624x

001938

2025-04-01

Połączenie blachy czołowej śrubowej bez usztywnień

Ten artykuł bada niezespawane połączenie płyt czołowych ze śrubami, które jest powszechnym połączeniem w konstrukcjach stalowych stosowanym w budownictwie. Obliczenia analityczne oparte na wytycznych Eurokodu 3 są porównywane z wynikami uzyskanymi za pomocą dodatku Steel Joints w RFEM 6. Skupiamy się na ocenie dokładności i niezawodności metody CBFEM w uchwytywaniu zachowania konstrukcji i reakcji na obciążenia w konstrukcjach stalowych. Niniejsze badanie ma na celu pogłębienie zrozumienia, jak dobrze oprogramowanie MES działa, dostarczając praktycznych informacji dla profesjonalistów z dziedziny inżynierii strukturalnej.

WPROWADZENIE

Ten artykuł zawiera wskazówki dotyczące projektowania połączeń chwytających momenty zgodnie z Eurokodem 3, w szczególności skierowane na śrubowe połączenia płyt końcowych między belkami a kolumnami w ramach wielopiętrowych. Odnosi się do odpowiednich sekcji, rysunków i tabel z EN 1993-1-8 oraz innych obowiązujących norm, w miarę potrzeby.

PODEJŚCIE ANALITYCZNE

Procedura analityczna pochodzi z [1].

Konfiguracja węzła

Ilustracja stalowego połączenia śrubowego z dokładnymi wymiarami i szczegółami konfiguracji.

Diagram projektowania połączenia stalowego

Kolumna	254x254x107 UKC	S275
Belka	533x210x92 UKB	S275
Płyta końcowa	670x250x25 mm	S275
Śruba	M24 klasa 8.8
Spawy	Spoiny pachwinowe: kołnierz s_f = 12 mm, ściana s_w = 8 mm

Ekwiwalentna odporność na ścinanie

Odporność ekwiwalentnych T-elementów jest oceniana osobno dla płyty końcowej i kołnierza kolumny. Odporności są obliczane dla trzech możliwych trybów uszkodzenia i przyjmowana jest najmniejsza wartość spośród tych trzech trybów.

Projektowa odporność kołnierza T-elementu dla każdego z trybów podana jest poniżej.

Techniczny interfejs z wynikami symulacji trybów zniszczenia połączenia stalowego z kolorowymi strefami naprężeń.

Tryby uszkodzenia połączeń stalowych: ocena modułu

Poniżej przedstawiono tryby uszkodzenia:

\begin{array}{l} Tryb 1. Pełne uplastycznienie pasa \\ F_{T, 1, R d} = \begin{matrix} (8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d} \\ 2 m n - e_{w} (m + n) \end{matrix} \\ \begin{array}{l} Tryb 2. Uszkodzenie śruby z uplastycznieniem pasa \\ F_{T, 2, R d} = \begin{array}{c} 2 M_{p l, 2, R d} + n (\sum F_{t, R d}) \\ m + n \end{array} \\ \begin{array}{l} Tryb 3. Uszkodzenie śruby \\ F_{T, 3, R d} = \sum F_{t, R d} \end{array} \end{array} \end{array}

Mechanizmy zniszczenia

\begin{matrix} \begin{matrix} M_{p l, 1, R d} = \begin{array}{c} 0.25 \sum l_{e f f, 1} t_{f}^{2} f_{y} \\ γ_{M 0} \end{array}, \\ M_{p l, 2, R d} = \begin{array}{c} 0.25 \sum l_{e f f, 2} t_{f}^{2} f_{y} \\ γ_{M 0} \end{array} . \end{matrix} \end{matrix}

Plastyczne momenty oporu równoważnej blachy z zakładkami w kształcie litery T dla postaci 1 i 2

gdzie
ℓ_eff,1	to efektywna długość ekwiwalentnego T-elementu dla Trybu 1, przyjmowana jako mniejsza z ℓ_eff,cp i ℓ_eff,nc
ℓ_eff,2	to efektywna długość ekwiwalentnego T-elementu dla Trybu 2, przyjmowana jako ℓ_eff,nc
t_f	grubość kołnierza T-elementu (= t_p lub t_fc)
f_y	to granica plastyczności kołnierza T-elementu (tj. kolumny lub płyty końcowej)
∑F_t,Rd	to całkowita wytrzymałość na rozciąganie dla śrub w T-elementie (= 2F_t,Rd dla pojedynczego rzędu)
e_w	= d_w/4
d_w	to średnica podkładki lub szerokość nad boltem
m	jest odległością zdefiniowaną na powyższym rysunku
n	to minimum z e_c (odległość krawędziowa kołnierza kolumny), e_p (odległość krawędziowa płyty końcowej), 1.25 m (dla płyty końcowej lub kołnierza kolumny, w zależności od zastosowania)

Definicja odporności:

\begin{array}{l} Resistance of column flange in bending \\ F_{t, f c, R d} = \min {F_{T, 1, R d}, F_{T, 2, R d}, F_{T, 3, R d}} \\ \begin{array}{l} Resistance of an unstiffened column web to transverse tension \\ F_{t, w c, R d} = \begin{array}{c} ω b_{e f f, t, w c} t_{w c} f_{y, w c} \\ γ_{M 0} \end{array} \\ Resistance of the end plate in bending \\ F_{t, e p, R d} = \min {F_{T, 1, R d}, F_{T, 2, R d}, F_{T, 3, R d}} \\ \begin{matrix} \begin{array}{l} Resistance of the beam web \\ F_{t, w b, R d} = \begin{array}{c} b_{e f f, t, w b} t_{w b} f_{y, b} \\ γ_{M 0} \end{array} \end{array} \end{matrix} \end{array} \end{array}

Nośność półki słupa na zginanie

Strefa rozciągania T-elementów

RZĄD ŚRUB 1
Kołnierz kolumny w zginaniu (bez płyty wspomagającej)
Rozpatrz rząd śrub 1 działający samodzielnie. Kluczowe wymiary pokazane są poniżej.

Szczegół połączenia stalowego z komponentem T-stub w strefie rozciągania

Szczegół połączenia w strefie rozciągania

Płyta końcowa w zginaniu

Kluczowe wymiary dla wiersza 1 blachy T i rozszerzenia Połączenia stalowe w programie RFEM 6

Przegląd głównych wymiarów blachy zrywającej

Podsumowanie obliczeń odporności:

Parametr	Jednostka	Kołnierz kolumny w zginaniu (bez płyty wspomagającej)	Ściana kolumny w naciągu poprzecznym	Płyta końcowa w zginaniu	Ściana belki w naciągu
m	[mm]	33.4	-	= m_x = 30.4	-
e	[mm]	= e_min = 75	-	e = 75, e_x = 50	-
ℓ_eff,1	[mm]	210	-	125	-
ℓ_eff,2	[mm]	233	-	125	-

TRYB 1
n	[mm]	41.8	-	38.0	-
t_f	[mm]	20.5	-	25	-
f_y	[N/mm²]	265	-	265	-
M_pl,1,Rd	[Nmm]	5850x10³	-	5180x10³	-
d_w	[mm]	39.55	-	-	-
e_w	[mm]	9.9	-	9.9	-
F_T,1,Rd	[kN]	898	-	901	-

TRYB 2
M_pl,2,Rd	[Nmm]	6490x10³	-	5180x10³	-
F_t,Rd	[N]	203x10³	-	203x10³	-
Śruba w rzędzie	[szt.]	2	-	2	-
∑F_t,Rd	[N]	406x10³	-	406x10³	-
F_T,2,Rd	[kN]	398	-	377	-

TRYB 3
F_T,3,Rd	[kN]	406	-	406	-

ω	[-]	-	1.0	-
b_eff,t,wc	[mm]	-	= ℓ_eff,2 = 233	-
f_y,wc	[N/mm²]	-	= f_y,c = 265	-

OPORNOŚĆ		F_t,fc,Rd	F_t,wc,Rd	F_t,ep,Rd
	[kN]	398	790	377
UWAGA					nie dotyczy

Odporność rzędu śrub 1 jest najmniejszą spośród wymienionych powyżej odporności.
Dlatego, F_t,1,Rd = min {F_t,fc,Rd = 398; F_t,wc,Rd = 790; F_t,ep,Rd = 377} = 377 kN.

RZĄD ŚRUB 2
Najpierw rozważ rząd 2 samodzielnie.

Płyta końcowa w zginaniu
Rząd śrub 2 to pierwszy rząd śrub poniżej kołnierza belki, uważany za 'pierwszy rząd śrub poniżej kołnierza naprężania belki'. Kluczowe wymiary dla T-elementu pokazane są dla kołnierza kolumny T-elementu w rzędzie 1 i jak pokazano poniżej (na elewacji) dla rzędu 2.

Wykres kluczowych wymiarów T-stuba w rzędzie 2 do analizy stalowego połączenia

Wymiary T-stub, rząd 2

Podsumowanie obliczeń odporności:

Parametr	Jednostka	Kołnierz kolumny w zginaniu	Ściana kolumny w naciągu poprzecznym	Płyta końcowa w zginaniu	Ściana belki w naciągu
m	[mm]	-	-	= m_p = 38.6	-
m₂	[mm]	-	-	34.8	-
e	[mm]	-	-	= e_p = 75	-
ℓ_eff,1	[mm]	-	-	243	-
ℓ_eff,2	[mm]	-	-	290	-

TRYB 1
n	[mm]	-	-	48.3	-
t_f	[mm]	-	-	25	-
f_y	[N/mm²]	-	-	265	-
M_pl,1,Rd	[Nmm]	-	-	10.1x10³	-
e_w	[mm]	-	-	9.9	-
F_T,1,Rd	[kN]	-	-	1291	-

TRYB 2
M_pl,2,Rd	[Nmm]	-	-	12.0x10⁶	-
F_t,Rd	[N]	-	-	203x10³	-
Śruby w rzędzie	[szt.]	-	-	2	-
∑F_t,Rd	[N]	-	-	406x10³	-
F_T,2,Rd	[kN]	-	-	502	-

TRYB 3
F_T,3,Rd	[kN]	-	-	406	-

ω	[-]	-	-	-	1.0
b_eff,t,wc	[mm]	-	-	-	243
t_wb	[mm]	-	-	-	10.1
f_y,wc	[N/mm²]	-	-	-	675

OPORNOŚĆ		F_t,fc,Rd	F_t,wc,Rd	F_t,ep,Rd	F_t,wb,Rd
	[kN]	398	790	406	675
UWAGA	jak obliczono dla rzędu śrub 1, Tryb 2	jak obliczono dla rzędu śrub 1

Odporności dla rzędu 2 powyżej rozważają wszystkie rzędy działające samodzielnie. Jednak po stronie kolumny, odporność może być ograniczona przez odporność grupy rzędów 1 i 2. Odporność grupy jest teraz rozważana.

RZĘDY 1 I 2 POŁĄCZONE
Kołnierz kolumny w zginaniu

Rozstaw szeregów 1 i 2 w układzie konstrukcyjnym

Szczegół rozstawu rzędów 1 i 2

Podsumowanie obliczeń odporności:

Parametr	Jednostka	Kołnierz kolumny w zginaniu	Ściana kolumny w naciągu poprzecznym	Płyta końcowa w zginaniu
m	[mm]	33.4	-	-
ℓ_eff,1	[mm]	332	-	-
ℓ_eff,2	[mm]	332	-	-

TRYB 1
n	[mm]	41.8	-	-
t_f	[mm]	20.5	-	-
f_y	[N/mm²]	265	-	-
M_pl,1,Rd	[Nmm]	9.24x10³	-	-
e_w	[mm]	9.9	-	-
F_T,1,Rd	[kN]	1420	-	-

TRYB 2
M_pl,2,Rd	[Nmm]	9.24x10⁶	-	-
F_t,Rd	[N]	203	-	-
Śruby	[szt.]	4	-	-
∑F_t,Rd	[N]	812	-	-
F_T,2,Rd	[kN]	697	-	-

TRYB 3
F_T,3,Rd	[kN]	812	-	-

ω	[-]	-	1.0	-
b_eff,t,wc	[mm]	-	332	-
t_wb	[mm]	-	12.8	-
f_y,wc	[N/mm²]	-	265	-

OPORNOŚĆ		F_t,fc,Rd	F_t,wc,Rd	F_t,ep,Rd
	[kN]	697	1126	-
UWAGA				Nie ma grupowego trybu dla płyty końcowej

Odporność rzędów śrub 1 i 2 to najmniejsza wartość odporności Kołnierz kolumny w zginaniu i Ściana kolumny w naciągu, co oznacza F_t,1-2,Rd = min {F_t,fc,Rd = 697; F_t,wc,Rd = 1126} = 697 kN.
Odporność rzędu śrub 2 po stronie Kolumny jest zatem ograniczona do F_t2,c,Rd = F_t,1-2,Rd - F_t1,Rd = 697 - 377 = 320 kN.

Odporność rzędu śrub 2 to najmniejsza wartość odporności: Kołnierz kolumny w zginaniu F_t,fc,Rd = 398 kN, Ściana kolumny w naciągu F_t,wc,Rd = 790 kN, Ściana belki w naciągu F_t,wb,Rd = 675 kN, Płyta końcowa w zginaniu F_t,ep,Rd = 406 kN oraz Strona kolumny, jako część grupy, F_t2,c,Rd = 320 kN. Stąd odporność rzędu śrub 2 F_t,2,Rd = 320 kN.

RZĄD ŚRUB 3
Najpierw rozważ rząd 3 samodzielnie.

Podsumowanie obliczeń odporności:

Parametr	Jednostka	Kołnierz kolumny w zginaniu	Ściana kolumny w naciągu poprzecznym	Płyta końcowa w zginaniu	Ściana belki w naciągu
e	[mm]	-	-	= e_p = 75	-
m	[mm]	-	-	38.6	-
ℓ_eff,1	[mm]	-	-	248	-
ℓ_eff,2	[mm]	-	-	248	-

TRYB 1
n	[mm]	-	-	48.3	-
t_f	[mm]	-	-	25	-
f_y	[N/mm²]	-	-	265	-
M_pl,1,Rd	[Nmm]	-	-	10.1x10⁶	-
e_w	[mm]	-	-	9.9	-
F_T,1,Rd	[kN]	-	-	1291	-

TRYB 2
M_pl,2,Rd	[Nmm]	-	-	10.3x10⁶	-
F_t,Rd	[N]	-	-	203	-
Śruby	[szt.]	-	-	2	-
∑F_t,Rd	[N]	-	-	406	-
F_T,2,Rd	[kN]	-	-	463	-

TRYB 3
F_T,3,Rd	[kN]	-	-	406	-

b_eff,t,wb	[mm]	-	-	-	= b_eff,1 = 243
t_wb	[mm]	-	-	-	10.1

OPORNOŚĆ		F_t,fc,Rd	F_t,wc,Rd	F_t,ep,Rd	F_t,wb,Rd
	[kN]	790	790	406	675
UWAGA	jak obliczono dla rzędów śrub 1 i 2	jak obliczono dla rzędów śrub 1 i 2

Odporności dla rzędów 2 i 3 powyżej rozważają wszystkie rzędy działające samodzielnie. Jednak po stronie kolumny, odporność może być ograniczona przez odporność grupy rzędów 1, 2 i 3 lub przez grupę rzędów 2 i 3. Po stronie belki odporność może być ograniczona przez grupę rzędów 2 i 3. Te odporności grupowe są teraz rozważane.

ŚRUBY 1, 2 I 3 POŁĄCZONE
Kołnierz kolumny w zginaniu
Wzory kołowe i niekołowe wyglądają następująco:

Kołowe i niekołowe linie plastyczne w symulacji diagramu modelu płyty

Kołowe i niekołowe linie plastyczności

Podsumowanie obliczeń odporności:

Parametr	Jednostka	Kołnierz kolumny w zginaniu	Ściana kolumny w naciągu poprzecznym
ℓ_eff,1	[mm]	422	-
ℓ_eff,2	[mm]	422	-

TRYB 1
m	[mm]	33.4	-
n	[mm]	41.8	-
e_w	[mm]	9.9	-
t_f	[mm]	20.5	-
f_y	[N/mm²]	265	-
M_pl,1,Rd	[Nmm]	11.7x10⁶	-
F_T,1,Rd	[kN]	1797	-

TRYB 2
M_pl,2,Rd	[Nmm]	11.7x10⁶	-
F_t,Rd	[kN]	203	-
Śruby	[szt.]	6	-
∑F_t,Rd	[kN]	1218	-
F_T,2,Rd	[kN]	988	-

TRYB 3
F_T,3,Rd	[kN]	1218	-

ω	[-]	-	1.0
b_eff,t,wc	[mm]	-	422
t_wc	[mm]	-	12.8

OPORNOŚĆ		F_t,fc,Rd	F_t,wc,Rd
	[kN]	988	1431

Odporność rzędów śrub 1, 2 i 3 połączona, po stronie kolumny, to najmniejsza wartość Kołnierz kolumny w zginaniu i Ściana kolumny w naciągu, co daje 988 kN.
Dlatego odporność rzędu śrub 3 po stronie kolumny jest ograniczona do: F_t3,c,Rd = F_t1-3,Rd - F_t1-2,Rd = 988 - 697 = 291 kN.

RZĘDY 2 I 3 POŁĄCZONE
Podsumowanie obliczeń odporności:

Parametr	Jednostka	Strona kolumny - kołnierz w zginaniu	Ściana kolumny w naciągu poprzecznym	Strona belki - płyta końcowa w zginaniu	Belka w naciągu
m	[mm]	33.4	-	38.6	-
n	[mm]	41.8	-	48.3	-
e_w	-	-	9.9	-
ℓ_eff,1	[mm]	323	-	379	-
ℓ_eff,2	[mm]	323	-	379	-

TRYB 1			(rzędy 2 + 3)
M_pl,1,Rd	[Nmm]	9.24x10³	9.0x10⁶	15.7x10⁶	-
F_T,1,Rd	[kN]	1383	-	2007	-

TRYB 2			(rzędy 2 + 3)
M_pl,2,Rd	[Nmm]	9.0x10⁶	-	15.7x10⁶	-
F_t,Rd	[kN]	203	-	203	-
Śruby	[szt.]	4	-	4	-
∑F_t,Rd	[kN]	812	-	812	-
F_T,2,Rd	[kN]	691	-	813	-

TRYB 3			(rzędy 2 + 3)
F_T,3,Rd	[kN]	1218	-	812	-

ω	[-]	-	1.0	-	-
b_eff,t,wc	[mm]	-	323	-	-
t_wb	[mm]	-	12.8	-	-
f_y,wc	[N/mm²]	-	265	-	-

OPORNOŚĆ		F_t,fc,Rd	F_t,wc,Rd	F_t,ep,Rd
	[kN]	691	1096	812	-
UWAGA					nie dotyczy

Odporność rzędów śrub 2 i 3 połączone, po stronie belki, to Płyta końcowa w zginaniu F_t,ep,Rd = 812 kN. Stąd po stronie belki F_t2-3,Rd = 812 kN. Odporność rzędu śrub 3 po stronie belki jest zatem ograniczona do F_t3,b,Rd = F_t2-3,Rd - F_t2,Rd = 812 - 320 = 492 kN.

Odporność rzędów śrub 2 i 3 połączone, po stronie kolumny, to Kołnierz kolumny w zginaniu F_t,fc,Rd = 691 kN, Ściana kolumny w naciągu F_t,wc,Rd = 1096 kN, stąd po stronie kolumny F_t2-3,Rd = 691 kN.
Zatem odporność rzędu śrub 3 po stronie kolumny jest ograniczona do F_t3,b,Rd = F_t2-3,Rd - F_t2,Rd = 691 - 320 = 371 kN.

Podsumowanie
Odporność rzędu śrub 3 to najmniejsza wartość spośród następujących odporności: Kołnierz kolumny w zginaniu F_t,fc,Rd = 398 kN, Ściana kolumny w naciągu F_t,wc,Rd = 790 kN, Ściana belki w naciągu F_t,wb,Rd = 675 kN, Płyta końcowa w zginaniu F_t,ep,Rd = 406 kN, Strona kolumny jako część grupy z 2 i 1 F_t3,c,Rd = 291 kN, Strona kolumny jako część grupy z 2 F_t3,c,Rd = 371 kN, Strona belki jako część grupy z 2 F_t3,b,Rd = 492 kN. Stąd odporność rzędu śrub 3 to F_t3,Rd = 291 kN.

PODSUMOWANIE ODPORNOŚCI ROZCIĄGANIA
Pochodzenie efektywnych odporności rzędów rozciągających można podsumować w formie tabelarycznej, jak pokazano poniżej.

Odporności rzędów F_tr,Rd:

	Kołnierz kolumny	Ściana kolumny	Płyta końcowa	Ściana belki	Minimum	Efektywna odporność
Rząd 1, samodzielnie	398	790	377	N/A	377	377

Rząd 2, samodzielnie	398	790	406	675	398
Rząd 2, z rzędem 1	697	1126	N/A	N/A	697
Rząd 2					697 - 377	320

Rząd 3, samodzielnie	398	790	406	675	309
Rząd 3, z rzędem 1 i 2	988	1431	N/A	N/A	988
Rząd 3					988 - 697	291
Rząd 3, z rzędem 2	691	1096	812	1052	691
Rząd 3					691 - 320

Strefa Ściskania

Ściana kolumny w sprężaniu poprzecznym
Wytrzymałość projektowa niezawierającej wzmocnienia ściany kolumny w sprężaniu poprzecznym jest określona w następujący sposób:

\begin{array}{l} Wytrzymałość na zgniatanie: \\ F_{c, w c, R d} = \begin{array}{c} ω b_{e f f, c, w c} t_{w c} f_{y, w c} \\ γ_{M 0} \end{array}, \\ \begin{array}{l} ale (Wytrzymałość na zgniatanie): \\ F_{c, w c, R d} \leq \begin{array}{c} ω k_{w c} ρ b_{e f f, c, w c} t_{w c} f_{y, w c} \\ γ_{M 1} \end{array} . \end{array} \end{array}

Środnik słupa w poprzecznym ściskaniu

gdzie
s	= r_c = 12.7 mm dla walcowanych na gorąco sekcji I i H kolumn
s_p	jest długością uzyskaną przez rozpraszanie pod kątem 45° przez płytę końcową; s_p = 2 t_p = 50 mm
e_x	to odległość końcowa mierzona od środka złącza rzędu 1; e_x = 50 mm
x	to rozstaw rzędu 1 nad kołnierzem belki mierzony od środka złącza; x = 40 mm
s_f	to długość nogi spoiny; s_f = 8 mm
h_p	jest głębokością płyty końcowej; h_p ≥ e_x + x + h_b + s_f + t_p = 656 mm → h_p = 670 mm
b_eff,c,wc	dla śrubowej płyty końcowej; b_eff,c,wc = t_fb + 2 s_f + 5 (t_fc + s) + s_p = 248 mm
ρ	jest współczynnikiem redukcji dla wyboczenia płyty, zależy od płyty; ρ = 1.0
ω	= 1.0
k_wc	jest współczynnikiem redukcji uwzględniającym ściskanie w ścianie kolumny; k_wc = 1.0

Dokładne wymiary śrubowej blachy czołowej przedstawione na rysunku technicznym | Detale inżynierskie

Wymiary blachy czołowej z śrubami

Stąd, F_c,wc,Rd = 841 kN.

Kołnierz i ściana belki w ściskaniu
Projektowa odporność kołnierza belki i przylegającej strefy ściskania ściany jest określana za pomocą:

F_{c, f b, R d} = \begin{matrix} M_{c, R d} \\ h - t_{f b} \end{matrix}

Obliczeniowa nośność pasa i środnika belki przy ściskaniu

gdzie
M_c,Rd	jest projektowaną odpornnością belki; zakładając, że projektowa siła ścinająca w belce nie zmniejsza M_c,Rd, zatem M_c,Rd = 649 kN
h	= h_b = 533.1 mm
t_fb	= 15.6 mm

Zatem, F_c,fb,Rd = 1254 kN.

Podsumowanie: odporność strefy ściskania
Ściana kolumny w ściskaniu poprzecznym F_c,wc,Rd = 841 kN, Kołnierz i ściana belki w ściskaniu F_c,fb,Rd = 1254 kN.

Odporność jednej ściany panelowej w ścinaniu
Plastikowa odporność na ścinanie niezawierającej wzmocnienia ściany jest dana przez:

V_{w p, R d} = \begin{matrix} 0.9 f_{y, w c} A_{v c} \\ \sqrt{3} γ_{M 0} \end{matrix}

Nośność panelu środnika słupa przy ścinaniu

Odporność nie jest tutaj oceniana, ponieważ nie ma projektowego ścinania w ścianie, ponieważ momenty z belek są równe i przeciwstawne.

Odporność na moment

EFEKTYWNA ODPORNOŚĆ RZĘDÓW ŚRUB

Diagram przedstawiający rozkład sił dla zdefiniowania nośności na zginanie i wewnętrzne ścieżki obciążeń

Dystrybucja sił | Analiza odporności na moment

Efektywne odporności każdego z trzech rzędów śrub w strefie rozciągania to:
F_t1,Rd = 377 kN, F_t2,Rd = 320 kN, F_t3,Rd = 291 kN.

Efektywne odporności powinny być zmniejszone, jeśli odporność jednego z wyższych rzędów przekracza 1.9 F_t,Rd = 1.9 x 203 = 386 kN.
Zatem żadna redukcja nie jest konieczna.

FORCES EQUILIBRIUM
Suma sił rozciągających, wraz z dowolnym osiowym ściskaniem w belce, nie może przekroczyć odporności strefy ściskania.
Podobnie, projektowe ścinanie nie może przekroczyć odporności na ścinanie panelu ściany kolumny. Nie ma to znaczenia w tym przykładzie, ponieważ momenty w identycznych belkach są równe i przeciwstawne.

Dla równowagi poziomej ∑F_tr,Rd + N_Ed = F_c,Rd. W tym przykładzie nie ma ściskania osiowego. Zatem, ∑F_tr,Rd = F_c,Rd.

Tutaj całkowita efektywna odporność na rozciąganie ∑F_tr,Rd = 377 + 320 + 291 = 988 kN, co przekracza odporność na ściskanie F_с,Rd = 841 kN.
Aby osiągnąć równowagę, efektywne odporności są zmniejszane, zaczynając od najniższego rzędu i przechodząc w górę, aż równowaga zostanie osiągnięta. Wymagana redukcja 988 - 841 = 147 kN.
Cała ta redukcja może zostać osiągnięta przez zmniejszenie odporności dolnego rzędu. Stąd, F_t3,Rd = 291 - 147 = 144 kN.

Wykres równowagi sił pokazujący zrównoważone wektory obciążenia

Analiza schematu równowagi sił

ODPORNOŚĆ NA MOMENT SIŁ
Odporność na moment złącza belka-kolumna M_j,Rd:

M_{j, R d} = \sum h_{r} F_{t r, R d}

Nośność złącza momentowego belka-słup

Biorąc pod uwagę środek ściskania jako środek grubości kołnierza ściskanego belki, h_r1 = 565 mm, h_r2 = 465 mm, h_r3 = 375 mm. Zatem odporność na moment złącza belka-kolumna wynosi:

M_j,Rd = 416 kNm.

Odporność na wartości pionowe

ODPORNOŚĆ GRUPY ŚRUB
Odporność na ścinanie nieprzeciążonej śruby M24 klasy 8.8 w pojedynczym ścinaniu to F_v,Rd = 136 kN, F_b,Rd = 200 kN (w 20 mm warstwie). Zatem F_v,Rd rządzi.

Odporność na ścinanie górnych rzędów można ostrożnie przyjąć jako 28% odporności na ścinanie bez naprężenia (zakładając, że te śruby są całkowicie wykorzystane w naprężeniu). Zatem odporność na ścinanie wszystkich 4 rzędów to (2 + 6 x 0.28) 136 = 3.68 x 136 = 500 kN.

Projekt nagłówkowy

Proste podejście wymaga, aby spoiny do kołnierza naprężającego i ściany były pełnej siły, podczas gdy spoina do kołnierza ściskającego jest tylko o nominalnym rozmiarze, zakładając, że została przygotowana z ciętą końcówką.

SPAWANIA KOŁNIERZA NAPRĘŻAJĄCEGO BELKI
Spaw pełnej siły jest dostarczany przez symetryczne spoiny pachwinowe o całkowitej grubości gardzieli równiej co najmniej grubości kołnierza. Wymagana wielkość gardzieli to t_fb/2 = 15.6/2 = 7.8 mm. Dostarczona grubość gardzieli to a_f = 12/√2 = 8.5 mm, co jest wystarczające.

SPAWANIA KOŁNIERZA ŚCISKANEGO BELKI
Dostarczyć spoinę pachwinową nominalną po obu stronach kołnierza belki. Spoina pachwinowa o długości nogi 8 mm będzie wystarczająca.

SPAWANIA SCIANY BELKI
Dla wygody dostarczono spaw pełnej siły do ściany.
Wymagana wielkość gardzieli to t_fw/2 = 10.2/2 = 5.1 mm.
Dostarczona grubość gardzieli to a_p = 8/√2 = 5.7 mm, co jest wystarczające.

ANANALIZA OPARTA NA SKŁADNIKACH FE

Projekt został wykonany przy użyciu dodatku Steel Joints do RFEM 6.
Dodatek Steel Joints umożliwia analizowanie połączeń na podstawie modelu FE. Wprowadzenie danych i ocena wyników są w pełni zintegrowane z interfejsem użytkownika oprogramowania do analizy strukturalnej FEA RFEM, co czyni proces projektowania intuicyjnym i szybkim.

Konfiguracja złącza

Pokazano jest stalowe połączenie z wyraźnymi detalami połączenia między elementami stalowymi.

Podgląd połączenia stalowego

Kolumna	254x254x107 UKC	S275
Belka	sekcja definiowana parametrycznie
	h_b = 533.1 mm, b_b = 209.3 mm, t_wb = 10.1 mm, t_fb = 15.6 mm	S275
Płyta końcowa	670x250x25 mm	S275
Śruba	M24 klasa 8.8
Spawy	Spoiny pachwinowe górny kołnierz s_f1 = 8.5 mm, dolny kołnierz s_f2 = 5.7 mm, ściana s_w = 5.7 mm

Wyniki dodatku Steel Joints

Dodatek Steel Joints do RFEM 6 rozszerza możliwości oprogramowania, umożliwiając inżynierom analizowanie połączeń stalowych z precyzją modelu elementów skończonych (FE). To zaawansowane narzędzie umożliwia szczegółową wizualizację wszystkich istotnych wyników bezpośrednio na modelu FE, zapewniając wyraźny i kompleksowy przegląd wydajności połączeń stalowych pod różnymi obciążeniami i warunkami.

Obejmuje to wyświetlanie ekwiwalentnych naprężeń i odkształceń plastycznych wewnątrz połączenia stalowego. Pokazując zarówno ekwiwalentne naprężenia, jak i odkształcenia plastyczne, RFEM oferuje bardziej wszechstronne zrozumienie zachowania połączenia w warunkach rzeczywistych, zapewniając, że projekt jest zarówno bezpieczny, jak i efektywny.

EKWIWALENTNE NAPRĘŻENIA
Ekwiwalentne naprężenia zapewniają wyraźny przegląd rozkładu naprężenia, pomagając inżynierom zidentyfikować potencjalne punkty uszkodzenia spowodowane nadmiernym skupieniem naprężeń. Te naprężenia są kluczowe dla zrozumienia nośności połączenia.

Wizualizacja naprężeń równoważnych w węźle, ilustrująca rozkład naprężeń oraz potencjalne miejsca koncentracji naprężeń.

Naprężenia równoważne przedstawione na geometrii połączenia

Tutaj widać rozkład naprężeń na kołnierzu kolumny i płycie końcowej belki.

Wizualne przedstawienie rozkładu naprężeń zastępczych na blasze czołowej z oznaczonymi kolorami zmianami naprężeń.

Naprężenia zastępcze przedstawione na blasze czołowej

Graficzne przedstawienie rozkładu naprężeń równoważnych na pasie słupa ilustrujące zmiany naprężeń.

Naprężenia zastępcze przedstawione na półce słupa

ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNE
Płyty w połączeniu są projektowane plastycznie poprzez porównanie istniejących odkształceń plastycznych do dopuszczalnych odkształceń plastycznych. Ustawienie domyślne to 5%, zgodnie z EN 1993-1-5, Aneks C. Poniżej przedstawiono odkształcenie plastyczne w węźle:

Obraz przedstawia rozkład odkształceń plastycznych w konstrukcji połączenia, a gradacje kolorów wskazują na intensywność odkształceń.

Plastyczne odkształcenie przedstawione na geometrii połączenia

ANALIZA NAPRĘŻENIA-ODKSZTAŁCENIA

Analiza rozkładu naprężeń i odkształceń na płytach konstrukcyjnych, prezentująca wyniki weryfikacji projektów w celu zapewnienia zgodności z normami.

Analiza naprężeniowo-odkształceniowa, Sprawdzenie warunku projektowego dla płyt

Ilustracja wyników analizy naprężenie-odkształcenie oraz weryfikacji projektowania spoin, obrazująca nośność połączeń konstrukcyjnych.

Analiza naprężeniowo-odkształceniowa, Sprawdzanie warunku projektowego spoin

Analiza inżynieryjna projektowania łączników i łączników w elemencie konstrukcyjnym przy użyciu specjalistycznego oprogramowania.

Sprawdzenie obliczeniowe dla środników

Wnioski

Artykuł przedstawia dwie metody projektowania złączy belki-kolumny. Metoda analityczna jest złożona i trudna do obsługi ręcznie, szczególnie jeśli chodzi o optymalizację. Obejmuje obliczanie odporności każdego składnika i porównywanie ich z siłami działającymi na te składniki.

Druga metoda to podejście CBFEM, zaimplementowane w dodatku Steel Joints do RFEM 6. W tej metodzie węzeł jest montowany, a siły do analizy są pozyskiwane z głównego modelu FE. Zmontowany węzeł jest następnie weryfikowany pod kątem zastosowanych sił poprzez analizę naprężeniowo-odkształceniową płyt stalowych. Dodatkowo, projekt spoin i złącz jest przeprowadzany zgodnie z odpowiednimi normami EN.

Podczas gdy metoda analityczna jest szeroko stosowana, druga metoda jest znacznie szybsza, zapewniając dokładne wyniki przy znacznie mniejszym czasie obliczeniowym. Umożliwia również łatwą i szybką optymalizację.

Poniżej pokazano porównanie wyników.
Odporność na moment M_j,Rd obliczona przy użyciu podejścia analitycznego wynosi 416 kNm, podczas gdy wartość z CBFEM w dodatku Steel Joints to 415 kNm. Różnica jest mniejsza niż 1%, z Δ = -0.24%, co ilustruje niezawodność i dokładność metody CBFEM zaimplementowanej w dodatku Steel Joints.

Model można znaleźć poniżej:

Model 005595 | Sztywne połączenie z płytą czołową z zastosowaniem śrub w przykładzie połączenia stalowego

309x

86x

Unstiffened Bolted End Plate Connection

REFRENCJE

[1] Brown, D., Iles, D., Brettle, M., Malik, A., i BCSA/SCI Connections Group. (2013). Złącza w konstrukcjach stalowych: złącza chwytające momenty według Eurokodu 3. Vol BCSA/SCI Connections Group. Londyn: The British Constructional Steelwork Association Limited.

;