Acél kapcsolatok szerkezeti tervezésének általános bevezetése

Bevezetés

A mérnökök acél szerkezetek tervezésekor előnyben részesítik a rúdszerkezeti elemeket. Azonban a szerkezeten számos olyan hely található, ahol a rúdelmélet nem érvényes, pl. hegesztett csomópontok, csavaros kapcsolatok, alapozás, falakban lévő nyílások, változó magasságú keresztmetszet és koncentrált terhelések. Az ilyen helyeken a szerkezeti analízis nehéz és különös figyelmet igényel. A viselkedés nemlineáris, és a nemlinearitásokat figyelembe kell venni, pl. a lemezek anyagának folyása, homloklemezek vagy talplemez és betonblokk közötti érintkezés, csavarok és horgonyok egyirányú hatásai, hegesztések. A tervezési szabványok, pl. EN1993-1-8, valamint a szakirodalom mérnöki megoldási módszereket kínálnak. Ezek általános jellemzője, hogy tipikus szerkezeti alakokra és egyszerű terhelésekre lettek levezetve. A komponensmódszert nagyon gyakran alkalmazzák.

Komponensmódszer

A komponensmódszer (CM) a csomópontot egymással összefüggő elemek – komponensek – rendszereként kezeli. A megfelelő modellt minden egyes csomóponttípushoz fel kell építeni, hogy meg lehessen határozni az egyes komponensekben ébredő erőket és feszültségeket – lásd az alábbi ábrát.

Csavaros homloklemezzel kialakított csomópont komponensei rugókkal modellezve

Minden egyes komponenst külön ellenőriznek a megfelelő képletek segítségével. Mivel minden csomóponttípushoz megfelelő modellt kell létrehozni, a módszer alkalmazhatósága korlátozott általános alakú és általános terhelésű csomópontok esetén.

Az IDEA StatiCa a Prágai Műszaki Egyetem Építőmérnöki Karának Acél- és Faszerkezetek Tanszékével, valamint a Brnói Műszaki Egyetem Építőmérnöki Karának Fém- és Faszerkezetek Intézetével közösen kidolgozott egy módszert acél szerkezeti csomópontok korszerű tervezéséhez.

Component Based Finite Element Model (CBFEM) módszer:

• Kellően általános ahhoz, hogy a mérnöki gyakorlatban előforduló csomópontok, alapozások és részletek többségére alkalmazható legyen.
• Kellően egyszerű és gyors a mindennapi gyakorlatban, hogy az eredményeket a jelenlegi módszerekkel és eszközökkel összehasonlítható időn belül szolgáltassa.
• Kellően átfogó ahhoz, hogy a statikus mérnök számára egyértelmű információt nyújtson a csomópont viselkedéséről, feszültségéről, alakváltozásáról, az egyes komponensek tartalékairól, valamint az összesített biztonságról és megbízhatóságról.

A CBFEM módszer azon az elgondoláson alapul, hogy a CM legtöbb ellenőrzött és hasznos részét meg kell tartani. A CM gyenge pontját – az egyes komponensek feszültségeinek elemzésekor mutatkozó általánosság hiányát – a végeselem-módszer (FEM) segítségével végzett modellezés és analízis váltotta fel.

A FEM egy általánosan használt módszer a szerkezeti analízisben. A FEM alkalmazása tetszőleges alakú csomópontok modellezésére ideálisnak tűnik (Virdi, 1999). Rugalmas-képlékeny analízis szükséges, mivel az acél a szerkezetben általában folyásba kerül. Valójában a lineáris analízis eredményei nem használhatók csomóponttervezéshez.

A FEM modelleket a csomópontok viselkedésének kutatási célú vizsgálatára alkalmazzák, amelyek általában térbeli elemeket és mért anyagtulajdonság-értékeket használnak.

Csomópont FEM modellje kutatási célra. Térbeli 3D elemeket alkalmaz mind a lemezekhez, mind a csavarokhoz

A csatlakoztatott szerkezeti elemek gerinclemezeit és övlemezeit héjelemekkel modellezik a CBFEM modellben, amelyekre ismert és ellenőrzött megoldás áll rendelkezésre.

A kötőelemek – csavarok és hegesztések – az analízismodell szempontjából a legnehezebbek. Az ilyen elemek modellezése általános FEM programokban nehéz, mivel a programok nem kínálják a szükséges tulajdonságokat. Ezért speciális FEM komponenseket kellett kifejleszteni a hegesztések és csavarok csomópontbeli viselkedésének modellezéséhez.

Homloklemezzel kialakított csavaros kapcsolat CBFEM modellje

A szerkezeti elemek csomópontjait tömeg nélküli pontokként modellezik acél keret vagy tartószerkezet analízisekor. Az egyensúlyi egyenleteket a csomópontokban állítják fel, és a rudak végeinek belső erőit a teljes szerkezet megoldása után határozzák meg. Valójában a csomópontot ezek az erők terhelik. A csomópontban lévő összes szerkezeti elemtől származó erők eredője nulla – a teljes csomópont egyensúlyban van.

A csomópont valódi alakja nem ismert a szerkezeti modellben. A mérnök csak azt határozza meg, hogy a csomópontot merevnek vagy csuklósnak feltételezi-e.

A csomópont megfelelő tervezéséhez szükséges egy megbízható, a valós állapotot figyelembe vevő csomópontmodell létrehozása. A CBFEM módszerben a maximális keresztmetszeti magasság 2-3-szorosának megfelelő hosszúságú szerkezeti elem végeket alkalmazzák. Ezeket a szakaszokat héjelemekkel modellezik.

Elméleti (tömeg nélküli) csomópont és a csomópont valódi alakja módosítatlan szerkezeti elem végekkel

A CBFEM modell pontosságának javítása érdekében az 1D szerkezeti elemek végein ható erőket a szakasz végeire ható terhelésként alkalmazzák. Az elméleti csomópontból származó erőhatos a szakasz végére kerül átvitelre – az erők értékei megmaradnak, de a nyomatékokat a megfelelő karokon ható erők módosítják.

A csomópontnál lévő szakaszvégek nincsenek összekötve. A kapcsolatot modellezni kell. A CBFEM módszerben az úgynevezett gyártási műveleteket alkalmazzák a kapcsolat modellezésére. A gyártási műveletek különösen: vágások, eltolások, furatok, merevítők, bordák, homloklemezek és toldások, szögvasak, csomólemezek és egyebek. Kötőelemeket (hegesztések és csavarok) szintén hozzáadnak.

IDEA StatiCa Connection kétféle analízist tud elvégezni:

1. Geometriailag lineáris analízis anyagi és érintkezési nemlinearitásokkal a feszültség- és alakváltozás-analízishez,
2. Sajátérték-analízis a kihajlás lehetőségének meghatározásához.

Kapcsolatok esetén a geometriailag nemlineáris analízis általában nem szükséges, kivéve, ha a lemezek nagyon karcsúak. A lemezek karcsúsága sajátérték- (kihajlás-) analízissel határozható meg. A határkarcsúságra vonatkozóan, amelynél a geometriailag lineáris analízis még elegendő, lásd a 3.9. fejezetet. A geometriailag nemlineáris analízis nincs implementálva a szoftverben.