Rabu, 29 Mei 2019

beberapa cara pemodelan baut pada software FE

pemodelan baut adalah hal tersulit dalam analisa FE sambungan baja, karena adanya interaksi kontak/ sliding friksi, gaya prategang dan plastisitas pada baut & lubang. hal tersebut yg menjadikan hampir tidak memungkinkan memodelkan secara keseluruhan pada portal bangunan baja. bahkan untuk satu sambungan kompleks yg terdiri dari banyak member balok & bracing saja butuh resource computer yg sangat tinggi. dikarenakan keadaan tersebut banyak metode penyederhanaan untuk modeling baut pada software FEA diantaranya adalah,

beams or springs element connected with rigid links / multi point constraint / DOF coupling
beams element connected with spider beams or triangular plates
solid element with fully contact or partially bonded

dari pemodelan diatas yg paling cepat adalah dengan model (1), namun mempunyai kekurangan karena transfer gaya yg sebanding menjadikan sangat kaku pada nodes yg terhubungnya. selain itu tidak dapat terwakilkannya kondisi tumpu (bearing) dan juga baut yg tertekan (tension only) jika memodelkan dengan beam element. model (2) dapat menutupi kekurangan tesebut dengan diterapkannya tingkat kekakuan element balok penghubungnya (spider beams) namun untuk kondisi baut yg tertekan pelu dicari pendekatan lain(?) walau terlihat agak sulit karena adanya perilaku pengekangan rotasi (clamping) pada badan baut (shank). model (3) adalah yg paling mendekati keadaan sesungguhnya, sedangkan cara partially bonded yaitu pada washer (bold/nut) & sekian bagian tinggi badan baut (shank) hanya untuk mereduksi masalah dengan mengabaikan adanya kontak dan mempercepat solver.

untuk model yg besar juga biasa direduksi dengan penggunaan elemen shell, selain itu juga untuk tujuan kekangan area nodes yang dapat ditempatkan pada bagian tengah ketebalan pelat (mid plane). konskuensi dari penyederhanaan tersebut adalah belum ditinjaunya kekuatan baut terhadap kondisi tumpu (bolt bearing strength). pada tulisan ini sya menggunakan element shell continuum S8. model baut dengan spider beams ditempatkan pada bebeapa posisi ketinggian. jenis analisa meninjau keadaa kontak dan plastisitas (simple bilinear) pada pelat penyambung. meshing elemen masih kasar namun sudah menggunakan jenis quadratic.

(sumber: Sutherland, 2015)
.

(a) posisi balok penghubung sejajar dengan bidang tengah (mid plane) komponen pelat

(b) posisi balok penghubung sejajar dengan bidang permukaan komponen pelat

(d) sama dengan mdel (b) namun menggunakan elemen solid quadratic C3D20

(e) sama dengan mdel (c) namun menggunakan elemen solid quadratic C3D20

need to be add, full 3D solid element with contact & plasticity

sambungan ujung balok sendi pada software FE advanced

jenis sambungan baja dibagi menjadi: sendi (simple pinned/hinged), jepit penuh atau menerus (fully fixed/rigid) dan kekangan sebagian (partially restrained/semi rigid) kategori tersebut hanya dapat diketahui dengan hasil eksperiment atau advanced FE (weld/bolt,contact&plasticity) )terhadap perilaku hubungan momen-rotasi. skenario jenis sambungan biasa ditentukan pada tahap awal oleh designer, konsistensi perlu diterapkan pada detail sambungan yg digambar & dilaksanakan agar perilaku saat beban bekerja tidak terlalu jauh berbeda dengan yg diharapkan. pada software linear statis biasa elemen frame/beam biasanya disediakan feature 'end release' namun pada softaware FE advanced dengan nonlinear frame/beam element with fiber setion seperti OpenSees dan CalculiX/ABAQUS tidak disediakan karena kompleksitas jenis elemennya, namun pengguna diberikan fasilitas dengan Multi Point Constraint (MPC) ditentukan hubungan DOF antar node yg disambungkan. kedua node tersebut dapat mempunyai koordinat yg sama (coincidence) ataupun koordinat yg berbeda/ada jarak.

ditinjau balok grid sederhana seperti gambar diatas, model balok sekunder yang satu adalah sambungan menerus sedangkan model lainnya adalah dengan ujung sendi (simple connection). elemen balok jenis quadratic reduced (B32R) pada solver FE/CalculiX dan diterapkan MPC.

terlihat hasil keluaran pada distribusi gaya dan defleksi mendekati sesuai yg diperkirakan, hanya pada section forces hasil diagram gaya geser (shear force diagrams) hasilnya belum sesuai (seharusnya konstan) pada daerah transisi beban terpusat & pertemuan dengan balok sekunder. ini keadaannya sama dengan versi terdahulu yg sudah pernah sya bandingkan pada postingan sebelumnya. perlu penghalusan mesh daerah transisi tersebut aga didapat hasil yang mendekati.

perlu perbandingan dengan software umum general purpose seperti SAP2000/MASTAN2. lainnya penerapan sambungan semi-rigid dengan model pegas rotasi (linear&non-linear) atau dengan koefisien kekakuan (linear).

distribusi tegangan pada konfigurasi panjang las gusset hollow

pada sambungan sejajar dengan ketebalan profil peraturan AISC/AWS membatasi maksimum adalah setebal profil, namum pada pertemuan dgn permukaan antara bidang profil dan pelat sambung (base material) peraturan tidak membatasinya, hanya memberikan catatan perlu ditinjau distribusi atau penyaluran tegangan serta effektifitas las (shear lag factors).

maksud dari catatan mengenai effektfitas diatas adalah jika tebal las terlalu berlebihan makan akan terjadi leleh pada bagian pertemuan profil penampang atau pelat sambung terlebih dahulu dibandingkan bagian las karena mutu las biasanya lebih tinggi 50% lebih.

(sumber: AWS D1.5, 2002)

(sumber: AISC, 2005)
.

ditinjau pelat gusset pada penampang profil hollow circular, diberikan gaya tarik sebesar 75% kapasitas leleh penampang, tumpuan adalah terjepit penuh.