La suite software RISA è un elemento fondamentale negli uffici di ingegneria strutturale in tutto il mondo, pregiato per la sua flessibilità nella modellazione di comportamenti complessi. Una delle sue proprietà strutturali più potenti e spesso sottoutilizzate è la caratteristica delle proprietà materiali personalizzate.

Perché Materiali personalizzati

Le librerie di materiali standard sono costruite intorno ai valori di modulistica di codice e alle definizioni tipiche del grado. Quando si spinge oltre quei confini, si specifica un acciaio con una resistenza di resa di 65 ksi invece di 50 ksi, o modellare un FRP avvolgere con rigidità ortotropica—il software ha bisogno di input espliciti. Senza proprietà personalizzate, i risultati di analisi possono essere poco riservati (utilizzando materiali eccessivamente morbidi) o inutilmente costosi (overdesigning

Flusso di lavoro: Definire un materiale personalizzato in RISA

RISA offre due strumenti correlati per la definizione dei materiali: lo standard []Material Editor[ (disponibile in RISA-2D, RISA-3D e RISAFloor) e il più avanzato [ Definizione dei materiali personalizzati]] all'interno dei moduli di proprietà della sezione.

  1. Apri il Materiale Editor. Dal menu principale, selezionare [Proprietà > Editor dei materiali[] o fare clic sul pulsante Materiali sulla barra degli strumenti.
  2. Crea un nuovo materiale. Clic [] Add o Duplicate un materiale simile esistente (ad esempio, duplicare l'acciaio A36 e rinominare “A572 Gr65”).
  3. Proprietà isotropiche standard di ingresso. Per la maggior parte dei materiali, si specifica: [
      ]
    • ]Modulo di elasticità (E) – spesso in ksi o psi.
    • Ratio di Poisson (ν).
    • Shear Modulus (G) - autocalcolato da E e /, ma è possibile eseguire la sovrascrittura per i casi ortotropici.
    • Densità (peso per volume unitario) – critica per massa sismica e auto-peso.
    • Coefficiente di espansione termica (α) – richiesto per le combinazioni di carico termico.
  4. Immettere parametri di resistenza e progettazione. Questi valori regolano i controlli di progettazione basati sul codice (AISC, ACI, NDS, ecc.):
    • ] Lo stress di Yield (Fy) per l'acciaio, o la resistenza alla compressione (f’c) per il cemento.
    • Resistenza alla trazione finale (Fu) per acciaio.
    • Valori di stress per legname o alluminio.
    • Modulo di rottura per cemento.
  5. Accesso a proprietà personalizzate / avanzate. Nello stesso editor, cercare schede o pulsanti etichettati [Avanzato, ] Non lineare, o Custom].
  6. Modulo indurente o modulo tangente.
  7. Degrado dipendente dalla temperatura (creep, relax).
  8. Valori di rigidità ortotropica o anisotropica (ad esempio, per i compositi).
  9. Rapporto di smorzamento per analisi dinamiche.
  10. Salva e assegna. Dopo aver inserito tutti i dati, fare clic [ OK] o ] Salva. Il materiale ora appare nel tuo albero di progetto. Per usarlo, selezionare i membri o le piastre e assegnare il materiale personalizzato attraverso la scheda Properties[[[[F][F.

Per i membri che richiedono un orientamento del materiale specifico per la sezione (come laminati compositi con diversi angoli di ply), è necessario definire un [ Sezione trasversale personalizzata[] o utilizzare il Composite Section Builder]] in RISA-3D, che permette la stratificazione di materiali con proprietà individuali.

Differenze chiave tra i tipi di materiale

La maggior parte dei materiali e del cemento sono trattati come isotropici (proprietà stessa in tutte le direzioni rigide). Timber, FRP, e compositi moderni sono ortotropici (differenza diversa lungo grana / direzioni del tipo di grano reale) Quando si seleziona "Wood" o "FRP" come il tipo di materiale nell'editor, i campi aggiuntivi per E paralleli e perpendicolari

Proprietà personalizzate avanzate per l'analisi non lineare

L'analisi elastica lineare è il default in RISA, ma per il design sismico, l'analisi pushover o il dettaglio di connessione, è necessario definire i materiali non lineari.

  • Elastic-Perfectly Plastic:[] Modello non lineare più semplice. Definire lo stress della resa e mantenere la rigidità post-yield zero.
  • Indurimento della trazione:[ Definire una curva bilineare o trilineare con rigidità di indurimento specificata (spesso 1–2% di E).
  • Concrete Damage Plasticity o Tension Stiffening:[ Per cemento, inserire la curva di compressione dello stress-strain (Hognestad, Kent-Park, o definito dall'utente) e un fattore di irrigidimento della tensione per catturare il comportamento post-cracking.
  • Rendimento dipendente dalla temperatura:[] Usato per l'analisi del fuoco. RISA consente di definire i fattori di riduzione della resistenza alla resa nei punti di temperatura discreti.
  • Hysteretic Damping:[ Per analisi non lineare dinamica, è possibile assegnare un rapporto di smorzamento materiale che varia con ampiezza di tensione.

Quando si inseriscono curve non lineari, si consiglia di utilizzare abbastanza punti per catturare la forma, ma di evitare salti brutti che causano problemi di convergenza. Si raccomanda un minimo di 5-7 punti per il ramo di compressione e un ramo di ammorbidimento per la tensione.

Convalida dei materiali non lineari personalizzati

Un passo cruciale che molti ingegneri saltano è la convalida del materiale personalizzato contro un test o un calcolo della mano conosciuto. Creare un piccolo modello in RISA - un elemento a tromba singola o una colonna corta - e applicare un carico che spingerà il materiale rendimento passato. Confrontare la curva di spostamento della forza con calcoli manuali o dati pubblicati.

Se si utilizza un modello di cemento personalizzato, la resistenza alla compressione raggiunge il punto di prova specificato al giusto sforzo (tipicamente 0,002) .

Applicazioni pratiche: Materiali specializzati

Le proprietà materiali personalizzate brillano in progetti che richiedono prestazioni al di là dei codici tipici.

1. Polimeri rinforzati con fibra (FRP)

FRP è utilizzato per il rafforzamento della fascia di colonna, i retrofit della lastra e il rinforzo della cinghia del fascio. FRP è ortotropica: elevata resistenza e rigidità lungo la direzione della fibra, basso attraverso di essa. In RISA, definire il materiale come “Altro” o “FRP” e impostare:

  • E1 (longitudinale): 20.000–30.000 ksi (fibra di carbonio).
  • E2 (trasverso): 1.500–2,000 ksi.
  • G12: 800–1.000 ksi.
  • Rapporto di Poisson contro 12: 0.2–0.3.
  • Ultimo sforzo di trazione in direzione della fibra: 350–550 ksi.
  • Ceppo di guasto alla trazione: 1–2%.

Poiché FRP è quasi elastico al fallimento, non è necessaria alcuna plasticità, ma per la retrofit sismica, si può desiderare di assegnare un piccolo rapporto di smorzamento (1–2%). Assegnare il materiale agli elementi di conchiglia o ad una sezione avvolta utilizzando il Composito Sezione Builder.

2. Acciaio ad alta resistenza con indurimento dello stelo

Gli acciai come A572 Grade 65, A913 Grade 65, o ASTM A1085 per le sezioni HSS richiedono Fy e Fu personalizzati. Per il design basato sulle prestazioni (ad esempio, FEMA P-695), avrete anche bisogno della resistenza di rendimento prevista (Ry*Fy) e della resistenza alla trazione prevista (Rt*Fu).

3. Legname laminato a croce (CLT) con proprietà ortotropiche

CLT è un composito in legno con strati ortogonali. In RISA, selezionare il tipo di materiale “Wood” e quindi modificare le proprietà di orientamento-dipendenti:

  • E parallela al grano (E0): 1.800.000 psi per il tipico SPF.
  • E perpendicolare al grano (E90): 85.000 psi.
  • Modulo di taglio G: 120.000 psi.
  • Sforzo di flessione (Fb) consentibile basato su regolazioni NDS.

Poiché CLT è spesso modellato utilizzando elementi di shell, è necessario definire una shell stratizzata o utilizzare il Composite Section Builder dove ogni strato può avere un proprio orientamento materiale. RISA 3D consente di assegnare un angolo materiale locale per ply utilizzando il parametro “Ply Angle” nella definizione della sezione laminata.

Migliori Pratiche per i risultati affidabili

Utilizzando materiali personalizzati introduce responsabilità aggiuntive. Seguire queste linee guida per evitare errori:

  • I dati della fonte da riferimenti attendibili. Usare schede di dati del produttore, risultati di prova pubblicati, o valori codificati in codice (ad esempio, AISC 360, ACI 318, NDS). Per materiali compositi, fare riferimento ai rapporti di valutazione ASCE 41 o ICC-ES.
  • Mantenere un file di libreria materiale.[ RISA consente di esportare la libreria di materiale corrente in un file .xml. Salvare questo file come standard aziendale in modo che gli stessi materiali personalizzati vengano utilizzati in tutti i progetti.
  • Utilizza unità coerenti. RISA lavora in unità U.S. personalizzate o metriche. Controllare che i valori che si inseriscono corrispondono al sistema delle unità del modello. Un errore comune sta entrando in E in psi quando il modello è impostato su ksi (fuori da un fattore di 1000).
  • Test su un sottomodello.[] Prima di eseguire un'analisi completa dell'edificio con 10.000 elementi, applicare il materiale personalizzato a una semplice cornice a due vani o a una singola colonna. Applicare carichi gravi e laterali e ispezionare deflettori e sollecitazioni. Confronta con calcoli manuali o disposizioni di codice.
  • Documenta tutti i parametri personalizzati. Tenere una nota di design separata (o un foglio all'interno del modello RISA) che elenca ogni materiale personalizzato con la sua sorgente e la data. Questo è prezioso durante la revisione peer e quando rivisitare il modello mesi dopo.
  • Aggiornare le proprietà con nuovi dati.[ Le proprietà dei materiali possono cambiare nel tempo a causa di variazioni di lotto o standard revisionati.Rivisitare la libreria personalizzata almeno ogni anno e regolare secondo le necessità.

Pitfalls comune e come evitare di loro

Anche gli ingegneri esperti possono inciampare quando si definiscono materiali personalizzati.

  • Le curve non lineari non corrispondono ai dati sperimentali. Molti utenti inseriscono una curva trilineare con una caduta improvvisa dopo l'ultima, causando instabilità numerica. Invece, utilizzare un ramo discendente liscio o aggiungere una grande capacità di deformazione plastica (ad esempio, 5% per il cemento) per migliorare la convergenza.
  • Ignorando il modulo di taglio per materiali ortotropici. Se si definiscono diversi valori E, ma lasciare G come predefinito (computato dalla formula isotropica), l'analisi sottopredige le deformazioni di taglio.
  • Utilizzando materiali personalizzati in codice controlla in modo errato. I moduli di progettazione di RISA (ad esempio, progettazione in acciaio per AISC) utilizzano i valori di resistenza dei materiali assegnati. Se si imposta Fy a 65 ksi, ma il membro è una sezione W che è elencata solo come A992 nel database delle sezioni, RISA può ancora utilizzare le proprietà nominali della sezione (50 ksi) per determinate
  • Overwriting material esistenti. Invece di modificare un materiale incorporato (ad esempio, “A992 Gr50”), duplicarlo e rinominarlo, preservando il default originale ed evitando modifiche accidentali ad altri modelli che potrebbero utilizzare quel nome materiale.

Ampliamento delle tue capacità con flussi di lavoro integrati

Le proprietà materiali personalizzate di RISA possono essere ulteriormente sfruttate quando combinate con altri strumenti software. Ad esempio, è possibile esportare le definizioni dei materiali in RISAConnection[] per il design di connessione con la stessa resistenza dell'acciaio, o importare i dati materiali da [[ RISFLT:2]]

Le risorse esterne per ulteriori orientamenti includono:

Conclusioni

Le proprietà materiali personalizzate in RISA non sono solo una caratteristica di nicchia, ma sono essenziali per l’ingegneria strutturale moderna dove le librerie standard sono insufficienti. Padroneggiare il flusso di lavoro da input base a definizioni non lineari avanzate, è possibile modellare tutto da compositi ad alta resistenza a compositi ortotropici con fiducia. La chiave è la validazione rigorosa, la documentazione coerente e l’apprendimento continuo.