Otwory w środniku a ugięcie
Bardzo często wymagane jest przejście instalacjami przez środnik belki. W takich przypadkach powszechnym rozwiązaniem jest zapewnienie potrzebnej ilości otworów w środniku dźwigara. Przejścia te mogą być okrągłe albo prostokątne, w zależności od ilości, wielkości i kształtu rur, kanałów wentylacyjnych czy korytek kablowych.
Jeżeli inżynier ma swobodę w rozmieszczeniu otworów wzdłuż belki, to pytaniem jest gdzie je umieścić? Jaki będzie ich wpływ na ugięcie dźwigara?
Otwory takie mają tym większy wpływ na ugięcie belki im ich długość zwiększa się wzdłuż elementu. Jako, że otwory okrągłe są jednakowego rozmiaru we wszystkich kierunkach, to są one zwykle mniej krytyczne niż otwory prostokątne.
Poniższy przykład demonstracyjny oparty jest na sześciometrowej wolnopodpartej belce dwuteowej spawanej z blach.
Element poddany jest obciążeniu linowemu 10 kN/m, ugięcie belki z pełnym środnikiem w środku rozpiętości wynosi 4.6 mm.
Załóżmy, że na środniku, w odległości 300 mm od lewej podpory, należy wykonać prostokątny otwór o wymiarach 250 mm wysokości i 400 mm długości.
Tradycyjna analiza prętowym elementem skończonym
Elementy skończone prętowe Consteel 7DOF są bardzo potężnym narzędziem, lecz naturalnie nawet one nie są w stanie uwzględnić takich otworów. Powszechne podejście polega ma zbudowaniu rodzaju modelu belki Vierendeel'a, poprzez użycie dodatkowych elementów belkowych w kształcie przekroju T "powyżej" i "poniżej" otworu. Te dodatkowe elementy prętowe są zdefiniowane mimośrodowo względem linii odniesienia belki z pełnościennym środnikiem.
Mimośrodowości w Consteel są bardzo łatwo definiowalne przy użyciu zarówno tradycyjnych elementów łączących jak i tzw. smart linków.
Ugięcie w tak udoskonalonym modelu będzie równe 4,8 mm.
Analiza z użyciem elementu Consteel Superbeam
W celu uzyskania bardziej precyzyjnych wyników analiz, możliwe jest zastosowanie powłokowych elementów skończonych. W takich przypadkach rozwiązaniem jest nowa funkcjonalność o nazwie Superbeam. Zamiast używać prętowych elementów skończonych, użyjmy elementów powłokowych!
Otwory mogą być łatwo rozmieszczone wzdłuż środnika, albo jako pojedyncze, albo grupa otworów równomiernie rozłożonych. Mogą one być prostokątne, okrągłe, czy sześciokątne. Otwory okrągłe można uzupełnić dodatkowym pierścieniem usztywniającym.
Otwór prostokątny z powyższego przykładu łatwo definiujemy za pomocą wspomnianego narzędzia. Ponieważ nie ma potrzeby zapewnienia dodatkowego otworowania w pozostałej części belki, tylko pierwsza część zawierająca projektowany otwór będzie modelowana elementem powłokowym, pozostałą część nadal można modelować prętowym elementem skończonym. Używając tej techniki, całkowita liczba stopni swobody modelu może być utrzymana na najniższym możliwym poziomie. Wykorzystując element Superbeam, projektant ma możliwość wyboru, czy użyć elementów skończonych prętowych, czy powłokowych, w zależności od potrzeby.
W wyniku nowej analizy z użyciem Consteel Superbeam, wykorzystując mieszany model złożony z elementów powłokowych i prętowych, uzyskuje się dokładne ugięcie wynoszące 5,2 mm.
Ugięcie jest większe od wartości uzyskanej w rozwiązaniu z zastosowanej modelu belki Vierendeel'a z wykorzystaniem prętowych elementów skończonych.
Aby otrzymać najdokładniejsze wyniki analizy, zaleca się stosowanie elementów powłokowych w miejscach, w których założenia prętowego elementu skończonego są znacząco naruszane. Consteel Superbeam dostarcza projektantowi bardzo wydajne narzędzie do lokalnej analizy elementami powłokowymi krytycznych obszarów, następnie dalsze kontynuowanie modelu przy użycia dobrze znanego elementu prętowego 7DOF. Zapewnia to optymalny kompromis między dokładnością wyników analizy, rozmiarem modelu elementów skończonych a czasem rozwiązania.