46x

002057

2026-06-11

Analiza Grubych Rozszerzonych Blach Czołowych i Wielu Śrub w Wierszu za Pomocą Rozszerzenia Połączenia Stalowe dla RFEM

Niniejsze badanie analizuje weryfikację połączeń stalowych zaimplementowanych w RFEM do analizy grubych wystających blach czołowych i wielu śrub w rzędzie. Zachowanie konstrukcji i wydajność tych połączeń są oceniane zgodnie z wymaganiami projektowymi Eurokodu 3 (EC-3) i porównywane z Modelem Elementów Skończonych Zorientowanym na Badania (ROFEM), który został wcześniej zwalidowany za pomocą testów eksperymentalnych.

Model analityczny

W niniejszym opracowaniu przyjęto kryteria projektowe określone w EN 1993-1-8 do oceny nośności śrub (ścinanie i rozciąganie) oraz nośności blach (docisk i przebicie), wykorzystując sformułowania stanów granicznych podane w tablicy 3.4.

Nośność obliczeniowa zastępczego króćca teowego jest oceniana niezależnie dla blachy czołowej i półki słupa. Dla każdego komponentu miarodajną nośność obliczeniową F_T,Rd definiuje się jako wartość minimalną uzyskaną z trzech potencjalnych mechanizmów zniszczenia.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Nośność obliczeniowa i rodzaje zniszczeń wg EN 1993-1-8

Nośność indywidualna dla każdego mechanizmu jest obliczana na podstawie nośności plastycznej półki (M_pl,1Rd i M_pl,2,Rd) oraz nośności na rozciąganie grupy śrub (∑F_t,Rd). Mechanizmy te uwzględniają całkowite uplastycznienie półki (Mechanizm 1), zniszczenie śrub sprzężone z uplastycznieniem półki (Mechanizm 2) oraz czyste zerwanie śrub (Mechanizm 3).

Mechanizmy zniszczenia:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Forma 1: Pełne uplastycznienie pasa

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Tryb 2: Zerwanie śruby sprzężone z uplastycznieniem kołnierza

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Postać 3: Czyste zerwanie śruby

Nośności plastyczne:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastykowy moment nośności

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momenty nośne w stanie uplastycznienia

Ilustracja różnych trybów zniszczenia elementu T-Stuba w inżynierii konstrukcyjnej.

Tryby zniszczenia elementów typu "ceownik odwrócony"

Szczegóły geometryczne połączenia belki ze słupem

Zgodnie ze standardową praktyką budowlaną, wszystkie belki i słupy wykonano ze stali S235, natomiast blachy czołowe ze stali o wyższej wytrzymałości S355. Konfiguracje geometryczne, w tym układ blach czołowych i grup śrub, przedstawiono szczegółowo na rysunku 2, a odpowiednią macierz testów eksperymentalnych i zmierzone właściwości materiałowe podano odpowiednio w tabelach 1.

Zgodnie z definicją w macierzy testów, Grupa A (próbki 1A–3A) wykorzystywała przekrój słupa HEA 300 (t_w = 8,5 mm; t_f = 14 mm), natomiast Grupa B obejmowała cięższy przekrój HEB 300 (t_w = 11 mm; t_f = 19 mm). W celu oceny wydajności układu hierarchii słaby słup-silna belka, we wszystkich próbkach zachowano jednolity przekrój belki HEB 300 i blachy czołowe o grubości 30 mm, zapewniając, że konfiguracje Grupy A były newralgiczne dla słupa.

Tabela 1: Konfiguracja geometryczna badanych próbek

Próbki	Profil słupa	Profil belki	Liczba śrub	Długość słupa	Długość belki
T1A	HEA 300	HEB 300	12	2	1,5
T2A	HEA 300	HEB 300	6	2	1,5
T3A	HEA 300	HEB 300	8	2	1,5
T1B	HEB 300	HEB 300	12	2	1,5
T2B	HEB 300	HEB 300	6	2	1,5
T3B	HEB 300	HEB 300	8	2	1,5

(a) Typowe połączenie śrubowe belki ze słupem oraz (b) reprezentacja za pomocą metody komponentów składowych.

(a) Typowe połączenie śrubowe belki ze słupem i (b) reprezentacja metodą składnikową

Konfiguracja blachy czołowej/śrub

Dyskusja

Rozwiązanie Steel Joints dla RFEM

Wykorzystując oparty na MES dodatek Steel Joints dla RFEM 6, proces projektowania połączeń został w pełni zintegrowany z pierwotnym modelem konstrukcyjnym. W niniejszym opracowaniu przedstawiono eksperymentalne i numeryczne badania nośności konstrukcyjnej sześciu rozciąganych połączeń belki ze słupem na grubych blachach czołowych, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu niekonwencjonalnych układów śrub obejmujących wiele śrub w rzędzie. Aby wyizolować wrodzoną sztywność obrotową strefy węzła, wszystkie próbki skonfigurowano bez dodatkowych żeber usztywniających środnik słupa. Macierz eksperymentalna analizowała dwie różne hierarchie zniszczenia: (1) konfigurację słaby słup/silna belka (słup HEA300; belka HEB300) oraz (2) konfigurację o zrównoważonej sztywności (słup i belka HEB300).

Badania te uzupełniono ukierunkowaną charakterystyką króćca teowego oraz wysokiej wierności analizą metodą elementów skończonych (MES). Po walidacji na podstawie danych eksperymentalnych i weryfikacji za pomocą ram Eurokodu 3 (EC3), modele MES wykorzystano do uzyskania szczegółowego wglądu w lokalne mechanizmy deformacji. Rys. 4 i 5 oraz Tabele 2 i 3 ilustrują porównanie nośności na zginanie i sztywności - eksperymentalnej, ROFEM, Steel Joints w RFEM z EC-3. Tabela 4 ilustruje mechanizmy zniszczenia.

Porównanie nośności na zginanie – Eksperyment, ROFEM, Steel Joints w RFEM i EC-3

Porównanie nośności na zginanie – eksperymentalne, ROFEM, połączenia stalowe w RFEM i EC-3

Porównanie sztywności – Eksperymentalna, ROFEM, Węzły stalowe w RFEM i EC-3

Porównanie sztywności – Eksperyment, ROFEM, Połączenia stalowe w RFEM i EC-3

Tabela 2: Porównanie nośności na zginanie, sztywności - eksperymentalnej, ROFEM, Steel Joints w RFEM i EC-3-1-8.

Badania eksperymentalne
Próbka	Liczba śrub	Moment kN m, M_j.R	Sztywność początkowa S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	193,5	26,34
T2A	6	122,1	12,35
T3A	8	109,8	14,27
T1B	12	262,4	22,31
T2B	6	196,4	17,58
T3B	8	161,3	27,28

Metoda składnikowa EC3-1-8
Próbka	Liczba śrub	Moment kN m, M_j.R	Sztywność początkowa S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	114	33
T2A	6	108,8	27,42
T3A	8	64,7	18,87
T1B	12	162,6	41,83
T2B	6	156,5	38,96
T3B	8	81,1	23,82

ROFEM
Próbka	Liczba śrub	Moment kN m, M_j.R	Sztywność początkowa S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	179,3	19,5
T2A	6	107,3	9,14
T3A	8	96,9	5,81
T1B	12	261,9	23,8
T2B	6	190,2	17,67
T3B	8	177	16,36

RFEM Steel Joints
Próbka	Liczba śrub	Moment kN m, M_j.R	EC-3/RFEM
T1A	12	154,57	0,74
T2A	6	115,42	0,94
T3A	8	97,13	0,67
T1B	12	197,5	0,82
T2B	6	172,8	0,91
T3B	8	137,63	0,59

Tabela 3: Porównanie sztywności.

RFEM Steel Joints
Próbka	Liczba śrub	Sztywność początkowa S_j,ini (MNm/rad)	EC-3/RFEM
T1A	12	13,4	2,46
T2A	6	8,2	3,34
T3A	8	11,5	1,64
T1B	12	18,8	2,23
T2B	6	12,5	3,12
T3B	8	16,9	1,41

Tabela 4: Mechanizmy zniszczenia.

Próbka	EC-3	Steel Joints w RFEM	Eksperymenty
T1A	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa
T2A	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa
T3A	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa
T1B	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa
T2B	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa
T3B	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa	Zginanie półki słupa

Naprężenia Zastępcze I Odkształcenie Plastyczne Modelu T1A

Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne modelu T2A

Napreżenia Zastępcze i Odkształcenie Plastyczne Modelu T2A

Naprężenia zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu T3A

Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne modelu T3A

Naprężenia zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu T1B

Naprężenia Zastępcze i Odkształcenie Plastyczne Modelu T2B

Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne modelu T3B

Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu T1A

Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu T2A

Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu T3A

Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu T1B

Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu T2B

Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu T3B

Wnioski

Wstępne dane eksperymentalne wykorzystano do oceny możliwości zastosowania postanowień EN 1993-1-8 do Steel Joints. Zgodnie z wynikami raportowanymi dla konwencjonalnych elementów ze stali węglowej, stwierdzono, że model sztywności Eurokodu zawyża początkową sztywność obrotową, a przewidywania analityczne wykazują znaczny rozrzut w stosunku do wartości zmierzonych.

Wyniki eksperymentalne potwierdzają, że zarówno nośność na zginanie, jak i sztywność początkowa rosną wraz z liczbą śrub, przy czym próbki 12-śrubowe (T1A, T1B) konsekwentnie przewyższają odpowiedniki 6- i 8-śrubowe. Metoda składnikowa EC3-1-8 generalnie nie doszacowuje nośności na zginanie, jednocześnie przeszacowując sztywność początkową, najbardziej zauważalnie dla T1B (41,83 vs. 22,31 MNm/rad), co jest zgodne z trendem przeszacowania obserwowanym w EN 1993-1-8.

Wskaźniki EC-3/RFEM w zakresie od 0,59 do 0,94 wskazują na konserwatywne przewidywania nośności na zginanie metodą składnikową Eurokodu, przy czym niski wskaźnik dla T3B (0,59) sugeruje znaczne niedoszacowanie dla niektórych geometrii połączeń.

Referencje

1. Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych, część 1-8: Projektowanie węzłów. Norma Europejska EN 1993-1-8. Europejski Komitet Normalizacyjny, Bruksela, Belgia; 1993.
2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row, Engineering Structures, Volume 59, 2014, Pages 434-447, ISSN 0141-0296, 10.1016/j.engstruct.2013.10.042

;