Порта3 – градежништво, архитектура и екологија Порта3 – градежништво, архитектура и екологија
The Applied Element Method, или AEM е нов метод на анализа, кој со голема точност предвидува што се случува во конструкциите, пред и по нивниот колапс. Конечно, инженерите имаат на располагање алатка со која може да се определи тоталниот ефект при екстремни услови на товарење.
Во следниве страници ќе се обидам да ви претставам еден нов нумерички метод за анализа наречен „Applied Element Method“. Иако формулацијата и математичкиот модел на овој метод е доста едноставна, со негова помош може да се симулира голема нелинеарност на конструкциите, како при статички така и при динамички товари. „The Applied Element Method”, или AEM е нов метод на анализа, кој со голема точност предвидува што се случува во конструкциите, пред и по нивниот колапс. Со повеќе од две децении континуирано истражување, е докажано дека AEM е единствениот постоечки метод со кој може да се следи рушењето на една конструкција, притоа следејќи ги сите фази на товарење: еластична фаза, појава на пукнатини, нивно следење (ширење), течење на арматурата, одвојување на елементите (конструктивни или неконструктивни), судир на истите (контактот помеѓу нив), како и судир со почвата и околните конструкции.
РАЗВОЈОТ НА AEM
Како што напишавме, AEM е единствениот метод кој може прецизно да го анализира, следи и визуелизира однесувањето на конструкциите низ сите три фази на товарење: мали поместувања (линеарно еластични или нелинеарни), големи поместувања (геометриски и материјални промени, сепарација на елементите), судир и колапс на елементите (конструкциите).
Споредба на АЕМ (Applied Element Method) и FEM (Finite Element Method)
Проблеми со кои се соочува FEM (Метод на конечни елементи): Главниот проблем со кој се соочува FEM при моделирање на конструкциите, е моделирањето на големи пукнатини и самото одвојување на елементите. Иако постојат неколку FEM техники кои го овозможуваат одвојувањето на елементите, истите се лимитирани на помали проблеми со лимитирани пукнатини и одвојувања, и не можат да бидат генерализирани за употреба во секојдневната инженерска пракса преку создавање на софтверска апликација. Користејќи го FEM, локацијата на која настанува сепарација на елементите, може да биде однапред дефинирана или автоматизирана, меѓутоа и во двата случаи се доаѓа до непрактични решенија. Имено, дефинирајќи ја локацијата го контролираме самото место на сепарација, место кое особено при колапс на конструкцијата е непознато. Автоматизираната сепарација на елементите пак, може да се изврши со помош на „Element Erosion Technique“ (Техника на ерозија на елементите), при што при постигнување на однапред определени услови, оштетените елементи се отстрануваат од анализата. Ова е исто така, непрактично решение, од причина што ширината на пукнатините е лимитирана колку големината на елементот, односно се дозволуваат големи пукнатини, кои при случај на товар од земјотрес остануваат отворени. Ова решение, исто така, не функционира при моделирање на конструкциите со сите свои елементи, при што во сите елементи со исти димензии се дозволуваат (очекуваат) исти ширини на пукнатини.
ПРЕДНОСТИ ПРИ КОРИСТЕЊЕ НА AEM
Главните предности на оваа метода се фокусирани околу можноста за сигурно и прецизно предвидување на конструктивното однесување, почнувајќи од основните фази на товарење, преку првата појава на пукнатини, нивно ширење, па се до комплетен колапс. Алгоритмите на AEM ја олеснуваат комплексноста на конструктивната анализа без интервенција од корисникот, и без сугестивни претпоставки за тоа кога и каде би се појавиле пукнатини.
Генерирање на елементите со помош на AEM
Моделирање на кој било објект со помош на АЕМ, е многу слично со она на методот на конечни елементи (FEM), при што објектите се поделени на серија елементи, кои се меѓусебно поврзани. Главната разлика помеѓу двете методи е во начинот на кој тие елементи се поврзани меѓу себе. Континуитетот (континиумот) на конструктивните модели е составен од елементи меѓусебно поврзани со нелинеарни федери, преку кои се симулира однесувањето на материјалите. Овие конструктивни модели прецизно го симулираат однесувањето на армирано-бетонските и челичните пресеци. Се користат неколку типови на федери за прецизно претставување на целокупното однесување на конструкцијата: матрични федери, федери на арматурата и контактни федери.
ТИПОВИ НА ФЕДЕРИ
Матрични федери се оние со кои се постигнува конекцијата помеѓу два соседни елементи, и претставува основен конструктивен материјал. На пример, при пресметување на армирано-бетонска конструкција, овие федери го претставуваат бетонскиот спој меѓу елементите, додека при пресметување на челична конструкција, истите ја претставуваат конекцијата помеѓу челичните делови (елементи) од истата. Овие федери ги покриваат сите видови на материјали и карактеристики. Со помош на федери на арматурата, се претставува дејството на арматурните шипки. Истите имаат материјални карактеристики, точна локација, и димензии како арматурата во бетонските пресеци. Слично како и матричните федери, се поставуваат на спојот помеѓу арматурните шипки на краевите од елементот. Во случај на судир или контакт помеѓу два елементи со исти или различни материјални својства, се генерираат три контактни федери, односно еден нормален и два трансверзални, со чија помош се утврдува резултантното однесување. Овие три федери потоа се додаваат на секоја контактна точка.
АВТОМАТСКО ОДДЕЛУВАЊЕ НА ЕЛЕМЕНТИТЕ
Конекција на елементите и нивно автоматско одделување. Во методот на конечни елементи (FEM), елементите се споени меѓусебно со точки, при што сите деформации се случуваат внатре во самите елементи. Од друга страна, во АЕМ, елементите се поврзани помеѓу себе со помош на површински федери. За да може елементите да се одвојат и да се продолжи да се следи нивното конструктивно однесување и по сепарацијата, конекцијата не смее да биде преку заеднички точки, туку преку независна површина. Во АЕМ, елементите се споени површински преку серија од поврзни федери. Секој федер всушност е составен од 3 федери, еден федер ја презема аксијалната, а останатите два трансверзалните деформации.
Конекција на елементите и нивно автоматско одделување. Во методот на конечни елементи (FEM), елементите се споени меѓусебно со точки, при што сите деформации се случуваат внатре во самите елементи. Од друга страна, во АЕМ, елементите се поврзани помеѓу себе со помош на површински федери. За да може елементите да се одвојат и да се продолжи да се следи нивното конструктивно однесување и по сепарацијата, конекцијата не смее да биде преку заеднички точки, туку преку независна површина. Во АЕМ, елементите се споени површински преку серија од поврзни федери. Секој федер всушност е составен од 3 федери, еден федер ја презема аксијалната, а останатите два трансверзалните деформации.
ПРЕМИН ОД ГОЛЕМИ ВО МАЛИ ЕЛЕМЕНТИ
При анализа на некоја конструкција, не ретко се јавува концентрација на напрегања и пукнатини на мало растојание во одредени зони. Овие зони обично се моделираат со погуста мрежа на конечни елементи. Во вакви случаи, доколку анализата се врши со методот на конечни елементи (FEM), преминот од елементи со поголеми домензии кон оние со помали, мора да се изврши со помош на посебни техники, со кои би се осигурала конекцијата меѓу елементите. Притоа се среќаваме со следниве проблеми: Бројот на елементите може да се зголеми како резултат на слојот на спојување. Настанува компликација во процесот на поделба на елементите, со оглед на тоа што елементите мораат да бидат поврзани преку соодветни граници. Спротивно на ова, во случај кога анализата се врши со помош на АЕМ, овој проблем не постои затоа што конекцијата на соседните елементи во овој метод се базира на површини, а не на заеднички точки.
ДEЛУМНО ПОВРЗУВАЊЕ НА ЕЛЕМЕНТИТЕ
Со помош на АЕМ, соседните елементи кои се површински споени, ќе имаат федери за спојување и покрај тоа што заедничката површина зафаќа само дел од вкупната површина на елементите. При таков случај „Finite Elements“ (конечните елементи) не се споени, додека пак „Applied Elements“ се спојуваат со федери помеѓу себе. Делумна конекција всушност и ќе се постигне во случај на местото на контактите да се вметнат повеќе точки, меѓутоа тоа би значело зголемување на степените на слобода, и поголема комплексност при формулација на елементите.
СУДИР НА ЕЛЕМЕНТИТЕ
Контактот или судирот се дефинира автоматски без интервенции од корисникот. Елементите може да се судрат и да се одвојат, повторно да се спојат, или да почнат да работат заедно со другите елементи, без притоа да биде потребна интервенција од корисникот – постапката е автоматизирана.
Постојат неколку видови на контакти: агол – површина, агол – агол и агол – терен
Агол – површина: случај при кој елементот со својот агол удира на површината на другиот елемент. Во некои случаи може да се случи и аглите на повеќе елементи да удрат во површината на еден елемент, или повеќе агли на еден елемент да удрат во површина на некој(и) друг(и) елемент(и), без разлика дали е тоа истовремено или последователно.
Агол – агол: контактот на два елементи настанува преку нивните агли.
Агол – терен: аголот на елементот стапува во контакт со теренот. Овој случај е многу сличен како и првиот (агол – површина). Разликата е тоа што контактот е помеѓу елементот и теренот, а не со површината на друг елемент.
„The Applied Element Method“ претставува брза и прецизна алтернатива на методот на конечни елементи со кој се моделира и симулира прогресивниот колапс на конструкциите. Со вклучување на конструктивните и на неконструктивните компоненти, се создава пореално сценарио за прогресивен колапс на конструкциите. Конечно, инженерите имаат на располагање алатка со која може да се определи тоталниот ефект при екстремни услови на товарење.
Јордан Бојаџиев, дип.град.инж.
