1266x
003626
2023-10-19

Sztywności dla powierzchni wielowarstwowych

Modele materiałowe

Modele materiałowe są podstawą do tworzenia powierzchni wielowarstwowych w celu uzyskania efektywnej sztywności powierzchni. Rozszerzenie Powierzchnie wielowarstwowe umożliwia swobodne łączenie modeli materiałowych w programie RFEM 6. Podstawy modeli materiałowych są opisane w rozdziałach Materiały i Nieliniowe zachowanie materiału instrukcji obsługi programu RFEM.

Wybór możliwych kombinacji modeli materiałowych jest tworzony w modelu "Modele wielowarstwowe" (patrz prawa kolumna), który można pobrać w celu dalszej analizy kombinacji.

Poniższa lista przedstawia wybór możliwych kombinacji:

  • Warstwy izotropowe (np. beton - stal)
  • Warstwy ortotropowe (np. drewno klejone krzyżowo)
  • Izotropowy - ortotropowy (np. stal - GFRP)
  • Izotropowy plastyczny - Izotropowy (np. beton - stal)
  • Izotropowy nieliniowy sprężysty - ortotropowy (np. beton - drewno)
  • Izotropowy - ortotropowy plastyczny (np. beton - drewno)
  • Uszkodzenie izotropowe - Ortotropowe (np. Beton - Drewno)

Informacje

W przypadku kombinacji materiałów nieliniowych https://www.dlubal.com/pl/produkty/rozszerzenia-dla-rfem-6-i-rstab-9/dodatkowy -analyses/nonlinear-material-behaviour Nieliniowe zachowanie materiału]] powinno być aktywowane.

Sztywności dla powierzchni wielowarstwowych bez brył

Prostszą opcją obliczeń w rozszerzeniu Powierzchnie wielowarstwowe jest zdefiniowanie różnych warstw powierzchni w grubości typu 'Warstwy' bez brył. Tutaj można jednak dowolnie łączyć modele materiałowe.

Po zdefiniowaniu warstw rozszerzenie Powierzchnie wielowarstwowe tworzy globalną macierz sztywności powierzchni. W programie RFEM obliczane są siły wewnętrzne i odkształcenia dla tej powierzchni. W odpowiednim rozszerzeniu, takim jak Projektowanie drewna lub Analiza naprężeniowo-odkształceniowa, te siły wewnętrzne są następnie dzielone na istniejące warstwy. Siły wewnętrzne są zazwyczaj przedstawiane w postaci trzech punktów całkowania dla każdej pozycji.

W tym artykule wyjaśniono, jak obliczyć macierz sztywności dla materiałów izotropowych i ortotropowych.

obliczenia macierzy sztywności

Modele materiałowe są oparte na następujących warunkach (patrz rozdział [[#/pl/pliki-do-pobrania-i-informacje/dokumenty/instrukcje-online/rfem-6/000034 Materiały w instrukcji obsługi programu RFEM):

  • Wszystkie wartości sztywności ≥ 0
  • Macierz sztywności ogólnej powierzchni musi być dodatnio określona.
  • Podstawowe równanie izotropowe:

  • Podstawowe równanie ortotropowe:

Lokalna macierz sztywności każdej warstwy

  • Izotropowy
  • ortotropowy
Informacje

W przypadku materiału ortotropowego moduł sprężystości w płaszczyźnie szyby (Gxy ) jest definiowany za pomocą wartości materiałowych, natomiast w przypadku materiału izotropowego - na podstawie modułu sprężystości i odkształcenia poprzecznego. Dlatego też współczynnik Poissona oparty na zasadzie "położenie-przyczyna" jest istotny dla materiału ortotropowego.

Sztywności na ścinanie dla materiału ortotropowego są następujące:

Gxy Moduł ścinania w płaszczyźnie panelu (np. 690 N/mm² dla C24)
Gxz Moduł ścinania w kierunku x na grubości (np. 690 N/mm² dla C24)
Gyz Moduł ścinania w kierunku y na grubości (np. 690 N/mm² dla klasy C24) - nazywany również "modułem ścinania tocznego".

Ponadto materiał ortotropowy ma tę szczególną cechę, że można definiować w powierzchni sztywności kierunkowe. W przypadku domyślnym lokalna orientacja powierzchni lub warstwy w kierunku x odpowiada sztywności w kierunku x. Ponieważ można to jednak zdefiniować dowolnie za pomocą kąta β typu grubości 'Warstwy', należy odpowiednio przekształcić sztywności.

Zsumowany element każdej warstwy:

Elementy zginane i skrętne [Nm]

W poniższych równaniach podane są elementy macierzy dla zginania i skręcania.

W przypadku tylko jednej warstwy grubości typu 'Warstwy', obliczenia opierają się na parametrach opisanych w instrukcji do programu RFEM]].

Dla ścinania (Element D44/55) stosuje się różne równania w typie grubości 'Warstwy'. Są one opisane w rozdziale w płaszczyźnie Ścinanie w płaszczyźnie płyty.

Wymiarowanie mimośrodu [Nm/m]

W przypadku płyt niesymetrycznych powstają warunki mimośrodowe. Asymetryczna powierzchnia może być obliczana na przykład z uwagi na jednostronne zwęglenie drewnianej płyty klejonej krzyżowo. Elementy macierzy są następujące:

Płaszczyzna płyty [N/m]

W płaszczyźnie "Ściana szyby" sztywności normalne są przedstawione w płaszczyźnie tafli szkła. Siła tnąca w szybie jest obliczana za pomocą elementu D88. Elementy macierzy są następujące:

Ścinanie w płaszczyźnie płyty [N/m]

Aby określić sztywność na ścinanie dla materiału ortotropowego, należy obrócić sztywności zgodnie z ich orientacją względem lokalnej osi powierzchni. Należy to zrobić dla każdej warstwy grubości typu 'Warstwy'. W prostej konstrukcji warstwowej, w której warstwa wierzchnia jest zorientowana pod kątem 0° i warstwa leżąca poniżej 90°, występuje duża sztywność na ścinanie, którą należy odpowiednio uwzględnić w przypadku modelu wielowarstwowego. Poniższy rysunek (Źródło [1]) pokazuje to na przykładzie płyty z drewna klejonego krzyżowo.

W teorii laminatów sztywność konstrukcji warstwowej na ścinanie jest obliczana poprzez przekształcenie wszystkich składowych zginania i ścinania w odpowiednich kierunkach każdej warstwy. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w literaturze wymienionej poniżej.

Stosując transformację sztywności pokazaną na rysunku, sztywności są sumowane. Sumowanie to jest również znane jako „całka Grashoffa”.

W celu obliczenia sztywności w kierunku x i y dla każdej konstrukcji powierzchni wielowarstwowej obliczany jest środek sztywności.

Środek sztywności w kierunku y:

Aby określić orientację dla poszczególnych pozycji w obliczeniach sztywności na ścinanie, sztywności są określane zgodnie z poniższymi równaniami.

G oznacza sztywność warstw na ścinanie w celu uniknięcia pomyłek dla elementów macierzy sztywności (D).

Sztywność na ścinanie każdej warstwy można również wyświetlić w postaci macierzy w następujący sposób:

Sztywność mimośrodowa na ścinanie w poniższym równaniu zawsze będzie wynosić zero, a zatem nie ma znaczenia dla symetrycznej konstrukcji drewna klejonego krzyżowo (0°/90°/0°) wspomnianej powyżej. Na przykład w przypadku drewna klejonego ukośnie DLT ( Diagonal Laminated Timber ), ten element mimośrodu nie wynosi zero i dlatego odgrywa ważną rolę.

Więcej informacji można znaleźć w [4] oraz w tym wideo na YouTube.

Obliczanie sztywności na ścinanie

Sztywność na ścinanie jest określana w następujących krokach:

  1. Najpierw określany jest kąt maksymalnej sztywności. Kąt φ pokazuje zmianę lokalnego układu współrzędnych x powierzchni w odniesieniu do kierunku zorientowanego x''.
  2. Wszystkie sztywności są obrócone w kierunku zorientowanym x'' zgodnie z równaniami przedstawionymi powyżej.
  3. Macierz sztywności szyby dla każdej pozycji (3 x 3) jest przekształcana z lokalnego układu współrzędnych x', y' na układ obrócony x'', y". Oprócz obliczenia Skierowana-sztywność każdej pojedynczej warstwy, jest to również obliczane dla modułów sprężystości każdej warstwy.
  4. Sztywność na ścinanie jest obliczana za pomocą opisanych powyżej. Sztywność na ścinanie oblicza się na podstawie poszczególnych części. Tutaj równania są pokazane tylko dla kierunku x (D44). To samo dotyczy kierunku y. Dla każdej warstwy obliczana jest sztywność równoważna (składowa Stintera).
  5. Obliczone sztywności dla zorientowanego kierunku całej konstrukcji są ostatecznie obliczane ponownie za pomocą zależności kątowych i przedstawiane jako oryginalne sztywności D44, D55 i D45 w macierzy sztywności.

Zwiększająca się sztywność na ścinanie

Ponieważ laminaty można modelować jako powierzchnię, możliwe są również geometrie z bardzo wąskimi pasmami powierzchni, sztywność na ścinanie musi zostać odpowiednio zwiększona podczas obliczania takich problematycznych geometrii.

Pokazuje to poniższe równanie dla kierunku X

Długość lw powyższym równaniu oznacza najkrótszą długość bryły, która może zostać umieszczona nad odpowiednią geometrią.

W innym modelu, który można pobrać po prawej stronie, porównano wąską powierzchnię o szerokości 10 cm z identyczną powierzchnią o szerokości 20 cm.

Sztywność na ścinanie wąskiej powierzchni wynosi D44=15 253 kN/m w porównaniu do D44=5970,8 kN/m szerszej powierzchni. W rezultacie odkształcenie sztywniejszej powierzchni jest mniejsze, a obciążenie ścinające większe, pomimo identycznego obciążenia.

Sztywności dla powierzchni wielowarstwowych ze zintegrowanymi bryłami

W przyszłości bryły wraz z powierzchniami będzie można również definiować w rozszerzeniu Powierzchnie wielowarstwowe. W tym przypadku do programu RFEM eksportowana jest również powierzchnia. Ponieważ generowanie sztywności i rozkładanie sił wewnętrznych jest bardziej czasochłonne, zostanie to wyjaśnione osobno.


Odniesienia
  1. Budynek z drewna klejonego krzyżowo - Nośne masywne elementy drewniane ścian, stropów i dachów - Seria 4, część 6, część 1. Serwis informacyjny Holz
  2. Płaskie konstrukcje powierzchniowe: Podstawy modelowania i obliczeń ścian i płyt
  3. Jones, RM (nd). Mechanika materiałów kompozytowych (wyd. 2). Taylor & Francis Inc., Filadelfia.
  4. Arnold, M.: Właściwości mechaniczne drewna klejonego ukośnie (DLT) z uwzględnieniem masywnych płyt drewnianych podpartych punktowo .Praca doktorskaw przygotowaniu. Katedra Drewna i Konstrukcji Budowlanych, Uniwersytet Techniczny w Monachiumoczekiwano2023.
Rozdział nadrzędny