Sabtu, 01 Februari 2020

penyederhanaan masalah tegangan kontak tumpu baut

analisa nonlinear material & geometri yaitu plastisitas, kontak beserta large deformation/stability membutuhkan resource komputer yg besar jika semua member & connection dimodelkan bersamaan. pada analisa secara manual interaksi ini diabaikan, ditinjau tiap komponen sambungannya saja. misal untuk pelat gusset dengan baut sentris gaya diasumsikan merata sama tidap bautnya, interaksi akibat eksentrisitas profil penampang dengan pelat gusset diwakilkan dengan faktor shear lag, dan penyederhanaan lainnya. ditinjau contoh sederhana dari verifikasi atau perbandingan sofware CBFEM dengan peraturan baja Kanada CISC

*catatan: lubang baut dia. 18mm, pelat tebal 5mm

dibawah adalah tampilan dari output program Idea Statica Steel (2019) dari dokumen rujukan online,

(sumber: Idea Statica Steel, 2019)

berikut, meshing & boundary condition yg sya terapkan. beban terpusat resultan (149kN) ditentukan berdasarkan cosine bekerja pada titik pusat baut dan dihubungkan dengan rigid links, bagian bidang kontak menerima 1/4 luasan melingkar. bagian yg bertemu dengan profil balok/kolom diasumsikan tertahan translasi semua arah, material nonlinear disederhanakan jenis mendekati elasto-plastis ideal. menggunakan elemen jenis element tetrahedral quadratic tujuan kecepatan otomatisasi, untuk analisa ini membutuhkan waktu sekitar 30 kali analisa elastis linear biasa yg mana waktu penyelesain analisa elastis linear hanya cukup beberapa detik saja running.

tegangan leleh kriteria von Mises, tahap incremental beban.

regangan plastis equivalen, tahap incremental beban.

terlihat walau distribusi tegangan leleh sudah menyebar setebal pelat dan juga membentuk pola leleh (yield pattern) lajur blok tahanan geser (shear block resistance) namun masih dibawah tahanan nominal rujukan peraturan baja Kanada (CISC) dengan selisih sebesar 0.94 yg mana jika melihat hasil analisa FEA keadaan regangan plastis pada nilai 3.6% (P=149kN) sampai 5.4% (P=159kN).

penyederhanaan pemodelan diatas cukup cepat namun untuk kondisi beban sentris, perlu menyesuaikan lain jika beban adalah eksentris. cara lain yg biasa yg digunakan adalah modeling dengan jenis analisa kontak namun baut dibuat rigid body sehingga konvergensi software FE akan dicapai jauh lebih cepat dibanding model yg memperhitungkan kekakuan baut yg non-rigid.

(sumber: Idea Statica, 2019)

contoh lain perbandingan diatas adalah sambungan splice plate balok baja dari dokumentasi sumber yg sama online. diterapkan gaya tiap lubang baut sebesar 94.5kN nilai kondisi mendekati kuat nominal tumpu baut.

regangan plastis equivalen menunjukan pada nilai sampai ~6% namun jalur garis leleh yg menjadikan kegagalan pelat sambung belum menerus.

diatas adalah tinjauan geser pada profil W200x46 separuh model, beban ditingkatkan 20% lebih besar dari sebelumnya karena flens sedikit lebih tebal dari splice plate dan juga adanya tahanan webs, diterapkan gaya tiap lubang baut sebesar 113.4kN nilai kondisi mendekati kuat nominal tumpu baut.

regangan plastis equivalen menunjukan pada nilai sampai ~7% namun jalur garis leleh yg menjadikan kegagalan flens profil belum menerus.

terlihat cukup cepat modeling & running metode tinjauan terpisah beserta penyederhanaannya, hanya membutuhkan beberapa menit saja (dominasi kebutuhan waktu untuk modeling pada software CAD) namun hasilnya sudah cukup mewakilkan sebagai gambaran pendekatan perilakunya, analisa stabilitas nonlinear (large deformation with plasticity) misal pada gusset plate akibat tekan juga dapat ditinjau cepat secara explicitly dengan beban eksentris minimum untuk representasi ketidak sempurnaan geometri elemen pelat.

tinjauan stabilitas pelat gusset akibat beban tekan, diterapkan beban eksentris yg bergeser sebesar L/1000 panjang elemen arah kerja gaya, deformasi lateral yg terjadi sebesar ~48% tebal pelat dengan artian pelat gusset masih stabil terhadap beban tekan yg terjadi dimana nilainya sya terapkan samadengan beban tarik dengan tanda terbalik. analisa stabilitas nonlinear sangat sensitif tehadap ketidak sempurnaan geometri & beban, saat sya terapkan eksentris beban sebesar L/500 solver running cukup lama kemungkinan besar gagal mencapai konvergensi karena pelat tertekuk berdeformasi lateral yg besar berlebih. perlu dicoba ditambahkan model pelat pengaku sebagai perbandingan.

mencoba dengan ekentrisitas beban L/750 namun solver belum berhasil, sya menambahkan pelat pengaku seperti berikut, eksentrisitas beban yg digunakan sebesar L/500 dan dimensi pelat pengaku 30x137x3mm. solver berjalan cukup cepat, defleksi lateral juga tereduksi secara drastis yg dapat diartikan pelat gusset ini jauh lebih stabil dibanding sebelumnya tanpa pelat pengaku.

setelah dianalisa ulang modifikasi, pelat pengaku dapat ditepatkan cukup satu sisi saja tinjauan untuk kemudahan pelaksanaan lapangan.

contoh lain dari perbandingan hasil test lab, pada model FE sya beban ultimit tekan diterapkan sebesar 300kN. material disederhanakan mendekati elasto-plastis ideal, ketebalan dibulatkan menjadi 13mm dari aktualnya 13.3mm. hasil uji labs dari pustaka bervariasi tergantung kekakuan splice plate & batang penyambungnya, bernilai 298kN untuk jenis splice plate dan 860kN untuk WT&plate.

(sumber: Cheng etal, 2014)
.

dibawah adalah contoh lain pelat gusset yg menerima beban eksentris, model adanya kontak dengan baut namun diterapkan rigid body untuk penyederhanaan & kecepatan analisa.

terlihat hasil baut sisi kiri bagian tengah kurang efektif menerima beban, perlu perbandingan lanjut dengan analisa interaksi keseluruhan yg memperhitungkan kekakuan bautnya.

contoh lain perbandingan dengan output program CBFEM seperti gambar dibawah rujukan online, tebal pelat tidak dijelaskan karena yg ditinjau adalah kekuatan baut tehadap perhitungan manual CISC. disini saya gunakan setebal flens kolom HEB240 yaitu sebesar 17mm.

.
(sumber: Idea Statica Steel,2019)
.

dibawah adalah tampilan hasil tegangan leleh kriteria von Mises, ada yg sedikit berbeda dibandingkan dengan hasil Idea Statica yaitu pada daerah baut nomer 5 &7 walau tabel hasil menunjukan sudah sesuai daerah tersebut adalah gaya baut terkecil.

arah pergerakan dan intensitas gaya pada baut dapat dilihat dari tampilan deformasi yg diperbesar skalanya dan juga hasil tegangan prinsipal/utama tekan.

.
.

berikut perbandingan lain, kondisi mengabaikan eksentrisitas beban

.
(sumber: Idea Statica, 2019)
.

terlihat hasi regangan plastis equivalen lebih besar ~60% dibanding metode CBFEM, nilai 0.3% berbanding 0.97% menyesuaikan.

dari banyak tinjauan model penyederhanaan diatas terlihat cukup cepat untuk tujuan review dan cukup mewakilkan perilaku pendekatan aktualnya, model dengan baut rigid body lebih akurat dibanding model dengan penentuan resultan gaya. dapat memodelkan kondisi beban exsentis juga, kepala baut sebaiknya ikut dimodelkan untuk tambahan pengaruh pengekangan akibat aksi clamping pergerakan baut area tersebut dan juga sedikit gaya prategang akibat proses pengencangan baut dilapangan.

library solver PARDISO pada FE CalculX

mendapatkan informasi laporan dari forum pengguna CalculiX di Yahoo Group beberapa tahun yg lalu yg dibuat compile statically dan dipublish untuk CalculiX versi 2.12 (j.p-baeza@orange.fr) penggunaan pilihan solver PARDISO dikenal lebih stabil & cepat karena jenis direct bukan iterative, mendukung multi-core serta dapat memanfaatkan hardsik jika menyelesaikan jumlah persaaman yg sangat besar dibatasi oleh kapasitas memory (out-of-core capabilities). solver library PARDISO banyak digunakan FE komersil seperti Robot SA, RAM Concept, NISA, TNO DIANA, COMSOL, mungkin lainnya juga, sedangkan SAP2000/ETABS & MSC Nastran menggunakan solver library TAUCS.

untuk versi tebaru 2.16 belum ada updates darinya, namun secara official distribusi untuk windows (R. Brzegowy) diberikan pilihan solver tersebut walau secara dynamically linking, dengan artian pengguna perlu menyediakan file library tersebut pada folder yg sama.

untuk penggunaan CalculiX versi 2.16 pengguna perlu mendownload dari webs Intel langsung di sini yg mana sebelunya perlu registrasi terlebih dahulu, lalu ikuti untuk melakukan proses instalasi. cukup besar sekitar 2Giga kebutuhan ruang hardisk yg diperlukan, dapat dihapus/uninstall jika sudah menyalin beberapa file library yg dibutuhkan.

adapun file library yg dibutuhkan berada pada folder instalasi:

...\windows\redist\intel64_win\mkl
...\windows\redist\intel64_win\compiler
...\windows\mkl\lib\intel64_win

seperti tampilan berikut, cukup salin dan tempatkan pada folder CalculiX bawaan official website distribusi windows.

berikut contoh tampilan jika telah berhasil running,

solver jenis iterative scaling diketahui lebih cepat dan mampu menyelesaikan lebih banyak persamaan dibanding jenis direct, beberapa developer software FE juga menyampaikan solver iterative lebih sedikit kebutuhan memory. walau dikenal cukup hebat solver library PARDISO, merujuk tulisan paper dari Fialko (2015) dapat gagal saat read/write di hardsik akibat tahap switch ketika memory tidak mencukupi. sehingga sebaiknya menggunakan hard drive jenis Solid State (SSD) dan juga motherboard yg sudah mendukung Disk Caching biasa tersedia pada jenis PC Server. pengguna CalculiX disarankan tetap menyimpan beberapa solver library yg sudah ada (Spooles, Iterative, Pardiso) untuk kemudahan pergantian antisipasi kegagalan suatu solver. mengenai solver library yg lain belum sya dapat adalah untuk TAUCS, ada perorangan yg sudah berhasil compile namun untuk OS Mac.

(sumber: Dhondt, 2019)
.

**updates untuk Intel MKL versi 2020.4 dan CalculiX versi 2.17 ada tambahan file AVX2 untuk optimalisasi processor Intel 4th Gen (Haswell) keatas.

untuk pengguna processor AMD dengan solver Pardiso & PaStiX perlu setting optimalisasi sebagai berikut,

solver PaStiX dengan GPU NVidia dikenal lebih cepat sekitar empat sampai delapan kali solver Intel MKL Pardiso, namun perlu beberapa perhatian terhadap kompitabilitas CalculiX diantaranya adalah features Mortar Contact serta expanded element beams dan shell karena adanya penerapan multi point constraints. sebaiknya dilakukan test pda model lebih kecil dan sederhana terlebih dahulu untuk membandingkan waktu penyelesaian dan hasil dari beberapa solver yg digunakan.

modeling object 3d dengan metode extrusion

terdengar seperti biasa pada umunya software CAD yg sudah mampu direct modeling, dimana user membuat base profile terlebih dahulu pada mode sketch kemudian dilakukan extrude ketebalan atau ketinggian tetentu, dapat juga rotasi atau mengikuti path. namun kali ini sya melakukan sesuatu yg mungkin agak sedikit berbeda pada software CAD/CAE SALOME. extrusion diawali dengan satu titik atau point, garis lalu bidang dengan ketebalan. modifikasi lain yg dipakai adalah move/translate, boolean operasi fuse dan fillet, dibuat parametric modeling juga dengan feature NoteBook.

object 3d dari kolom profile IWF sudah jadi dibuat, untuk membuat object serupa dengan dimensi, ketebalan dan radius takikan yg berbeda hanya cukup dengan merubah data pada Notebook lalu tekan update study. penambahan object lain seperti baseplate beserta lubang baut, lajur wedge model las, cap plate atau gusset/end plate, bidang pengiris untuk tujuan partisi hexa juga terlihat cukup mudah dengan titik acuan dan jarak relative object yg telah dibuat sebelumnya.

penentuan group untuk kondisi batas (beban & tumpuan, bidang kontak), permukaan dasar untuk meshing dominasi hexa, partisi object untuk meshing full hexa dan lainnya juga dapat ditentukan dalam tahap ini sehingga nantinya akan dilakukan update keseluruhan secara otomatis.

hasil mesh dominasi hexa dengan metode extrusion tersebut masih kurang baik kualitasnya terhadap tinjauan aspect ratio 3d, sebaiknya perlu dibuat quadratic terlebih dahulu dengan cara klik kanan hasil objec mesh.

dicoba contoh sederhana digunakan elemen jenis linear (Hexa C3D8 & Wedge C3D6), diterapkan beban dan tumpuan, jenis analisa statis linear FE solver CALCULIX dengan library PARDISO spek komputer laptop kelas untuk office biasa C2D P8600@2.4GHz dan 3Giga ram, belum PC Desktop yg spek tinggi. untuk model analisa tersebut mempunyai 59976 equations hanya membutuh sekitar beberapa detik saja untuk menyelesaikannya.

software SALOME CAD/CAE saat ini yaitu versi 9.3 atau 9.4 sudah ditambahkannya modul baru yaitu SHAPER untuk tujuan parametric design, lebih fleksibel dan mudah kerena menggunakan geometric constraint pada mode sketch bidang yg ditinjau, penggambaran juga ditampilkan langsung secara visual. perubahan parameter cukup dengan klik ganda pada dimensi constraint object, sehingga dapat memodelkan object 3d yg lebih kompleks.

** catatan:
ada yg terlewat saat melakukan extrusion garis flens dengan ketebalan, seharusnya dilakukan satu persatu dan sisi atas penebalan pada posisi arah kedalam sehingga penggeseran object tersebut tidak perlu dilakukan kecuali object webs yg perlu diposisikan pada tengah.

hubungan sisi tepi sejajar pada element shell continuum

sebelumnya telah diberikan contoh dan hasil penghubungan antara dua buah element shell continuum (S8, CalculiX) terhadap sisi yg saling tegak lurusnya, saat ini dicoba pada sisi sejajar dan diterapkan beban lentur & tarik.