Tutorial: Rama stalowa 3D

Rama stalowa - modelowanie, analiza oraz wymiarowanie w FEM-Design 11.0

Pobierz: Ćwiczenie - Rama stalowa 3D.pdf

W ćwiczeniu tym poznamy takie funkcje jak:

• definicja i edycja elementów konstrukcyjnych,
• definicja przypadków oraz kombinacji obciążeń,  
• analiza statyczna konstrukcji,  
• prezentacja wyników analizy,
• sprawdzenie nośności konstrukcji,
• wymiarowanie (Auto design) elementów stalowych,
• stworzenie dokumentacji.

Uruchom FEM-Design 11.0 – 3D Structure i wybierz Eurocode jako normę do wymiarowania konstrukcji.

Część pierwsza: Modelowanie

1. Definicja konstrukcji:

Stwórz model ramy stalowej przedstawionej na rysunku powyżej, wg. danych wymienionych w tabelce:

Aby zdefiniować słupy (belki), użyj następujących opcji: Structure → Column (Beam) → Define. Ustaw wysokość słupa (Height) na 3m, jego pozycję (Placement) na Above i kierunek (Direction) na Parallel with global X axis (jak na przykładzie poniżej).

Wybierz Default settings, aby dobrać właściwości elementu (profil, materiał, zwolnienia, etc.), jak na przykładzie poniżej.

Elementy liniowe mają domyślnie ustawione sztywne połączenia (End conditions → Releases). Pozostaw takie ustawienia.


2. Podpory:

Zadaj wszystkim słupom podpory przegubowe. Użyj następujących opcji: Structure → Point support group → Define.

 Wybierz Default settings , aby wybrać typ podpory (jak na przykładzie poniżej).

3. Obciążenia:

Stwórz przypadki obciążeń wymienione na rysunku poniżej. Użyj opcji: Loads → Load cases. 

• Ciężar własny: w przypadku ciężaru własnego elementów konstrukcyjnych, należy zmienić jego typ na +Dead load, aby został on uwzględniony automatycznie.

• Obciążenie użytkowe: wartość obciążenia użytkowego to 3 kN/m. Wybierz odpowiedni przypadek obciążenia z rozwijalnej listy (Obciążenie użytkowe), wpisz wartość obciążenia, a następnie użyj opcji: Loads → Line load → Define → Line by selection i zaznacz poszczególne belki.

• Wiatr X (Wiatr Y): wartość obciążenia wiatrem to 1 kN/m (w ubu kierunkach). Wybierz odpowiedni przypadek obciążenia z rozwijalnej listy, następnie użyj opcji: Loads → Line load → Define → Line by selection, aby zadać obciążenie na belki. Zmień kierunek obciążenia na Parallel with global X axis  (aby uzyskać obciążenie działające w płaszczyźnie poziomej, w kierunku X) lub Parallel with global Y axis  (aby uzyskać obciążenie działające w płaszczyźnie poziomej, w kierunku Y).

4. Kombinacje obciążeń:

Stwórz 5 kombinacji obciążeń: jedną dla stanu granicznego użytkowalności (SLS – Service Limit State) oraz 4 dla stanu granicznego nośności (ULS – Ultimate Limit State), wg. danych przedstawionych na rysunku poniżej. Użyj opcji: Loads → Load combinations.

Aby szybciej wybrać przypadki obciążeń biorące udział w danej kombinacji, możesz użyć opcję Insert case(s), dzięki której jednorazowo możesz wybrać wszystkie potrzebne przypadki obciążeń. Wszystkie wybrane przypadki zostaną wstawione do tabeli z kombinacjami, razem z przypisanym im współczynnikiem obciążenia (Factor).

Część druga: Analiza

Aby przeprowadzić obliczenia, przejdź to zakładki Analysis i użyj opcji Calculate. Jako rodzaj analizy wybierz: Load cases i Load combinations.  Wybierz OK aby rozpocząć obliczenia. 

  Aby wyświetlić wyniki analizy, użyj opcji New result. Przycisk stanie się aktywny po zakończeniu analizy.

Ugięcia:

Pokaż wykres deformacji w przypadku stanu granicznego użytkowalności (kombinacja obciążeń SLS). W tym celu użyj opcji New result, wybierz przypadek: Analysis → Load combinations → Displacements i zaznacz kombinację, dla której chcesz wyświetlić wykres deformacji.

Aby wyświetlić wartości przemieszczeń, użyj opcji Numeric Value. Przycisk stanie się aktywny dopiero po wyświetleniu wykresu. W oknie dialogowym wybierz opcje: Find only maximum/minimum and Selected object, a następnie klinknij prawym klawiszem na wybraną belkę, aby wyświetlić wartość przemieszczenia.

Użyj opcji z panelu Quick change, aby zwiększyć skalę wykresu, zwiększyć rozmiar czcionki tekstu oraz aby zmienić format prezentowanego wyniku.


Reakcje:

Wyświetl maksymalne reakcje uwzględniając wszystkie kombinacje obciążeń. W tym celu użyj opcji New result, wybierz przypadek: Analysis → Maximum of load combinations → Reactions → Fz’-.

Aby wyświetlić wartości reakcji, użyj opcji Numeric Value. W oknie dialogowym wybierz opcje: Find only maximum/minimum and Selected points, a następnie zaznacz pionową strzałkę oznaczającą reakcję, aby wyświetlić wartość danej reakcji w podporze.

Momenty zginające:

Wyświetl maksymalne momenty zginające uwzględniając wszystkie kombinacje obciążeń. W tym celu użyj opcji New result, wybierz przypadek: Analysis → Maximum of load combinations → Bar internal forces → My’+ (Simultaneous: My’; Display option: Graph).

Aby wyświetlić wartości momentów zginających, użyj opcji Numeric Value. W oknie dialogowym wybierz opcje: Find only maximum/minimum, Selected object oraz Maximum, kliknij prawym klawiszem na wybraną belkę.

Aby wyświetlić szczegółowe wykresy konkretnej belki, wybierz opcję Detailed result, a następnie kliknij na wybraną belkę. W oknie dialogowym Single bar result istnieje możliwość edycji poszczególnych wykresów (dodanie wartości, zmiana skali lub formatu wyniku).

Część trzecia: Wymiarowanie elementów stalowych

Po przeprowadzonej analizie statycznej otrzymaliśmy informacje na temat deformacji oraz sił wewnętrznych. Następnym krokiem jest sprawdzenie, czy nośność konstrukcji jest wystarczająca. W tym celu należy przejść do zakładki Steel design. 

Aby zweryfikować nośność elementów stalowych, należy wybrać opcję Calculate → Design calculations oraz zaznaczyć Check all structural elements i wybrać OK.

Aby wyświetlić wyniki weryfikacji, użyj opcji New result, wybierz przypadek: Steel bar → Utilization. Wybierz Maximum jako przypadek kombinacji.

Z otrzymanej mapy wykorzystania przekrojów wynika, że wg. Eurokodu, żaden z przyjętych wstępnie przekrojów nie posiada wystarczającej nośności.

Aby sprawdzić, który warunek nośności nie został spełniony, użyj opcji Detailed result i kliknij na wybrany element. W rezultacie otrzymasz szczegółowe obliczenia wg. Eurokodu.

Aby zwymiarować elementy stalowe tak, aby spełniały normy nośności, użyjemy opcji Auto design.

W oknie dialogowym Auto design należy wybrać opcję Design. Następnie, w oknie dialogowym Utilization, wybierz Parameters, aby zadecydować o przekrojach, które mają być brane pod uwagę. Kliknij OK i zaznacz wszystkie elementy konstrukcyjne, aby rozpocząć wymiarowanie.

Po zwymiarowaniu, wszystkie elementy powinny mieć kolor zielony lub żółty. W oknie dialogowym  Utilization, możesz sprawdzić jakie przekroje zostały wybrane i jaki jest stopień ich wykorzystania.

Po zmianie przekrojów (zmiana sztywności elementów), nastąpiła również zmiana w rozkładzie sił wewnętrznych. Dlatego należy przeprowadzić ponowną analizę sił wewnętrznych aby zaktualizować wyniki. W tym celu użyj opcji: Apply design changes and recalculate.

Jeśli po przeprowadzeniu ponownej analizy sil wewnętrznych, jakieś elementy nie spelnią wymogów nośności (będą miały kolor czerwony na mapie wykorzystania przekroju), ponów procedurę Auto Design (aż do skutku).

Część czwarta: Dokumentacja

 Aby stworzyć dokumentację projektu, należy przejść do modułu Documentation, który znajduje się w prawej części menu programu FEM-Design.

Na początek dodaj kilka zdjęć przedstawiających deformację konstrukcji, reakcje, etc. Wciśnij Ctrl+D, aby dodać obecny widok do dokumentacji (zdjęcia te mogą być dodane również bezpośrednio z modułu Documentation).

Skorzystaj z funkcji Select result, aby powrócić do poprzednio wyświetlanych rezultatów. 

Przejdź do modułu Documentation. Zdjęcia, które zostały dodane wcześniej za pomocą opcji Add view to documentation (Ctrl+D), są już wyświetlone w dokumencie. 

Po kliknięciu na dane zdjęcie, uzyskasz dostęp do menu Manage results i Quick change. Dzięki dostępnym opcjom, możesz dowolnie modyfikować dodane wcześniej rezultaty (zmiana skali, dodanie wartości, etc.). Każdy z wykresów może być również edytowany w swoim oknie dzięki funkcjom Zoom (scroll), Pan oraz Rotate (Ctrl+scroll). 

Dodaj tabelkę z rezultatami, np. reakcji w podporach dla kobinacji SLS. Użyj opcji Table → Analysis → Load combinations. Jako rezultat wybierz Points support group, rections, a jako kombinację: SLS. Wybierz List data, a tabelka z wynikami pojawi się w dokumentacji.

Dodaj tabelkę z wynikami wymiarowania elementów stalowych oraz stopniem ich utylizacji. Użyj opcji Table → Steel Design → Max. of combination → Bar, Utilization.