scia.d.steel - Návrh ocelových konstrukcí

Modul na posudky ocelových konstrukcí je interaktivní nástroj posuzující únosnost a stabilitu ocelových dílců. Od posouzení řezu k posudku interakce pro různé účinky zatížení, SCIA Engineer vás vede k dosažení optimálního návrhu s minimem ručního zadávání.

Posudek se provádí po skončení konečně-prvkové analýzy - můžete si zvolit, zda se deformace druhého řádu a imperfekce zohlední na úrovni analýzy nebo až ve fázi posudků. V obou případech je správně zohledněna interakce zatížení a různé typy vzpěru.

MSÚ posudky se provádí podle EC3, AISC 360, SIA 263, a NBR 8800 Vestavěná inteligence v závislosti na třídě průřezu, štíhlosti apod. určuje, jaké články normy a vzorce se použijí pro posudky průřezu a stability.

Posouzení podle mezního stavu použitelnosti se provádí podle EC3, AISC 360 a SIA 263. Posudky deformací podle MSP zajišťují integritu příček, fasády a dalších nenosných prvků a také komfort osob.

Výhody

• Posudek ocelových konstrukcí plně integrovaný do 3D grafického prostředí umožňuje uživateli vizuálně posoudit výsledný návrh: od rozměrů, přes napětí a deformace až po celkové využití.
• Podporována je široká nabídka symetrických a asymetrických průřezů, stejně jako dílce s proměnnou výškou, s náběhy a výztuhami.
• Ke stabilizaci dílců je možno použít ocelové profilované plechy a zavětrování.
• Vzpěrné délky se spočtou nebo zadají ručně. Automatické stanovení je založena na tuhosti a odezvě celé konstrukce v dané rovině vybočení. Vzorce z odborné literatury zohledňují i tuhost sousedních připojených prvků.
• Návrh je integrován i do pokročilých výpočtů: 2. řád, stabilita, geometrická nelinearita a materiálově-geometrická nelinearita. Imperfekce lze například definovat na základě tvaru získaného stabilitním výpočtem.
• Modelování je usnadněno vestavěnými knihovnami materiálů, ocelových profilů a profilovaných plechů od různých výrobců.
• Při zohlednění výsledků výzkumného programu SEMI-COMP+ je možno využít plastickou rezervu I-průřezů a obdélníkových trubek.
• Rychlá optimalizační procedura nejde ideální průřez pro dané rozpětí a aplikované zatížení.
   

 

Podpora národních příloh pro Eurokód 3

Národní přílohy jsou k dispozici pro celou řadu zemí: Rakousko, Belgie, Česká republika, Kypr, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Řecko, Irsko, Lucembursko, Lucembursko, Malajsie, Nizozemsko, Norsko, Polsko, Rumunsko, Singapur, Slovensko, Slovinsko, Španělsko, Švédsko, Spojené království. Můžete ovlivnit a upravit volbu metod a součinitelů daných národními přílohami.

Klasifikace průřezu

Klasifikace průřezů je ve většině ocelových norem nezbytným krokem před vlastním posouzením. Modul Návrh ocelových prvků klasifikuje průřezy různých tvarů.

• Knihovna průřezů obsahuje širokou škálu tvarů, které lze přímo použít nebo upravit a uložit a znovu použít v jiných projektech. Průřezy válcované za tepla lze filtrovat podle oblasti (Evropa, Británie, Amerika, Rusko, Brazílie, Čína apod.) K dispozici jsou svařované průřezy, dvojice průřezů, produkty od firmy Arcelor Mittal, prolamované nosníky Westok a ocelové vazníky od American Steel Joist Institute.
• S modulem Editor obecného průřezu, můžete vytvořit průřez libovolného tvaru a použít jej ve výpočtu. Tvar průřezu je také možno načíst ze souboru DXF či DWG.
• SCIA Engineer klasifikuje průřezy jakéhokoli tvaru, který lze aproximovat střednicí a tloušťkou.
• Průřezy válcované za tepla a svařované průřezy z plechů mohou někdy padnout do 4 třídy. V takovém případě SCIA Engineer automaticky odvodí efektivní průřez pro tlak a ohyb na měkkou a tuhou osu.

Nástroj pro klasifikaci průřezu

Výpočet různé třídy průřezu pro jednotlivé kombinace je náročný .... pokud to musíte dělat ručně. V automatizovaném výpočtu však takový detail může přinést výrazné úspory.

SCIA Engineer analyzuje průřez, který lze aproximovat střednicí a tloušťkou a zatřídí ho do jedné ze 4 tříd definovaných v EN 1993-1-1 (či EN 1993-1-2 v případě posudku požární odolnosti). Klasifikace se pro kombinaci provádí na více místech podél nosníku / sloupu.

Pro Eurokód 3, AISC 360 a SIA 263 lze tento nástroj použít i samostatně (je dostupný z dialogu pro úpravu průřezů). Toto samostatné použití je vhodné, pokud chcete vyzkoušet různé případy, ověřit ruční výpočet, či pomoci studentům v porozumění této problematice. Hlavní využití je však uvnitř SCIA Engineer při posudcích.

Pro náběhy a nosníky s proměnným průřezem je změna geometrie průřezu  při klasifikaci zohledněna.
 

 

Výpočet plastické neutrální osy

Pro použití klasifikačních vzorců z normy je třeba stanovit neutrální osu. V případě plastické interakce N + My + Mz to není přímočará úloha.
Nástroj pro klasifikaci nabízí 3 numerické metody pro stanovení polohy neutrální osy. každá z metod má jinou úroveň přesnosti. Můžete se rozhodovat mezi přesností a rychlostí podle povahy dané úlohy.
Tři metody jsou:

• Pružná napětí: Pružný průběh napětí se použije pro výpočet plastického průběhu napětí pomocí uzavřeného vzorce.
• Průnik plochy plasticity: Pro průřez se odvodí diskrétní průnik plochy plasticity nebo „množina“ bodů. Skutečné vnitřní síly se upravují dokud se neprotnou s plochou plasticity. Bod diskrétní plochy plasticity, který leží nejblíž průsečíku se pak použije v další určování rozložení plastického napětí.
• Iterační postup: Skutečné síly se iteračně zvětšují a v každém kroku se počítá rovina deformace. Pokud nedojde k určení roviny deformace, pak byla překročena plocha plasticity. Algoritmus se pak vrátí o jeden krok a iterace probíhá s menšími přírůstky. Rovina deformace z posledního kroku se použije jako plocha plasticity.

Metoda Průnik plochy plasticity nabízí velmi dobrou rovnováhu mezi vysokou přesností a rychlostí.
 

Efektivní průřez

Efektivní průřezové charakteristiky nejsou vyžadovány jen pro tenkostěnné za studena tvarované profily. I jiné štíhlé nosníky, zejména ze svařovaných profilů, mohou padnout do 4. třídy. Takové nosníky jsou elegantní a vyznačují se efektivním využitím materiálu.
V Eurokódu 3, a v normách SIA 263 a AISC 360 se efektivní průřez ve 4. třídě odvozuje pro libovolný tvar - za tepla válcovaný, svařovaný, uzavřený, otevřený, z knihovny či obecně definovaný. SCIA Engineer takové průřezy rozdělí na ploché stojiny a výztuhy a podle štíhlosti a napětí v nich redukuje jejich geometrii.
Získaný efektivní průřez můžete vykreslit. V tabulce také najdete všechny iterační kroky výpočtu.

Podpora SEMI-COMP+ v Eurokódu 3

Valorizační projekt SEMI-COMP+ n° RFS2-CT-2010-00023 poskytl několik publikací o tom, jak dosáhnout ekonomičtějšího návrhu u průřezů, které jsou klasifikovány do 3. třídy.. Eurokód 3 pro takové polo-plastické průřezy uvádí, že se uvažuje čisté pružné selhání. To je však poněkud konzervativní přístup, protože v závislosti na štíhlosti se dá využít určité plastická rezerva.
SCIA Engineer uvažuje plastickou rezervu odvozenou od skutečné štíhlosti průřezu pro I průřezy symetrické podle obou os a pro obdélníkové trubky. Namísto skoku při přechodu mezi třídou 2 a 3 se uplatní postupná redukce plastické rezervy až po dosažení třídy 4. Povšimněte si, že normy Eurokód 9, SIA 263, AISC 360 a AISI S100 již tento postupný přechod zahrnují.
SCIA Engineer nabízí modifikované klasifikační limity publikované ve zprávě SEMI-COMP+. Tyto limity se mohou použít v případě polo-plasitckého návrhu průřezů třídy 4, protože tyto limity odpovídají úrovni bezpečnosti EC3 při aplikování pravidel podle SEMI-COMP+.

Posudky

Modul Návrh ocelových prvků provádí komplexní analýzu všech zadaných a generovaných kombinací zatížení a hledá extrémní hodnoty využití průřezu a stability.

• Na základě geometrie, vnitřních sil, přítomnosti výztuh a dalších parametrů program automaticky určí, který článek normy se použije.
• K dispozici jsou následující posudky průřezů: osová síla (tah nebo tlak), ohybové momenty, smykové síly, kroucení, vázané kroucení u I-profilů, U-profilů a jiných tenkostěnných průřezů, kombinovaný posudek.
• Provádí se následující posudky stability: rovinný vzpěr pro osově zatížené prvky, prostorový vzpěr a vybočení zkroucením pro osově zatížené prvky, klopení prvků namáhaných ohybem, ztráta stability vlivem smyku a vliv příčných sil u prvku namáhaného smykem, ztráta stability při kombinaci ohybu a osového tlaku, kritická štíhlost (pouze normativní).
• Pro klopení jsou k dispozici nastavení podpěr bránících klopení, vzpěrných délek, polohy zatížení (nahoře, dole, ve středu, stabilizující, destabilizující).
• Pro výpočet Mcr jsou dostupné 3 metody: ECCS Galea, Lopez et al, a ENV 1993-1-1 příloha F. Hodnotu lze také stanovit numericky stabilitním výpočtem skořepinového modelu nebo pomocí nástrojů třetích stran.
• Při posudku průřezu i posudku stability se zohlední interakce s účinky zatížení.
• Pro Eurokód 3 je vzpěr štíhlých pásnic posuzován u složených nosníků a nosníků svařených ze 3 pásů oceli.
• Podle EC3 a SIA 263 se ztráta stability v tlaku pro dílce s proměnnou výškou se počítá na základě doporučení ECCS Design Manual for EN 1993-1-1. Pro AISC 360 je použita metoda popsaná přímo v normě.

Posudek požární odolnosti ocelové konstrukce

Posudky požární odolnosti jak pro namáhání, tak i pro stabilitu mohou být provedeny podle EN 1993-1-2 a to v oblasti pevnostní i časové.

SCIA Engineer určuje rozšiřování plynů a zvyšování teploty materiálu v čase podle normou dané nebo vámi zadané teplotní (požární) křivky, typu vystavení požáru a izolace. Odvozují se únosnosti při zvýšené teplotě. Posudek požární odolnosti rovněž počítá s doporučeními ECCS N°111.
Posudky požární odolnosti se provádí ve stejném prostředí jako Posudky ocelových konstrukcí při běžné teplotě. Nabízí následující možnosti a výhody: 

• Posudek požární odolnosti je integrován do programu a doplňuje nástroje pro návrh ocelových konstrukcí.
• Konstrukce lze navrhovat na účinky požáru na základě výpočtu podle prvního i druhého řádu.
• K dispozici jsou knihovny pro požární křivky a tepelné izolace. Obě knihovny můžete v případě potřeby rozšiřovat o vlastní položky.
• Přehledné a úplné výstupy s volitelnou úrovní podrobností: od stručného souhrnu pro dílec až po podrobný výpočet s rovnicemi a odkazy na aplikované články normy.
• Data pro požární odolnost je možné zadat společná pro celou konstrukci nebo samostatně pro jednotlivé dílce: požadovaná požární odolnost (R15, R30, R60), tepelná izolace apod.
• Simulovat lze podrobné scénáře požáru s různou expozicí (ze 3 nebo 4 stran), vrstvami  protipožární ochrany a s uvažováním stínového efektu pro nechráněné dílce.
• Lze zadat alternativní vzpěrné součinitele pro případ požáru.
• Pro každý podporovaný průřez jsou z knihovny jsou k dispozici součinitele Am/V a [Am/V]b.
• Klasifikace průřezů se provádí speciálně pro požární situaci.
• Program prochází zadané zatěžovací stavy a kombinace, odvozuje využití a zobrazuje kritické dílce.
• Modul obsahuje optimalizaci průřezů: pro chráněné i nechráněné dílce; optimální průřez je určen na základě požadovaného využití zadaného uživatelem.
• Pro stanovení kritické teploty oceli lze aplikovat alternativní postup. V tom případě SCIA Engineer zajistí, že kritická teplota odpovídá 100% využití. Zjednodušený neiterační postup využívá počátečního spočteného součinitele využití μ.
• Obecné funkce SCIA Engineer dovolují snadno vybrat dílce s podobnou izolací či s jinými podobnými protipožárními parametry, dílce s podobným využitím apod.
   

 

V program jsou zabudovány následující křivky:

• křivka ISO 834
• externí křivka požáru,
• hydrokarbonová křivka,
• křivka pomalého zahřívání,

Pro výpočet lze použít i uživatelem zadané křivky.
Můžete definovat protipožární ochranu. V programu zabudované typy izolace zahrnují:

• desky z vláken, desky z vermikulitu/křemičitanu vápna, sádrové desky,
• minerální vlákna,
• vermikulitový cement, perlit, sádrové spreje,
• bobtnající nátěry.

Také můžete vybrat - pro celou konstrukci nebo vybrané dílce:

• způsob vystavení účinkům požáru (všechny strany průřezu, tři strany průřezu),
• parametry čistého tepelného toku, např. součinitel přenosu tepla prouděním αc, emisivita apod.
• samostatné součinitele vzpěrných délek pro případ požáru,
• součinitele spolehlivosti pro požární odolnost,
• obecná data týkající se klopení, výztuhy, výztuhy proti ztrátě stability smykem.
   

Posudek požární odolnosti lze provádět pro následující průřezy:

• symetrické a asymetrické profily tvaru I, L, U, T,
• obdélníkové a kruhové uzavřené nebo celistvé průřezy,
• jednoduché a dvojité úhelníky,
• ocelové svařované průřezy,
• průřezy s náběhy, I profily s proměnnou výškou,
• za studena tvarované ocelové profily z jedné desky,
• číselné průřezy s ručně zadanými průřezovými charakteristikami,
• skládané průřezy typu IFBA, IFBB, SFB a THQ.
   

Výstupní protokol (report)

Modul Návrh ocelových prvků těží z interaktivního rozhraní, kde jsou výsledky návrhu, včetně návrhu na účinky požáru, snadno přístupné v různých podobách:

• barevně vykreslené průběhy využití ve 3D okně pomáhají rychle odhalit kritická místa v konstrukci,
• stručný protokol o posudku lze vytisknout v tabulkové formě z Tabulkových výsledků,
• souhrnný protokol shrnuje důležité parametry návrhu a všechny posudky na jedné stránce,
• Podrobný výstup pak obsahuje všechny výpočty a vzorce (případně tabulky, je-li to preferováno) s odkazy na použité články in normy a umožňuje tak rychlé ověření postupu výpočtu,
• Souhrnný a podrobný protokol lze rychle vytvořit poklepáním na řádky v Tabulkovém výstupu, čímž získáváte rychlý přechod mezi podrobným popisem výpočtu a grafickou vizualizací ve 3D okně,
• chyby, varování , a poznámky lze obrazit přejetím myší přes problémový dílec ve 3D okně,
• do Engineering Reportu můžete také vložit podrobný přehled o klasifikaci průřezů a odvození efektivních průřezových charakteristik,
• u každých tištěných výsledků jsou zvolená nastavení zobrazena v horním levém rohu (např. vybraný zatěžovací stav, jméno dílce, typ výpočtu apod.),
• kromě celkového využití můžete pomocí funkce Složky výsledku vytisknout jednotlivé posudky.

Výhoda tohoto způsobu výstupu je dvojí: jednak je proces návrhu rychlý a jednak můžete vytvářet úplné a přehledné výstupy, s jejichž pomocí snadno přesvědčíte svého zákazníka a zainteresované úřady o kvalitě a rozsahu provedených výpočtů.

Rozšíření

• V kombinaci s modulem Návrh za studena tvarovaných průřezů lze Za studena tvarované průřezy posuzovat a optimalizovat podle EN 1993-1-3 
• Modul Pokročilé materiálově nelineární výpočty zahrnuje možnost provádět nelineární výpočet s plastickými klouby, tj. materiálovou nelinearitu na 1D prvcích.
• Podívejte se také do SCIA Garáž, kde najdete řadu doplňkových nástrojů: např. posudek ocelových desek podle EN 1993-1-6, posouzení na únavu podle EN 1993-1-9.