Rabu, 31 Januari 2018

model FE angkur besi tertanam pd blok beton

uji tarik besi angkur yg tertanam didalam blok beton atau biasa disebut pull-out test diperlukan untuk mengetahui perbedaan kekuatan dan distribusi tegangan pada berbagai konfigurasi,

stud head
cap plate
hook type
various edge distance and position

pada tahap awal adalah modeling geometri solid dgn program SALOME 7.7.1 (2015) meshing model yg sederhana dengan algorithma Netgen quad dominant beserta extrusion untuk menghasilkan element hexa dominant, untuk akurasi ditambahkan penggunaan element quadratic.

konversi mesh dan definisi group format Ideas/INV menjadi format Abaqus/CalculiX menggunakan program konversi dari Bernhardi (2011) sedangkan solver FE mengunakan program CalculiX dengan material nonlinear plastis (Modified MC) dan mungkin penggunaan material damage (Mazars).

pemodelan dibuat terpisah untuk definisi bidang interaksi permukaan tulangan angkur dan permukaan beton yg bertemunya, tahap awal diterapkan jenis kontak sempurnan (bonded) dan tahap berikutnya menggunakan jenis kontak dengan gesekan/friksi.

komponen angkur,

definisi group untuk bidang kontak dan material, yg digunakan adalah set 7 (baja), 14(load) dan 15(sslave)

komponen blok beton,

... loading grafis CGX di windows cukup berat, perlu penyederhanaan meshing. distribusi jumlah meshing pembagia pada bagian tepi luar terlalu rapat.

pemodelan geometri dan meshing FE beton bertulang

pemodelan yg baik adalah sesuai geometri sesungguhnya atau aktual, baik itu untuk tulangan dan tumpuan. namun untuk tujuan penyederhanaan dari analisa FE komponen beton bertulang ada berbagai macam diantaranya,

elemen plane stress untuk balok/kolom dan truss untuk tulangan pokok & sengkang
element solid untuk balok, kolom, pelat dan elemen truss untuk tulangan pokok & sengkang
element solid untuk keseluruhanmya baik itu balok/kolom/pelat maupun tulangannya serta kontak pada tumpuannya

kekurangan dari penggunaan element truss untuk tulangan adalah diabaikannya aksi dowel/mengiris terhadap perilaku geser keseluruhan. pada analisa komponen beton bertulang yg menjadi penentu keberhasilan jangkauan perilaku adalah library material dari software FE yg digunakan, tahap elastis, plastis atau sudah sampai damage. berbagai program FE komersil sudah banyak menyediakan library nonlinear material untuk beton tersebut, yang membedakan antar peneliti/perencana adalah model dan penggunaan elementnya.

pada postingan kali ini sya mencoba model pendekatan aktual, hanya tekukan pada tulangan sengkang saja yg diabaikan. karena model cukup rumit maka meshing yg digunakan mengunakan algorithma Netgen tetrahedral otomatis, cukup banyak jumlah lement yg dihasilkan belum lagi konversi menjadi element quadratic untuk akurasi. terlihat ini merupakan pemborosan resource komputer memory dan grafis, dan mungkin saja tidak dapat sampai selesai proses solver running. mengenai waktu pemodelan geometry dengan program SALOME tidak terlalu rumit dan memakan waktu, hanya proses penentuan garis utama atau path dari tiap tulangan kemudian extrude dari penampang tulangannya, hanya saat proses boolean operation dan meshing agak membutuhkan waktu proses running.

Bagian balok beton sebelum dilakukan boolean operation dengan cutting

Bagian tulangan sengkang

Bagian tulangan pokok atas dan bawah

Bagian semua tulangan ditampilkan bersamaan

Penerapan group di model untuk penggunaan definisi perbedaan material

penentuan algorithma meshing

Hasil meshing tetrahedral otomatis

model dan meshing tetrahedra otomatis diatas terlihat berlebih kebutuhan resource grafis dan komputasi, pastinya akan meningkat berlipat saat digunakan untuk pemodelan lain yg lebih rumit seperti:

pertemuan balok dengan kolom
balok dengan pelat lantai
pilecap dengan boredpile dan kolom
kolom pedestal beton dengan tumpuan kolom baja beserta bracingnya

berikut sya mencoba menyederhanakan dengan model dan meshing hexahedral terstruktur dimana membutuhkan tahap partisi. komponen tulangan sengkang disederhanakan dengan bentuk pesegi equivalen sedangkan tulangan pokok tetap model penampang lingkaran, diharapkan hal tersebut tidak mengurangi ketelitian hasil analisa. berikut gambaran tahapnya,

tahap pemisahan pertama adalah boolean operation balok beton pesegi terhadap tulangannya,

penentuan partisi dilakukan pada arah memanjang balok dan arah memendek (penampang), serta bagian lain untuk memenuhi ketentuan alhorithma meshing structured hexahedron, agak rumit pada bagian ujung tekukan tulangan pokok walau ini terlihat masih memungkinkan.

ada yg terlewat daerah tekukan partisi hanya terbentuk dari 5 bidang yg seharusnya 6 bidang, berikut perbaikannya,

... need to be add,

steel pads and contact definition for support
elastic analysis, steel plasticity and concrete compression only materials
nonlinear material for concrete plasticity (Modified MC) and damage (Mazars)
study comparison with another modeling approach (Plane stress, Truss, Shell, Layered) and equivalent rectangular bars

meshing FE hexa dominant dgn metode extrusion

telah banyak diketahui penggunaan element tetahedral linear banyak menunjukan hasil yg kurang baik, perlu menggunakan jenis kuadratic yg mana ini meningkatkan berlipat (sampai empat kalinya) jumlah nodes dan waktu penyelesaiannya. element hexahedral dikenal cukup baik apalagi jenis quadratic, namun untuk membuat model dengan mesh hexahedral yg terstruktur dibutuhkan waktu awal yg lebih untuk penentuan partisi. metode manual juga mempunyai kekurangan lain yaitu tidak dapat diterapkan pada model dgn geometry yg kompleks, hal tersebut yg menjadikan banyak penelitian dalam metode meshing saat ini dikembangkan lanjut jenis hexa dominant.

(sumber: Remacle et al, 2018)

pengembangan metode hexa dominant yg sedang dikembangkan menjadi full hexa oleh group peneliti (https://www.hextreme.eu) yg didukung oleh European Research Council untuk diterapkan pada program mesher open-source GMSH. dari contoh gambar diatas terlihat masih mempunyai kekura kekurangn dimana lement tetahedral masih cukup banyak yaitu berkisar separuhnya.

program CAD/CAE Salome belum menerapkan algorithma meshing hexa dominant, namun penggunan mempunyai peluang dgn adanya algorithma meshing Netgen 2D quad dominant dan feature meshing extrusion. penentuan meshing base plane perlu ditetapkan pada model dengan grouping agar dapat dijadikan dasar meshing 2D yg akan dilakukan extrusion. kelebihan dari metode tersebut adalah menghindari proses partisi yg cukup banyak pada metode structured hexahedral cara manual. proses meshing bidang dasar akan membuat dominasi quadrangulatr dan sebagian kecil triangular, bentuk quad akan di extrude dan menjadikan element hexahedral sedangkan yg berbentuk triangular menjadi element prismatis.

contoh (1) object silinder, menghasilkan 92.75% hexa

jika urutan algorithma meshing tidak sesuai maka akan menjadikan gagal seperti sebagai berikut,

jika terdapat kesulitan kemungkinan diperlukan partisi untuk mempermudah, contoh (2) pelat berlubang, menghasilkan 90.83% hexa

contoh (3) pelat dengan coakan, menghasilkan 93.13% hexa

contoh (4) pelat dengan fillet radius pada salah satu sudut, menghasilkan 97.63% hexa

contoh (5) model lain pelat berlubang, menghasilkan 85.71% hexa

contoh (6) silinder dgn kepala untuk pemodelan baut yg disederhanakan, menghasilkan 93.63% hexa

contoh (7) model tumpuan profil siku dengn lubang baut, menghasilkan 93.54% hexa

contoh (8) ring tebal, menghasilkan 90.85% hexa

contoh (9) clamp tebal dengan banyak lekukan, menghasilkan 86.41% hexa

penghalusan mesh keseluruhan, menghasilkan 93.13% hexa

tambahan penghalusan mesh daerah tekukan, menghasilkan 91.18% hexa

contoh (9) sambungan pipa, menghasilkan 89.78% hexa

contoh (10) model penyederhanaan baut M20 beserta ring dan tonjolannya, menghasilkan 86.38% hexa

contoh (11) tumpuan kolom baseplate HB100, menghasilkan 87.69% hexa

bantuann geometri menggunakan program CAD umum dengan disimpan file format DXF serta program lain untuk konversi file IGES/STEP agar dapat dibaca oleh program SALOME.

penghalusan daerah tekukan, menghasilkan 91.27% hexa

terlihat untuk aplikasi teknik sipil/struktural dimana geometri model biasanya adalah tidak terlalu rumit maka penggunaan metode extrusion diatas cukup effektif mereduksi waktu modeling dan komputasi serta meningkatkan akurasi hasil analisa dengan penggunaan elemen jenis hexahedral. it's a big deal!! keadaan yg seimbang antara kebutuhan kecepatan modeling dan akurasi hasil. peningkatan lebih akurasi hasil juga dapat dengan penggunaan element quadratic, cukup klik kanan di menu tree lalu pilih convert mesh type maka SALOME akan membuat tambahan node tengah yg menyesuaikan kelengkungan geometri. pada model sambungan baja biasanya ada pelat segitiga yg berfungsi sebagai pengaku (stiffener) sehingga membuat kendala pada proses meshing metode extrusion, hal lain dapat dihindari dengan model yg terpisah kemudian permukaan mesh yg tidak bertemu tersebut diterapkan Tie Constraint atau Bonded Contact.

diatas adalah contoh pemodelan dan meshing pelat pengaku (stiffener) terpisah, namun pertemuan node masih cukup jauh dan kurang baik terhadap hasil analisa (?).

**updates
#1 tambahan pemodelan pelat pengaku stiffener yg bertemu profil lengkung misal circular hollow, tebal dibuat berlebih untuk kejelasan, model dibuat terpisah dan diterapkan tie constraint karena meshing yg tidak sepadan atau bertemu.

#2 contoh lain penggunaan metode meshing yg sama namun terhadap object dasar dan bodang oposisinya berbeda ukuran,

#3 contoh lain yg lebih rumit karena mempunyai dua arah extrusion, belum diterapkan penghalusan mesh daerah lengkungan.

#4 pelat berlubang dengan chamfer, diterapkan algorithma Quad from Medial Axis, meshing masih belum baik pada distribusi arah ketebalan.

#5 bagian bawah angkur, model arah extrusion mengikuti path arah sembarang. dapat digunakan untuk pemodelan pegas (spring), angkur pada baseplate kolom baja, beton bertulang untuk tulangan pokok atau sengkang / begel beserta tekukannya. walau masih ada kendala untuk element betonnya sendiri, mungkin kombinasi tetra (?) dan penerapan constraint pada mismatched mesh.