Wpływ poślizgu na standardowe połączenia w konstrukcjach stalowych

DIN EN 1993-1-8 [3] zawiera model do obliczeń, klasyfikację sztywności połączenia oraz zarządza modelowaniem wynikowego połączenia półsztywnego w modelu konstrukcyjnym.

W praktyce połączenia na zginanie są zwykle definiowane jako sztywne w określaniu sił wewnętrznych lub w modelu konstrukcyjnym. Z tego względu charakterystyki momentu obrotowego połączenia nie są uwzględniane przy określaniu sił wewnętrznych. W większości przypadków należy je jednak uwzględnić, w zależności od sztywności konstrukcji, zgodnie z normami dotyczącymi analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Poniżej na przykładzie zostanie pokazany wpływ poślizgu połączenia na wyniki obliczeń konstrukcji szkieletowych.

Konstrukcja

Chodzi o dwuprzegubową ramę o rozpiętości 15,0 m i wysokości 6,0 m plus 0,8 m poddasza.

W pierwszym kroku obliczeń sztywnych połączeń stosowane są przekroje jak pokazano na rys. 01. Zastosowana zostanie stal konstrukcyjna S235 zgodnie z DIN EN 1993-1-1 [2].

1 System für den ersten Bemessungsschritt und gewählte Verbindung

obciążenie konstrukcji

Zostanie to obliczone przy następujących uproszczonych założeniach dotyczących obciążenia:

• Szerokość obciążenia (odległość od ramy) = 5,00 m
• Ciężar własny konstrukcji dachu g = 0,40 kN/m²
• Obciążenie śniegiem s = 1,30 kN/m²
• Obciążenie wiatrem na ściany w = 0,60 kN/m² (c_p = 0,8 and -0,5)
• Imperfekcje (w płaszczyźnie ramy) zgodnie z DIN EN 1993-1-1

Obliczenia SGN ze sztywnym połączeniem ramy

Obliczenia sił wewnętrznych płaszczyzny ramy jest przeprowadzane zgodnie z analizą drugiego rzędu i z imperfekcjami (nachylenie i wygięcie wstępne). Obwiednia siły wewnętrznej M_y pokazano na rysunku 02.

2 Obwiednia sił wewnętrznych My ze sztywnym połączeniem

W przypadku obliczeń belek w module dodatkowym RF-/STEEL EC3, utwierdzenie boczne i przeciwskrętne na końcach pręta są podparte bocznie w punkcie 1/3 podziału pasa górnego.

Obliczenia połączenia ramy są przeprowadzane w RF-/JOINTS Steel – DSTV. Zostaną zastosowane typy IH3.1 i M20. Nie jest możliwe obliczenie połączenia zgodnie z [1] przy użyciu istniejących sił wewnętrznych.

3 Bemessung der Verbindung mit RF-/JOINTS Stahl - DSTV

Dlatego przekrój belki należy zwiększyć do IPE 500, a połączenia należy wybrać w sposób pokazany na Rysunku 01, aby przeanalizować stan graniczny użytkowalności.

Obliczanie SGN z półsztywnym połączeniem ramy

Wymóg uwzględnienia właściwości momentu obrotowego w analizie konstrukcyjnej wynika z klasyfikacji połączeń zgodnie z DIN EN 1993-1-8.

W przypadku ramy ruchomej, klasyfikacja "ulegająca odkształceniu" ma zastosowanie, jeżeli:

Dla aktualnie obliczanego połączenia IH 3.1 E 50 20 6xM20 10.9 (patrz rysunek 01) bez elementu usztywniającego i słupa HE-B 240, otrzymujemy:

Sztywność konstrukcji jest obliczana zgodnie z EN 1993-1-8, Sekcja 5.2.2.5 w następujący sposób:

Tym samym połączenie można sklasyfikować jako ulegające odkształceniu:
3 374 kNm/rad < S_ini = 72 270 kNm/rad < 168 700 kNm/rad

Ze względu na oczekiwaną redystrybucję sił wewnętrznych do momentu w przęśle, można ponownie spróbować obliczeń z oryginalnym IPE 450.

Obliczenia sił wewnętrznych są ponownie przeprowadzane w płaszczyźnie ramy zgodnie z analizą drugiego rzędu i z imperfekcjami (nachylenie i wygięcie wstępne) oraz przy uwzględnieniu właściwości momentu obrotowego połączenia. Aplikacja jest przeprowadzana zgodnie z DIN EN 1993-1-8 rozdz. 5.1.2(4), uproszczona za pomocą liniowej sprężyny obrotowej o S_j,ini/2. Obwiednia siły wewnętrznej M_y pokazano na rysunku 04.

4 Obwiednia siły wewnętrznej My ze zgodnym połączeniem

Ze względu na uwzględnienie sztywności obrotowej powoduje to redukcję momentów w narożach o około 10%. Obliczenia połączenia w RF-/JOINTS Steel - DSTV kończą się pozytywnym wynikiem obliczeń dla typu IH 3.1 E 45 20 6xM20 8.8. Oryginalny przekrój IPE 450 można również zaprojektować jako wystarczająco nośny (patrz rysunek 05).

5 Projektowanie belek i połączeń

Obliczanie SGU ze sztywnym połączeniem ramy

W tym miejscu zostaną przeprowadzone obliczenia tylko odkształcenia poziomego ramy Wartość graniczna jest zdefiniowana jako w_h,max = h/150 = 680/150 = 4,53 cm.

Ze względu na mniejszy poziom obciążenia dla SGU można założyć, że momenty są mniejsze niż 2/3 M_j,Ed, a tym samym początkowa sztywność sprężysta połączenia może zostać zastosowana do analizy odkształceń. Można to zrobić poprzez modyfikację sztywności dla odpowiednich kombinacji obciążeń w parametrach obliczeniowych (patrz Rysunek 06).

6 Parametry obliczeń - Modyfikacja sztywności dla CO w SLS - Charakterystyka

Poprzez zastosowanie S_j,ini, powstają odkształcenia w kierunku X o wartości 4,73 cm (patrz Rysunek 07).

7 Obwiednia odkształceń w kierunku X.

Obliczenia wyglądają następująco:
w_ex/W_h,max = 4,73/4,53 = 1,04

Uwagi końcowe

Uwzględnienie charakterystyki momentu obrotowego połączenia skutkuje bardziej realistycznym odwzorowaniem konstrukcji i bardziej ekonomicznym obliczeniem, z oszczędnością materiału wynoszącą około 10%.

Ponadto, w przypadku obliczeń w stanie granicznym użytkowalności w sensie ekonomicznym, podczas przeprowadzania analizy deformacji konieczne jest zastosowanie początkowej sztywności sprężystej dla odpowiednich kombinacji obciążeń.