Zadawanie obciążeń powierzchniowych

Funkcję zadawania obciążenia powierzchniowego wywołujemy z głównego paska narzędziowego tak jak pozostałe typy obciążeń. Jeśli użytkownik chce określić elementy (współpłaszczyznowe lub nie), na których ma być przyłożone obciążenie powierzchniowe, przed wywołaniem funkcji należy koniecznie wyselekcjonować pręty, na które będzie działać zadawane obciążenie powierzchniowe. Jeśli nie zostały wybrane żadne pręty, aktywna jest tylko funkcja zadawania  (3 pkt. pł. obc.) obciążenia powierzchniowego przez wskazanie trzech punktów definiujących płaszczyznę obciążenia i wówczas automatycznie obciążenie zadawane jest na wszystkie pręty leżące we wskazanej płaszczyźnie obciążenia. Funkcja zadawania obciążenia powierzchniowego dla wybranej grupy prętów ma dwa podstawowe tryby, zależne od sposobu wyznaczenia płaszczyzny obciążenia. W jednym z nich  (3 pkt. pł. obc.)  płaszczyzna obciążenia definiowana jest przez wskazanie trzech dowolnych
i niewspółliniowych punktów na elementach struktury. W drugim  (2 pkt. pł. obc.) płaszczyzna obciążenia definiowana jest tylko w trybie płaskim (gdy płaszczyzna ekranu monitora pokrywa się z jedną z płaszczyzn głównych głównego układu współrzędnych), gdy wskazane zostaną dodatkowo dwa punkty (nieleżące jeden za drugim) na ekranie, należące do tej płaszczyzny (na elementach układu lub poza nim). W tym przypadku płaszczyzna obciążenia wyznaczona jest przez te dwa punkty i dodatkowo jest ona zawsze prostopadła do płaszczyzny ekranu w danym widoku płaskim. W przypadku nieprawidłowego wskazania trzech punktów współliniowych lub dwóch punktów leżących jeden za drugim przy definiowaniu płaszczyzny, program będzie nadal oczekiwał wskazania ostatniego prawidłowego punktu, jednoznacznie określającego płaszczyznę obciążenia.

Po wybraniu jednej z dwóch powyżej opisanych funkcji zadawania obciążenia powierzchniowego oraz zdefiniowaniu jej przez 2  lub 3  punkty płaszczyzny obciążenia, program otworzy dodatkowe okno graficzno-dialogowe,
w którym użytkownik powinien określić: nazwę obciążenia, przypisanie do grupy obciążeń, obszar działania obciążenia, jego wartość, kierunek i zwrot. Po otwarciu dodatkowego okna na jego płaskim widoku graficznym widoczna będzie płaszczyzna obciążenia widziana w rzucie prostokątnym, ze zrzutowanymi na nią (prostokątnie) widokami wybranych przez użytkownika prętów. Na widoku graficznym wszystkich widocznych rzutów prętów zostanie opisana za pomocą wielokąta otoczka wypukła reprezentująca domyślny obszar działania obciążenia powierzchniowego. Głównym zadaniem użytkownika jest tu określenie rzeczywistego obszaru działania obciążenia powierzchniowego na wybrane pręty układu. W tym celu do płaszczyzny obciążenia przypisano chwilowy, płaski, lokalny układ współrzędnych „r -s”. Wszystkie wierzchołki wielokąta obszaru obciążenia można dowolnie przesuwać ręcznie, z wykorzystaniem wyświetlanych domiarów względnych, punktów przyciągania oraz możliwością doprecyzowania domiarów za pomocą kursorów klawiatury. Dodatkowo dla każdego wierzchołka obszaru obciążenia, pod prawym klawiszem myszki istnieje możliwość wywołania okna numerycznego określenia przesunięcia względnego wierzchołka o wartości dr i ds względem położenia wyjściowego -  Przesunięcie względne.

Rys. 7. 30 Przesunięcie względne punktu na konturze obszaru obciążenia

Generalnie w oknie definiowania obszaru działania obciążenia powierzchniowego posługujemy się zawsze jedynie współrzędnymi względnymi (względem położenia wyjściowego wierzchołka). Przy przesuwaniu wierzchołków obszaru obciążenia należy pamiętać, że definiowany obszar musi być jednospójny i w związku z tym niepoprawne jest takie przesunięcie wierzchołka konturu, przy którym przecięty by został aktualny obwód obszaru obciążenia. Próba wprowadzenia obszaru obciążenia, w którym linie jego konturu krzyżują się, spowoduje wycofanie przesuwanego węzła do położenia wyjściowego. Poza przesuwaniem wierzchołków konturu, obszaru obciążenia, funkcja umożliwia w każdej chwili dołożenie kolejnych wierzchołków w dowolnym punkcie na obwodzie konturu (i ich dalsze przesuwanie). W tym celu wystarczy wskazanie dowolnego punktu na liniach konturu z wykorzystaniem punktów przyciągania do konturu i doprecyzowaniem domiaru od sąsiedniego wierzchołka za pomocą kursorów. W celu usunięcia zbędnych wierzchołków konturu wystarczy taki wierzchołek przesunąć do wierzchołka sąsiedniego (i tylko takiego), wówczas nastąpi ich scalenie. Przy próbie scalania węzłów nie sąsiednich węzeł przesuwany zostanie wycofany do położenia wyjściowego. Generalnie wycofanie przesunięcia węzła do stanu wyjściowego oznacza, że dany ruch jest w programie niedopuszczalny, niezależnie od tego, czy przesunięcie wykonywane jest graficznie, za pomocą kursorów klawiatury czy też przez podanie współrzędnych względnych w oknie dialogowym. W każdej chwili po zmianach konturu obszaru obciążenia użytkownik może wrócić do stanu wyjściowego (otoczki wypukłej opisanej na wybranych prętach), przez naciśnięcie odpowiedniego przycisku na dole okna.

Otwory w obszarze obciążenia można modelować na dwa sposoby:

•      przez odpowiednie ułożenie i modyfikacje konturu obszaru obciążenia (metoda przybliżona opisana poniżej),

•      z wykorzystaniem odpowiedniej funkcji, przewidzianej w programie do wstawiania otworów, opisanej w odrębnym rozdziale (metoda dokładna
w granicy podziału dyskretnego).

Otwory w powierzchni obciążenia należy modelować przez takie ułożenie konturu obszaru obciążenia, by jego linie nie uległy przecięciu, a jednocześnie ostatnie punkty zamykające kontur otworu były jak najbliżej siebie, ale się nie pokrywały (praca w dużym zbliżeniu). Taka metoda zmusza użytkownika do wprowadzenia nieznacznych niedokładności w obszarze obciążenia (widocznych przy dużym powiększeniu, bez praktycznego wpływu na całkowite obciążenie powierzchni). Można również modelować obszar obciążenia wokół otworów w postaci kilku odrębnych obciążeń powierzchniowych stykających się na krawędzi otworu. Wówczas dokładność zadania obszarów obciążenia jest praktycznie 100%, lecz w modelu mamy więcej odrębnych obciążeń powierzchniowych.

Rys. 7.31 Przykład modelowania obciążenia powierzchniowego

 (pionowego od ciężaru pokrycia) na głównych połaciach,

 z uwzględnieniem otworów w połaci

W dolnej części okna znajdują się pola edycyjne określające: nazwę, wartość (w kN/m²) danego obciążenia (zwrot obciążenia określa znak jego wartości) oraz pole wyboru (z listy) kierunku działania obciążenia: prostopadłego do zadanej płaszczyzny obciążenia lub równoległego do jednej z osi globalnego układu współrzędnych. W dolnej części okna znajduje się, również wybierane z listy, przypisanie definiowanego obciążenia powierzchniowego do jednej
z grup obciążeń (stałych, zmiennych lub multi) zdefiniowanych w modelu.

W oknie definicji obciążenia użytkownik może także określić parametr dokładności rozkładu, zawierający się w przedziale od 2 do 20 cm (czym niższy, tym dokładniejszy rozkład, ale również wydłużony czas rozkładu). Parametr dokładności rozkładu powinien być dobrany zależnie od wielkości konstrukcji, na którą przykładamy dane obciążenie powierzchniowe. Dla niewielkich konstrukcji, do kilkunastu metrów, może to być 2 cm, dla średnich, do 50 m, ok. 5 cm, a dla dużych, do 200 m, ok. 10-20 cm. Generalnie można założyć, że parametr dokładności rozkładu raczej nie powinien przekraczać 1/1000 rozpiętości konstrukcji, na którą przykładamy obciążenie powierzchniowe.

Drugim parametrem sterującym dokładnością rozkładu obciążenia powierzchniowego jest Dokładność rozkładu na pręcie (1-10).  Określa ona, ile maksymalnie odcinków różnego obciążenia ciągłego, równomiernego (o jednakowej długości) na danym pręcie ma odpowiadać przypadającemu na ten pręt obciążeniu powierzchniowemu, przypisanemu do tego pręta wskutek rozkładu. Przy tym dla bardzo małych prętów ilość ustawionych podziałów jest automatycznie redukowana niezależnie od ustawień powyższego parametru. Po ustawieniu  Dokładności rozkładu na pręcie, np. na sześć, rozkład obciążenia ciągłego na pręcie jest identyczny, jakby ustawiono Dokładność rozkładu na pręcie na jeden, a wcześniej w modelu podzielono ten pręt na sześć równych prętów. Stosowanie zwiększonej dokładności podziału pręta przy generowaniu obciążeń powierzchniowych znacznie poprawia dokładność wyników dla samego pręta, nie wymaga sztucznego dzielenia prętów w modelu, ale znacznie też zwiększa ilość obciążeń ciągłych wprowadzonych do modelu (np. zamiast jednego jest ich sześć, ustawionych kolejno na jednym pręcie). Domyślną Dokładność rozkładu na pręcie ustawiono na 1, czyli całemu obciążeniu powierzchniowemu przypisanemu do pręta w skutek jego rozdziału odpowiada jedno obciążenie ciągłe na pręcie. W wielu przypadkach jest to wystarczająca dokładność do celów inżynierskich, a błąd momentu na długości pręta nie powinien w takim przypadku przekroczyć 25%. Przy rozkładzie obciążeń powierzchniowych tylko na siły w węzłach, parametr Dokładność rozkładu na pręcie nie jest dostępny do edycji dla użytkownika (domyślnie ustawiony jest na 1 i zablokowany do edycji).

Rys. 7.32 Okno definiowania i edycji obciążeń powierzchniowych

Po wybraniu prętów, określeniu płaszczyzny i obszaru działania obciążenia, nadaniu nazwy obciążenia oraz podaniu jego wartości, kierunku, zwrotu
i przypisania do grupy obciążeń, wciskamy klawisz OK i generujemy rozkład obciążenia powierzchniowego na wybranych prętach układu.

Przed wykonaniem rozkładu możemy przyciskiem  Podgląd rozkładu podejrzeć proponowany przez program podział obszaru obciążeń na pola przypisane poszczególnym prętom i węzłom. Poszczególne pola przypisane określonym prętom i węzłom oznaczone są na podglądzie rozkładu jednym kolorem.  Każda zmiana kształtu obszaru obciążenia lub parametru dokładności rozkładu, spowoduje usunięcie kolorowanego podglądu rozkładu. Aby go przywrócić, należy ponownie wcisnąć przycisk  Podgląd rozkładu.  Po wyświetleniu podziału obszaru obciążeń na pola przypisane poszczególnym prętom
i węzłom, w lewym górnym narożniku okna wyświetlane jest dodatkowo aktualne pole powierzchni obszaru obciążenia, ilość elementów podziału oraz współczynnik sprawności rozdziału.  Drugim przyciskiem, znajdującym się
w dolnej części okna  Domyślny obszar obciążenia, zawsze można przywrócić domyślny kształt obszaru obciążeń (otoczka wypukła opisana na zaznaczonych rzutach prętów).

Generalnie proces rozkładu obciążeń powierzchniowych składa się z dwóch kolejnych etapów:

•      rozdziału całego obszaru obciążenia na pola obciążeń przypisane do poszczególnych prętów i węzłów,

•      wyliczenia wartości sił skupionych w węzłach lub sił w węzłach i obciążeń ciągłych na prętach.

Pierwszy proces zależy od kształtu obszaru obciążenia ustawionej przez użytkownika dokładności rozdziału (każda zmiana tych wartości będzie powodowała konieczność powtórzenia tego etapu). Na drugi proces decydujące znaczenie będą miały: wartość i kierunek obciążenia, przypisanie do grupy i typ rozkładu  (na same węzły czy na węzły i pręty). Zmiana tych parametrów
(z wyjątkiem ostatniego) nie powoduje konieczności powtórnego rozdziału na pola obciążeń. Przy wciśnięciu przycisku  Podgląd rozkładu wykonywany jest jedynie pierwszy etap, przy wciśnięciu przycisku OK wykonywane są kolejno oba etapy, chyba że wcześniej włączany był  Podgląd rozkładu ( wykonał się etap pierwszy) i w międzyczasie nie zmieniono obszaru obciążenia i dokładności, wówczas wciśnięcie OK wykonuje jedynie etap drugi. Ma to istotne znaczenie przy niektórych rozkładach i przy ustawieniu dużej ich dokładności, co może powodować znaczne wydłużenie czasu operacji. Wyciśnięcie przycisku  Podgląd rozkładu spowoduje powrót do widoku niepodzielonego obszaru obciążenia, a ponowne jego wciśnięcie włączy wcześniej wykonany rozkład. Ponieważ rozkład na pola obciążeń nie jest pamiętany
w modelu (zajmowałby niepotrzebnie zbyt wiele pamięci), przy każdym ponownym wejściu do okna edycji obciążenia powierzchniowego w celu obejrzenia podglądu rozkładu, proces z tym związany musi być wykonany ponownie.