Typy prętów i przeguby
Podczas modelowania prostych konstrukcji prętowych zazwyczaj stosuje się następujące typy prętów:
- Pręt belkowy: sztywny pręt przenoszący wszystkie siły wewnętrzne i momenty
- Pręt kratownicowy: pręt belkowy ze zwolnieniem na obu końcach
- Pręt rozciągany: pręt, który ulega uszkodzeniu pod wpływem siły ściskającej
- Pręt ściskany: pręt, który ulega uszkodzeniu pod wpływem siły rozciągającej
- Pręt wyboczeniowy: pręt, który ulega uszkodzeniu w przypadku przekroczenia siły krytycznej przy wyboczeniu
Inne typy prętów są opisane w instrukcji online programu RFEM:
Ponadto, zarówno dla prętów, jak i przegubów można ustawić właściwości nieliniowe. Pozwala to na zdefiniowanie specjalnych kryteriów zniszczenia lub nieliniowych zależności pomiędzy siłami i odkształceniami. W tym artykule technicznym zademonstrowano na prostym przykładzie niektóre opcje modelowania za pomocą różnych typów prętów i przegubów.
konstrukcja dachu
Przedmiotem niniejszej analizy jest kratownicowa konstrukcja zadaszenia stodoły, która została wykonana w sposób nieprawidłowy: „zapomniano” o zastosowaniu pręta ukośnego kratownicy, tak że zauważalne odkształcenia pojawiły się nawet pod obciążeniem wyłącznie od ciężaru własnego. Ostatecznie pręt ten, kluczowy ze względu na nośność, został dodany. Dzięki temu udało się uniknąć wystąpienia uszkodzeń w konstrukcji.
W podglądzie modelu RFEM widzimy wycinek konstrukcji dachu. Zakłada się, że belki podporami stałymi, płatwie środkowe i kalenicowe są podporami bocznymi, o dodatkowej niewielkiej sprężystości obrotowej. Upraszczając obciążenia, oddziaływania przenoszone są przez krokwie dachowe stosując odpowiednie obszary rozkładu. Jako przykładowe przypadki obciążeń analizowane są „Ciężar własny i konstrukcja” oraz „Śnieg”.
Model kratownicy z przegubami nożycowymi
Układ konstrukcyjny jest modelowany za pomocą prętów belkowych, którym przyporządkowane zostają odpowiednie przeguby w miejscach zwolnienia momentów. Model oparty wyłącznie na prętach kratownicowych nie byłby poprawny, ponieważ niektóre pręty przecinają inne, a pręty ciągłe w rzeczywistości przenoszą momenty. Typ pręta „Kratownica (tylko N)” zastosowano tylko do zastrzałów. Brakujące pręty ukośne można przedstawić w modelu za pomocą typu pręta „Fikcyjny”. Nie są one tym samym uwzględniane w obliczeniach statyki.
Przeguby są zazwyczaj powiązane z lokalnymi osiami prętów xyz. Pozwala to kontrolować przenoszenie sił i momentów na pręty połączone w jednym węźle w przestrzennych konstrukcjach belkowych. W modelu stosowane są lokalne zwolnienia na końcach prętów, które nie przenoszą momentów ze względu na zastosowanie prostych połączeń drewnianych - na przykład słupów na górnym i dolnym końcu. W przypadku prętów ciągłych, takich jak wspomniane powyżej krokwie i słupy, stosowane są jednak tak zwane „przeguby nożycowe”. Z uwagi na momenty zapewniają one pracę statyczną elementu jako belki ciągłej we wskazanych miejscach krzyżowania się prętów. Przeguby nożycowe są zawsze powiązane z globalnym układem osi XZY.
Die Verwendung von Scherengelenken ist auch in FAQ 000177 und FAQ 001438 beschrieben:
Niektóre typy prętów, takie jak kratownica lub pręt ściskany, są z definicji wyposażone w przeguby, dzięki czemu nie ma potrzeby ich dodatkowego definiowania; odpowiednie pola wprowadzania są wówczas zablokowane.
Po obliczeniach statycznych modelu widoczne są dość duże odkształcenia już dla PO 1 (obciążenia stałe).
Obliczenia kombinacji obciążeń KO2 kończą się komunikatem o niestateczności konstrukcji.
Model kratownicy z przegubem działającym nieliniowo
Na potrzeby tego przykładu analizowany jest następujący scenariusz. Jeżeli połączenie środkowego słupka z dolnym pasem zostałoby zaprojektowane jako czyste połączenie czopowe, połączenie to zostałoby zerwane z powodu działania siły rozciągającej w słupie. Efekt ten można odwzorować w modelu za zwolnienia o charakterze nieliniowym, dzięki czemu połączenie staje się efektywne tylko w przypadku występowania osiowych sił ściskających w pręcie.
PO 1 jest obliczany w kilku iteracjach. Ze względu na siły rozciągające w środkowym słupie, połączenie słupka z dolnym pasem zostaje zwolnione, co powoduje rozłączną pracę układu w tym miejscu.
Alternatywne można zamodelować opisaną sytuację w postaci tzw. zwolnienia węzłowego (patrz instrukcja online).
Model kratownicy po naprawie
W konstrukcji po remoncie oba pręty fikcyjne zostały zastąpione prętami wyboczeniowymi. Zachowują się one jak pręty kratownicowe, lecz ulegają uszkodzeniu pod wpływem sił ściskających przekraczających obciążenie krytyczne. Obliczenia kombinacji obliczeń KO 2 według analizy drugiego rzędu przebiegają teraz bez zakłóceń.
W postaci odkształceń kratownicy widoczny jest wyraźny wpływ krzyżulców. Ugięcia krokwi są spowodowane wybranym sposobem modelowania obciążenia dla tego fragmentu układu konstrukcyjnego. Krokwie nie są jednak przedmiotem niniejszej analizy.
Uwagi końcowe
Na przykładzie prostego dźwigara kratownicowego pokazano, w jaki sposób można wykorzystać typy prętów i przegubów do odwzorowania rozkładu sił wewnętrznych i momentów w modelu. Ważną rolę odgrywają tu przeguby nożycowe, które ułatwiają modelowanie podparcia belek ciągłych w konstrukcjach drewnianych. Prętom i przegubom można także przyporządkowywać właściwości nieliniowe. Dzięki prętom fikcyjnym możliwa jest analiza różnych wariantów modelu w sposób pozwalający zaoszczędzić czas analizy.
