analysestappen en normcontroles te genereren die u kunt opslaan als PDF- of Word-document.

Samenvatting

Deze tutorial is bedoeld om lezers een uitgebreid inzicht te geven in het proces dat betrokken is bij het evalueren van constructies, zoals langsverbanden, met behulp van zowel handberekeningen als FEA. De vergelijking tussen een handberekening en een geavanceerde FEA-analyse stelt lezers in staat om weloverwogen beslissingen te nemen en waardevolle inzichten te verkrijgen in de verschillen tussen beide benaderingen.

Conclusies en aanbevelingen:

• Handberekeningen zijn een uitstekend hulpmiddel voor het voorlopige ontwerp.
• Uw oorspronkelijke aannames zijn bevestigd door middel van een geavanceerde FEA-analyse, en de werking van het model wordt visueel weergegeven.
• Het negeren van de stijfheid van verbindingen en excentriciteiten kan leiden tot fouten en misleidende resultaten.