Porównanie DSTV z rozwiązaniem w RFEM 6 | RSTAB 9: Połączenia belka-słup odporne na zginanie z płytami czołowymi

Wprowadzenie

Tradycyjne rozwiązania połączeń są szeroko stosowane w konstrukcjach stalowych, a norma EN 1993-1-8 zaleca metodę komponentową do projektowania. Metoda ta może być wyzwaniem, zwłaszcza dla skomplikowanych projektów, ale zasoby takie jak Standaryzowane Połączenia w Konstrukcjach Stalowych według DIN EN 1993-1-8 dostarczają zdefiniowane geometrie połączeń z wartościami nośności i sztywności, ułatwiając proces.

Artykuł porównuje wyniki uzyskane tradycyjnymi metodami projektowania z wynikami generowanymi przez zaawansowane podejście CBFEM w dodatku Połączenia Stalowe do RFEM 6, używając dwóch reprezentatywnych konfiguracji połączeń do podkreślenia różnic.

Analizowane połączenie to połączenie odporne na momenty dla belek z przekrojami w formie I lub H oraz płytami czołowymi, montowane za pomocą pionowych szeregów śrub wysokiej wytrzymałości dla niezawodnego przenoszenia obciążeń.

Połączenia z płytami czołowymi mają kilka wariantów konfiguracji. Ten artykuł omawia dwie opcje: wydłużoną płytę czołową, która wystaje ponad belkę i jest połączona ze słupem, oraz płytę czołową na równi, która pokrywa tylko obszar przekroju belki i jest połączona ze słupem. Geometria wydłużonej płyty czołowej, typ A, jest wzięta z tabel połączeń momentowych IH [1], natomiast geometria płyty czołowej na równi, typ B, jest zaczerpnięta z tabel połączeń momentowych IM [3].

Wybrane geometrie połączeń są przedstawione w poniższej tabeli, wraz z ich konfiguracją.

Konfiguracja geometrii dla połączeń typu A i typu B

¹ st. - usztywniacze

Podejście Analityczne

Tabele nośności zawarte w Standaryzowane Połączenia w Konstrukcjach Stalowych według DIN EN 1993‑1‑8 [1] i Konstrukcje Stalowe według DIN EN 1993-1-8, Dodatek 2018 [3] są ważne przy następujących warunkach: procedury weryfikacji są elastyczno-elastyczne lub elastyczno-plastyczne; przeważające obciążenie statyczne; ciągły słup; równe wysokości belek i pozycje w konfiguracjach z połączeniami dwustronnymi belka-do-słupa; słupy, belki i płyty czołowe w S 235 lub S 355 według DIN EN 1993 część 1.1; przekroje belek i słupów HEB, HEA, HEM, IPE są walcowane zgodnie z DIN 1025 część 2, 3, 4, i 5 oraz wcześniejszymi Euronormami EU 53-62 (seria HE) oraz EU 19-57 (IPE) odpowiednio.

Tryby awarii i główne komponenty wpływające na odporność momentową i sztywność rozważone dla połączeń typu A i typu B obejmują (zob. [2] 6.2.6.1 do 6.2.6.8) ścianę słupa przy ścinaniu (CWS), ścianę słupa przy ściskaniu (CWC), kołnierz belki i ścianę przy ściskaniu (BFC), ścianę słupa przy rozciąganiu (CWT), kołnierz słupa przy zginaniu (CFB), ścianę belki przy rozciąganiu (BWT), płytę czołową przy zginaniu (EPB) oraz śruby przy rozciąganiu (BT).

Nośność momentu i początkowa sztywność obrotowa połączeń belka-do-słupa z zarówno wydłużonymi i na równi płytami czołowymi zostały wzięte z tabel nośności zawartych w [1] i [3].

Konfiguracje połączeń są przedstawione na początku tego artykułu, a wartości nośności momentu i sztywności obrotowej są podsumowane w poniższej tabeli porównawczej.

Analiza Elementów Skończonych Oparta na Komponentach

Projekt połączeń został przeprowadzony przy użyciu dodatku Połączenia Stalowe do RFEM 6. Dodatek Połączenia Stalowe umożliwia analizę połączeń opartą na modelu FE. Zarówno wprowadzenie danych, jak i ocena wyników są w pełni zintegrowane z interfejsem użytkownika RFEM, co czyni proces projektowania intuicyjnym i efektywnym.

1. Połączenia Odporne na Moment z Wydłużonymi Płytami Czołowymi

Wprowadzenie do Dodatku Połączenia Stalowe Konfiguracje połączeń przedstawiono na początku tego artykułu.

Wyniki Dodatku Połączenia Stalowe Dodatek Połączenia Stalowe dla RFEM 6 zwiększa możliwości oprogramowania, pozwalając inżynierom na analizę połączeń stalowych z precyzją modelu elementów skończonych (FE). To zaawansowane narzędzie ułatwia szczegółową wizualizację wszystkich kluczowych wyników bezpośrednio na modelu FE, oferując jasny i kompleksowy przegląd wydajności połączenia pod różnymi obciążeniami i warunkami. W konsekwencji, RFEM oferuje głębsze zrozumienie zachowania połączenia i pomaga optymalizować projekty pod kątem bezpieczeństwa i efektywności.

Szczegółowa reprezentacja wyników jest podana tylko dla połączenia typu A.1.

Nośność momentu Nośność momentu dla połączenia typu A.1 wynosi 163,43 kNm.

Naprężenia Równoważne Naprężenia równoważne pokazują ogólny rozkład naprężeń w połączeniu i pomagają zidentyfikować potencjalne punkty awarii spowodowane zwiększonymi koncentracjami naprężeń. Są niezbędne do oceny nośności połączenia.

Typ A.1: Naprężenia zastępcze przedstawione na geometrii połączenia

Rozkład naprężeń w połączeniu jest wpływany przez mechanizmy przenoszenia obciążeń i geometrię połączenia. Symetryczna konfiguracja pomaga równomiernie rozłożyć siły, choć występują lokalne koncentracje naprężeń. Kołnierze belek i płyty czołowe doświadczają najwyższych naprężeń, szczególnie w pobliżu płyty czołowej, gdzie jest połączona z kołnierzami belek i połączona z kolumną. Obszar w głębokiej czerwieni wskazuje na naprężenia przy granicy plastyczności stali. Lica słupa przylegające do połączenia również doświadczają znacznych naprężeń.

Deformacja Plastyczna Płyty w połączeniu są projektowane plastycznie i obejmują porównanie obliczanej deformacji plastycznej z dopuszczalną deformacją plastyczną. Ograniczająca deformacja plastyczna wynosi 5%, według EN 1993‑1‑5, Załącznik C. Wartość ta jest przyjęta jako domyślna w dodatku Połączenia Stalowe.

Typ A.1: Odkształcenie plastyczne przedstawione na geometrii węzła

Wzór deformacji w połączeniu ściśle podąża za rozkładem naprężeń. Płyta czołowa pokazuje nierównomierne wzory deformacji z powodu ekscentrycznego przenoszenia obciążeń, z koncentracją deformacji wokół otworów na śruby, gdzie występuje maksymalne naprężenie. Ogólnie, rozkład deformacji jest nierównomierny, z wyższymi deformacjami plastycznymi w obszarach koncentracji naprężeń, osiągającymi do 0,5% w krytycznych lokalizacjach.

Wskaźniki Projektowe na Dodatku Połączenia Stalowe Podsumowanie wskaźników projektowych jest przedstawione w poniższej tabeli.

Typ A.1: Wskaźniki obliczeniowe na połączeniach stalowych

Sztywność Obrotowa Podsumowanie wartości sztywności obrotowej znajduje się w poniższej tabeli.

Typ A.1: Sztywność obrotowa

Połączenie wykazuje dwie wartości sztywności obrotowej z powodu asymetrycznego charakteru. Momenty działające w obu kierunkach, w górę i w dół, powodują różne odpowiedzi sztywności. W rezultacie, sztywność obrotowa różni się w zależności od kierunku przyłożonego momentu, odzwierciedlając niesymetryczne zachowanie połączenia.

2. Połączenia Odporne na Moment z Płytami Czołowymi Na Równi

Wprowadzenie do Dodatku Połączenia Stalowe Konfiguracje połączeń przedstawiono na początku tego artykułu. Projekt połączeń został przeprowadzony przy użyciu dodatku Połączenia Stalowe do RFEM 6.

Wyniki Dodatku Połączenia Stalowe Szczegółowa reprezentacja wyników jest podana tylko dla połączenia typu B.1.

Nośność momentu Nośność momentu dla połączenia typu B.1 wynosi 94,09 kNm.

Typ B.1: Naprężenia zastępcze pokazane na geometrii połączenia

Typ B.1: Odkształcenie plastyczne przedstawione na geometrii połączenia

Wskaźniki Projektowe i Sztywność Obrotowa Podsumowanie wskaźników projektowych i sztywności obrotowej połączenia znajduje się w poniższych tabelach.

Typ B.1: Wskaźniki obliczeniowe w rozszerzeniu Połączenia stalowe

Typ B.1: Sztywność obrotowa

Dyskusja

Przeprowadzono kilka obliczeń do analizy: jedno dla połączenia z profilem belki HEA i jedno z profilem belki IPE. Te geometrie były modelowane z użyciem dodatku Połączenia Stalowe. Wyniki obliczeń - zarówno analitycznych, jak i oparte na metodzie CBFEM - są przedstawione poniżej.

Porównanie między metodą analityczną a nowoczesnym podejściem CBFEM pokazuje ogólnie dobrą zgodność. Dla połączeń typu A, różnica w nośności momentowej waha się od 5.96% do 7.25%, przy czym dodatek Połączenia Stalowe dostarcza nieco wyższych wartości z powodu bardziej szczegółowej oceny nośności momentowej połączenia. Dla połączeń typu B, różnice w nośności momentowej są mniejsze, utrzymując się w zakresie od 0.53% do 0.65%, co wskazuje na doskonałą zgodność między dwoma metodami.

Sztywność obrotowa pokazuje większą różnorodność w obrębie połączeń. Dla połączeń typu A, różnica w sztywności waha się od 3.96% do 20.6%. Większa różnica sugeruje, że podejście CBFEM zapewnia bardziej wyrafinowaną i dokładną reprezentację zachowań obrotowych, który wychwytuje bardziej złożone interakcje wewnątrz połączenia. Dla połączeń typu B, różnice są jeszcze bardziej znaczące, przy różnicach odpowiednio 22.34% i 23.7%. Te większe różnice wskazują, że dodatek Połączenia Stalowe uwzględnia bardziej skomplikowane aspekty zachowań połączenia, takie jak rozkład obciążeń i deformacje, które uproszczona metoda analityczna nie w pełni wychwytuje.

Kiedy nośność momentowa jest osiągnięta w połączeniach typu A, analiza FE pokazuje, że płyty czołowe doświadczają plastycznych deformacji, podczas gdy śruby osiągają swoją nośność. To odpowiada trybom awarii z literatury referencyjnej. Spoiny są również na granicy swojej nośności. Jeśli chodzi o połączenia typu B, nośność momentowa osiągnięta w analizie FEA we wszystkich ocenianych częściach jest równomiernie wykorzystywana, tj. śruby, płyty czołowe i spoiny. To znaczy, że połączenie jest dobrze zaprojektowane. Wysoka deformacja plastyczna w płytach czołowych jest wyraźna.

Podsumowując, dodatek Połączenia Stalowe zapewnia dokładne i szczegółowe podejście, szczególnie dla skomplikowanych konfiguracji połączeń.

Literatura

[1] Standaryzowane Połączenia w Konstrukcjach Stalowych według DIN EN 1993-1-8, Wydanie Kompleksowe 2013 [2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych Część 1-8: Projektowanie połączeń. Wersja niemiecka EN 1993-1-8:2005 + AC:2009 [3] Standaryzowane Połączenia w Konstrukcjach Stalowych według DIN EN 1993-1-8, Dodatek 2018. Połączenia odporne na moment IM