Model KP náhradní ocelový přípoj

Přípoje analyzované v addonu Ocelové přípoje používají pro posouzení takzvaný náhradní ocelový přípoj konečných prvků ( submodel ). Tento model je vytvořen podle topologického modelu ocelového přípoje. Jednotlivé prvky posouzení, jako jsou desky, svary nebo šrouby, jsou v tomto modelu reprezentovány základními konečnými objekty - plochami nebo pruty - které jsou doplněny speciálními objekty, jako jsou kontakty mezi plochami nebo tuhé vazby. Tento přístup umožňuje porovnat chování těchto základních prvků s analytickými vzorci stanovenými v návrhových normách. Pomocí tohoto podmodelu lze analyzovat únosnost a vzpěr a také tuhost a deformační kapacitu ocelového přípoje.

Rozměry dílčího modelu se stanoví úměrně velikosti průřezu spojených prutů. Pruty modelované pomocí 2D ploch se prodlouží ve směru od průsečíku os o délku, která standardně odpovídá 1,5násobku největšího rozměru průřezu prutu. Tato vzdálenost se měří od nejvzdálenějšího použitého prvku.

V dílčím modelu je konec připojeného prutu v závislosti na uživatelském nastavení buď podepřen tuhou podporou, nebo zatížen náhradním zatížením vypočítaným v globálním modelu konstrukce. Zatížení na koncích prutů se upraví tak, aby jeho účinek odpovídal vnitřním silám na příslušném prutu v uzlu, kterému je styčník přiřazen. Konce prutu jsou vyztuženy tuhou deskou, aby se zabránilo deplanaci průřezu a koncentrace napětí v zatíženém nebo podepřeném uzlu.

Standardně se pro výpočet mezní pevnosti používá konečně-prvkový model dílčího modelu geometricky lineární analýza spolu s nelineárním materiálovým modelem. Pro analýzu nelinearit modelu se používá Newton-Raphsonova iterační metoda. Nelineární analýza druhého řádu (P-Δ) je standardně nastavena pro statickou analýzu v případě posouzení boulení, zatímco pro stabilitní analýzu lineární metoda vlastních čísel. Další informace najdete v manuálu k programu RFEM v kapitole Nastavení pro statickou analýzu.

Materiálový model

Plochy reprezentující desky prutu a vložené desky v "submodelu" mají stejnou tloušťku s přiřazeným izotropním plastickým materiálovým modelem. Hypotéza porušení napětím vychází z von Misesova kritéria kluzu. Použije se bilineární diagram. Materiál je pružný až do dosažení meze kluzu. Modul pružnosti odpovídá oceli; v následující plastické fázi odpovídá plastický modul 1/1000 modulu pružnosti.

Kritériem pro stanovení mezní pevnosti je 5% ekvivalentní plastické přetvoření podle von Misese. Tato hodnota je doporučená, ale uživatel ji může změnit. Mezní únosnost stanovená mezní hodnotou plastického přetvoření umožňuje zohlednit plastické chování oceli a redistribuci vnitřních sil ve styčné ploše. To dobře odpovídá skutečnému chování ocelového přípoje.

Pruty a plechy

Pro modelování rovinných a vložených desek se používá geometrie typu "Rovina" a tuhosti "Standardní". Plochy mají konstantní tloušťku s přiřazeným izotropním plastickým materiálovým modelem, který je popsán v sekci Materiálový model. Plocha je 2D objekt, který se nachází ve středové rovině desky. Pokud jednotlivé plechy představující prut nelze spojit přímo pomocí jejich hraničních linií, vytvoří se přípoj pomocí Tuhé vazby . Typ tuhé vazby "Linie k linii" spojuje hraniční linii připojeného plechu prutu a integrovanou linii vytvořenou v plechu prutu, ke kterému je připojena. Toto spojení se používá například pro I-profily.

Pruty nebo jejich části z nerovinných ploch, jako jsou kruhové duté průřezy nebo zaoblené obdélníkové duté průřezy, se modelují rozdělením zakřiveného průřezu na menší rovinné plochy. Tyto plochy mají stejné vlastnosti jako plochy používané pro rovinné desky. Úroveň segmentace může uživatel změnit.

Síť

Nastavení sítě prvků pro všechny plochy má tvar konečných prvků nastavený na trojúhelníky a čtyřúhelníky s aplikovanou volbou "Stejné čtverce tam, kde je to možné".

Desky každého prutu mají stejnou velikost prvků sítě. Standardně je zde nastavena minimální a maximální velikost prvku. Velikost prvku sítě je odvozena od velikosti průřezu prutu. Standardně je nejdelší okraj průřezu rozdělen na osm částí. Nastavení sítě vložených plechů se provádí samostatně: Velikost prvku sítě je odvozena od nejdelšího okraje desky. U desky bez šroubů se standardně vytvoří osm prvků na delším okraji; pro šroubovaný plech je přednastaveno 16 prvků.

V případě šroubů se zahuštění sítě prvků kruhových uzlů použije pouze na plochách pro šroubované plechy. Pro toto zahuštění kruhového uzlu je možné zadat poloměr jako násobek poloměru otvoru pro šroub a také počet prvků na okraji otvoru pro šroub.

Pro náhradní plochu koutového svaru je možné zadat maximální počet prvků po délce svaru a minimální a maximální velikosti prvků.

Uzly sítě jsou propojeny s připojenými liniemi nebo plochami pomocí Rigid Links a Kontakty mezi plochami. To má vliv na síť připojené plochy, takže její diskretizace není zcela nezávislá.

Šrouby

Model šroubu se skládá ze systému prutů, ploch a kontaktů mezi plochami, které představují jednotlivé části šroubu, dříku, hlavy a matice. Pro každý šroub je v desce připraven otvor.

Otvor v desce je vyplněn radiálně uspořádanými pruty, které se nazývají "paprsky". Tyto pruty typu "Nosník" slouží k přenosu smyku mezi dříkem šroubu a deskou. Počet těchto prutů je ovlivněn nastavením sítě, které odpovídá počtu prvků na okraji otvoru. Průřez těchto prutů je "masivní obdélník" a jeho rozměry jsou ovlivněny počtem prutů a rozměry desek šroubu a odpovídají ploše šroubu v dosednutí.

Uzlu, v němž jsou pruty připojeny k desce, se přiřadí kloub na konci prutu. Kloub je nastaven tak, aby pruty nevyztužovaly otvor v desce a přenášely pouze smyk mezi deskou a šroubem.

Pruty paprsků mají nelinearitu "Neúčinnost při tahu", aby mohla působit pouze tlačená část šroubu. Přiřadí se jim izotropní lineárně elastický materiál odpovídající oceli v pružném stavu.

Model hlavy šroubu a matice také používá sadu radiálních prutů ("paprsků"), které jsou umístěny v otvoru v desce šroubu. Tyto pruty se ovšem liší v rozměrech průřezu, takže představují výšku hlavy šroubu nebo matice. Kromě toho nejsou přiřazeny klouby na koncích prutů ani nelinearita selhání. Tato sada prutů je rozšířena o prstencovou plochu, která navazuje na radiálně uspořádané paprsky. Pro plochu se používá typ geometrie "Rovina" a typ tuhosti "Standardní", s konstantní tloušťkou, která odpovídá výšce hlavy šroubu nebo matice.

Středy radiální soustavy prutů představující hlavu šroubu, šroub v otvoru a matici šroubu jsou spojeny prutem, který představuje dřík šroubu a závit. Je mu přiřazen typ prutu "Nosník" a označuje se jako dřík. Dřík má kruhový průřez, jehož plocha odpovídá závitové oblasti šroubu. Materiál průřezu je izotropní lineárně elastický.

V průřezu mezi deskami se šrouby se použije typ prutu "Definovatelná tuhost". Matice tuhosti odpovídá prutu použitému mezi hlavou šroubu (maticí) a deskou šroubu; jediným rozdílem je ohybová tuhost, která se výrazně zvyšuje. Pokud by tuhost nebyla upravena, došlo by k fyzikálně nereálnému ohybu šroubu v místě, kde se síly ve skutečnosti přenášejí výhradně smykem. Plastické chování této části dříku šroubu je znázorněno kloubem na konci šroubu. Kloubové podmínky jsou pevné ve všech stupních volnosti s výjimkou osového natočení a osového směru, které jsou přiřazeny pomocí typu nelinearity "Diagram". Tato nelinearita odpovídá bilineárnímu plastickému chování materiálu dříku šroubu.

Tlakové síly vznikající při kontaktu mezi deskami šroubu a mezi těmito deskami a hlavou šroubu nebo matice se přenášejí pomocí Plocha Kontakty. Ty jsou stanoveny mezi plochou prstence hlavy šroubu a plochou představující první desku šroubu, mezi jednotlivými deskami šroubu, které se dotýkají (v případě více smykových spojů může být více desek) a mezi plochou představující poslední šroubovaný plech a maticový prstenec. Typ kontaktu mezi plochami je nastaven jako "Neúčinnost při tahu" ve směru kolmém na plochy a "Tuhé tření" v kontaktu rovnoběžně s plochami. Součinitel tření se přitom nastaví na hodnotu blízkou nule. Tyto kontakty umožňují generovat správnou tahovou sílu na dřík šroubu.

Návrhová tahová síla a návrhová smyková síla jako výsledek vnitřních posouvajících sil ve směru y a z, které se používají pro posouzení, vznikají na dříku mezi deskami se šrouby.

Čísla na obrázku výše označují následující složky:

Svary

Model plně provařených tupých svarů používá přímé spojení mezi svařovanými plechy. Jedná se o Tuhé vazby typu "Linie k linii". Spoj je podobný jako spoj mezi deskami prutu. Tento typ tuhé vazby používá možnosti "Uživatelsky zadaný průběh" a "Ignorovat relativní polohu".

Také model koutových svarů používá systém tuhých prutů (viz ➁ v obrázku níže) s náhradními plochami (viz ➀ v obrázku níže) pro spoj.

Typ tuhé vazby je "Linie k linii" s možnostmi "Uživatelsky zadaný průběh" a "Ignorovat relativní polohu", přičemž okraj styčníkového plechu je připojen k okraji náhradní svarové plochy a druhý okraj náhradní plochou k referenčnímu plechu. Náhradní plocha se nachází v polovině výšky trojúhelníkového průřezu koutového svaru. Tato výška se označuje jako „tloušťka hrdla“ koutového svaru. Náhradní plocha koutového svaru má typ tuhosti "Standardní" a konstantní tloušťku s rozměry, které odpovídají tloušťce hrdla svaru. Použijeme přitom ortotropní plastický materiálový model.

Materiálový model je nastaven tak, aby odpovídal chování svaru uvažovanému v normách. To znamená, že pouze napětí, která odpovídají složkám napětí ve svaru σ_⊥, τ_⊥ a τ_{||na náhradní ploše. Ve zbývajících směrech napětí se tuhost náhradní plochy blíží nule.}

== Posouzení na vzpěr == Metoda ''KP modelu náhradního ocelového přípoje'' je také vhodná pro vyhodnocení boulení ocelové desky pomocí konečně-prvkové analýzy skořepinového modelu. Za tímto účelem je model použitý pro statickou analýzu určitým způsobem upraven tak, aby byl nakonec použit '''model vzpěru KP náhradního ocelového přípoje''' ( ''Buckling Submodel'' ). Upravené nastavení dílčího modelu pro ''vzpěr'' je následující: * Všechny použité materiály jsou pružné (materiály prutů a desek, všechny části modelu šroubu, náhradní plocha svaru). * Model je na koncích zatížen pomocí [[#/cs/stahovani-a-informace/dokumenty/online-manualy/rfem-6/000282 Vynucené deformace uzlů]] místo sil z globálního modelu konstrukce. Tyto deformace odpovídají zatížením na uzel, ale jejich použití zajistí, že volné konce prutů neovlivní negativně výsledky posouzení stability. * Dílčí model pro vybočení standardně používá pro statickou analýzu typ analýzy "druhého řádu (P-Δ)" a pro stabilitní analýzu "metodu vlastních čísel (lineární)" se čtyřmi nejnižšími vlastními čísly. Po výpočtu model poskytne požadovaný počet vlastních čísel pro každý součinitel kritického zatížení. Je na uživateli, aby posoudil, zda je stabilita ocelového přípoje dostatečná. == Analýza tuhosti == Pro stanovení tuhosti spoje se používají dva dílčí modely. Jedná se o hlavní '''konečný model tuhosti náhradního ocelového přípoje''' ( ''Submodel tuhosti'' ) - detailní skořepinový model, který je až na zatížení a podpory identický se submodelem použitým pro statickou analýzu -, a konečně- '''prvkový model náhradní tuhosti ocelového přípoje''' ( ''Pomocný submodel tuhosti'' ), který se používá pro zjemnění výsledků tuhosti přípoje s ohledem na vliv deformací připojených prutů. Parametry posouzení dílčího modelu ''tuhosti'' se spravují v "Konfiguraci analýzy tuhosti". Toto nastavení umožňuje vybrat "Typ analýzy" (geometricky lineární nebo P-Δ druhého řádu) a definovat "Maximální počet iterací" a "Počet přírůstků zatížení". Stejně jako v nastavení "Konfigurace mezního stavu únosnosti" pro analýzu napětí-přetvoření přípoje lze nastavit také velikost modelu a síť. Další parametry modelu jsou také převzaty z konfigurace únosnosti. Zatížení na obou submodelech (submodel tuhosti a pomocný submodel tuhosti) odpovídají posuzované tuhosti spoje. Tuhost se posuzuje zvlášť pro každý prut ve styčné ploše. Analyzovaný prut je na konci zatížen jednotkovou silou odpovídající typu a směru posuzované tuhosti S (S_N+, S_N-, S_My+, S_My-, S_Mz+, S_Mz- ). Ostatní pruty ve spoji mají na svých koncích tuhé podpory. Hodnota jednotkového zatížení pro stanovení "počáteční tuhosti" závisí na rozměru každého připojeného prutu. Jakmile je výpočet proveden, použije se dílčí model tuhosti pro stanovení deformace (pootočení nebo posunu) na konci každého posuzovaného prutu. Deformace získaná z pomocného submodelu tuhosti se odečte od této deformace pro zohlednění tuhosti připojených prutů. Výsledkem je tuhost spoje vypočítaná ze zatížení a deformace. Na základě této tuhosti lze spoje klasifikovat jako "kloubové", "polotuhé" nebo "tuhé".