Niektóre z naszych ostatnich artykułów w Bazie informacji skupiały się na modelowaniu prętów o okrągłych przekrojach zamkniętych i ich połączeniach w programie RFEM 6 i odpowiednim rozszerzeniu Połączenia stalowe. Dwa z nich, KB 1887 i KB 1899, pokazały, jak modelować niektóre z tych połączeń.
- KB 1887 | Modelowanie prostego połączenia blachy czołowej w RFEM 6
- KB 1899 | Modelowanie usztywnionych połączeń rurowych w rozszerzeniu połączenia stalowe
W pierwszym artykule pokazano, w jaki sposób można zamodelować proste połączenie dwóch elementów na blachę czołową o okrągłych przekrojach zamkniętych (tj. połączenie z półką o przekroju pierścieniowym), natomiast w drugim pokazano, w jaki sposób można zamodelować te same połączenia, ale usztywnione żebrami. Na rysunku 1 pokazano oba połączenia, pierwsze pod a), a drugie pod b).
Jednak modelując i projektując takie połączenia, musimy wziąć pod uwagę kilka ważnych aspektów, które mogą wpłynąć na ich działanie. Jednym z nich jest podważanie łączników pod wpływem sił rozciągających. Siła ta jest spowodowana zginaniem blachy czołowej i może prowadzić do zwiększonego naprężenia w śrubie i odkształceń plastycznych. Wspomniane powyżej połączenia stalowe są przykładami połączeń stalowych podatnych na ten efekt, ponieważ są to połączenia z blachą czołową, w których śruby znajdują się poza połączonym przekrojem.
Rozszerzenie Połączenia stalowe's firmy Dlubal może dokładnie zarejestrować efekt podważenia i uwzględnić go w wynikach modelu numerycznego (tj. siły na śrubach, odkształcenie plastyczne połączonych płyt, całkowite odkształcenie połączenia). Z tego względu interesujące byłoby zbadanie i porównanie tego efektu w wyżej wymienionych połączeniach pasowych, tak jak zostanie to przedstawione w tym artykule.
Najpierw jednak przyjrzyjmy się, w jaki sposób ten problem został uwzględniony w normach projektowych; dokładniej w Eurokodzie 3 [1]. Zgodnie z EC.3, sekcja 6) podpunktu 6.2.4.1, w przypadkach, w których mogą wystąpić siły odrywające, nośność obliczeniowa na rozciąganie pasa króćca teowego należy przyjąć jako najmniejszą wartość z trzech możliwych postaci zniszczenia:
- Tryb 1: Całkowite uplastycznienie pasa
- Tryb 2: Uszkodzenie śruby z uplastycznieniem pasa
- Tryb 3: Uszkodzenie śruby
Każda z tych postaci jest szczegółowo opisana w tabeli 6.2 normy EC 3 [1]. Krótki opis tej koncepcji pokazano na rysunku 2, gdzie:
| Q | Siła podważenia, czyli siła kontaktowa, która może wystąpić między swobodną krawędzią a szeregiem śrub, przyłożona jako wypadkowa nacisku powierzchniowego w szczelinie kontaktowej w punkcie brzegowym półki sworznia |
| FT,Rd | Obliczeniowa nośność na rozciąganie pasa króćca teowego |
| dw | Średnica podkładki lub szerokość łba śruby lub nakrętki |
| n, m | Odległości jak wskazano na rysunku |
Zanim przejdziemy dalej, musimy również określić, jakie czynniki wpływają na efekt podważania. Są to odległość śruby od przekroju, sztywność i geometria blachy czołowej, odkształcenie śruby oraz sposób spawania.
Na tym tle możemy teraz rozważyć efekt podważenia w dwóch wariantach połączeń pasowych profili CHS, o których mowa na początku tego tekstu. Aby poszerzyć temat, dodajemy do nich kolejny wariant: mianowicie, uwzględnimy również efekt podważania w pełnej płycie czołowej bez otworu, jak pokazano na rysunku 3.
Jak wspomniano wcześniej, rozszerzenie Połączenia stalowe firmy Dlubal może realistycznie uchwycić efekt podważenia i uwzględnić go w wynikach modelu numerycznego. Dlatego możemy utworzyć te połączenia (rysunki 4, 5 i 6) w programie RFEM 6 i poddać model działaniu siły rozciągającej 300 kN, jak pokazano na rysunku 7.
Następnie możemy uruchomić obliczenia i uzyskać siły w śrubach, jak pokazano na rysunku 8.
Aby porównać zachowanie trzech wariantów, stosowane są współczynniki efektu podważania, wyrażane jako stosunek całkowitej siły w śrubach do przyłożonej siły. Po wyznaczeniu tego pierwszego, jak pokazano na rysunku 8, efekt podważania dla każdego z wariantów można łatwo obliczyć, jak pokazano w tabeli 1.
| Wariant | Przyłożona siła rozciągająca [kN] | Całkowita siła pogrubienia [kN] | kRFEM,1 |
|---|---|---|---|
| 1. Pas pierścieniowy | 300 | 515,3 | 1,72 |
| Drugi Pełna płyta czołowa | 300 | 423,8 | 1,41 |
| 3. Usztywniony pas pierścieniowy | 300 | 300 | 1 |
Współczynniki wyważenia określone w tabeli 1 wyraźnie pokazują, że wyważenie jest najwyższe w połączeniu z półkami o przekroju pierścieniowym. Możemy również zauważyć, że płyta czołowa bez otworu zapewnia pewne odciążenie, a elementy usztywniające niezawodnie odciążają śruby i zmniejszają odkształcenie plastyczne płyty czołowej. Ponieważ określiliśmy już, które parametry wpływają na podważanie, można wywnioskować, że aby zredukować/wyeliminować ten efekt, w pierwszym wariancie, w którym stosuje się pasy o przekroju pierścieniowym, konieczne byłoby zastosowanie grubej blachy czołowej i większych średnic śrub.
Z drugiej strony, blacha czołowa z usztywnionym pasem pierścieniowym (wariant 3) pozostałaby cieńsza, ale należy wziąć pod uwagę, że elementy usztywniające musiałyby zostać przyspawane, co zwiększa koszt połączenia. Jeżeli efekt podważania jest niewielki, spawanie elementów usztywniających może nie być opłacalne. Jeżeli jednak efekt ten jest znaczny, jedynym wyjściem może być zbrojenie połączenia. Ponieważ oba scenariusze mają wpływ na koszty produkcji, musimy być w stanie wybrać optymalne rozwiązanie, aby zminimalizować koszty produkcji przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości użytkowych połączenia.
Uwagi końcowe
Optymalne projektowanie połączeń odgrywa ważną rolę w projektowaniu konstrukcji stalowych. Dlatego tak ważne jest, aby zrozumieć i dokładnie rozważyć aspekty istotne przy wymiarowaniu połączeń w tych konstrukcjach. Podważanie jest jednym ze szkodliwych zjawisk, którego nie można pominąć podczas projektowania połączeń śrubowych. W większości przypadków w połączeniach podatnych na wyważanie, takich jak połączenia omawiane w tym artykule, efekt ten określa parametry, takie jak grubość płyty, liczba i średnica śrub itp. Dzieje się tak, ponieważ parametry te wpływają na podważanie i należy je dobrać w taki sposób, aby z jednej strony zmniejszały ten efekt, ale z drugiej strony również przyczyniały się do optymalnego zaprojektowania połączenia (na przykład pod względem kosztów produkcji).
