Powrót do Bazy informacji
5x
002060
2026-06-23

Analiza połączeń z kształtowników ze stali o wysokiej wytrzymałości oraz połączeń z blachą czołową za pomocą rozszerzenia Połączenia stalowe dla programu RFEM

W niniejszym opracowaniu przedstawiono projekt węzła stalowego zaimplementowany w programie RFEM do analizy połączeń ze stali o wysokiej wytrzymałości obejmujących profile i blachy czołowe. Zachowanie konstrukcyjne i nośność tych węzłów oceniono zgodnie z wytycznymi projektowymi Eurokodu 3 (EC3), a następnie porównano z przewidywaniami modelu metodą elementów skończonych opracowanego w programie RFEM, który wcześniej zweryfikowano na podstawie danych z badań eksperymentalnych.

Model analityczny

W niniejszym opracowaniu przyjęto kryteria projektowe określone w normie 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 pasa słupa. Dla każdego komponentu miarodajna nośność obliczeniowa FT,Rd jest definiowana jako wartość minimalna wynikająca z trzech potencjalnych mechanizmów zniszczenia.

FT,Rd=min(FT1,Rd,FT2,Rd,FT3,Rd)
Główna Nośność Obliczeniowa

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

Mechanizmy zniszczenia:

FT1, Rd  = (8n - 2ew) * Mpl, 1, Rd2mn - ew * (m + n)
Complete Flange Yielding

FT2, Rd  = 2Mpl, 2, Rd + n(∑Ft, Rd)(m + n)
Uszkodzenie śruby połączone z uplastycznieniem kołnierza

FT3, Rd  = ∑Ft, Rd
Czyste Zerwanie Śruby

Nośności plastyczne:

Mpl, 1, Rd = 0.25∑leff,1 * tf2 * fyγMO
Plastikowe Momenty Nośności. Część 1

Mpl, 2, Rd = 0.25∑leff,2 * tf2 * fyγMO
Plastikowe Wskaźniki Wytrzymałości. Część 2

Schematyczny diagram ilustrujący trzy mechanizmy zniszczenia połączenia teowego: Mechanizm 1 – całkowite uplastycznienie pasa, Mechanizm 2 – jednoczesne zniszczenie śrub i uplastycznienie pasa oraz Mechanizm 3 – czyste zniszczenie śrub.
1 Tryb zniszczenia teownika

Szczegóły geometryczne połączenia belka-słup

Zgodnie ze standardową praktyką budowlaną wszystkie elementy belek i słupów wykonano ze stali S355, Q690 i Q960, natomiast blachy czołowe zastosowano ze stali o wyższej wytrzymałości Q690 i Q960. Konfiguracje geometryczne, w tym układ blach czołowych i grup śrub, przedstawiono na rysunkach 2 i 3 oraz w odpowiadającej im macierzy badań doświadczalnych.

Próbka JD1 (S355) wykorzystywała przekrój słupa HEM 300. Aby ocenić hierarchię słaby słup/silna belka, zastosowano jednolity przekrój belki HEA 320 wraz z blachami czołowymi S690 o grubości 10 mm. JD2 wykonano ze stali Q690, a JD3 ze stali Q960. Przekroje belki i słupa wynosiły H300×180×10×12 i H340×200×10×12 dla JD2 oraz H250×180×10×12 i H300×200×10×12 dla JD3. Zastosowano śruby M24 klasy 8.8 oraz M27 klasy 10.9.

Rysunek techniczny ilustrujący konfigurację blachy czołowej i śrub dla połączenia JD1, przedstawiający rozmieszczenie śrub, wymiary i odstępy do projektowania konstrukcji stalowych.
2 Konfiguracja blachy czołowej/śrub JD1
Rysunek techniczny przedstawiający blachę czołową i konfigurację śrub dla połączeń JD2 i JD3, ze szczegółowymi wymiarami, klasami śrub i rozmieszczeniem rzędów.
3 Konfiguracja blachy czołowej/śrub JD2 i JD3

Dyskusja

= Połączenia stalowe w rozwiązaniu RFEM

W niniejszym opracowaniu przedstawiono badania doświadczalne i numeryczne zachowania konstrukcyjnego trzech rozszerzonych połączeń belka-słup z blachą czołową ze stali o wysokiej wytrzymałości.

Program doświadczalny został uzupełniony o ukierunkowaną charakterystykę króćców teowych oraz analizę metodą elementów skończonych (MES) o wysokiej wierności. Projektowanie połączenia zostało w pełni zintegrowane z głównym modelem konstrukcyjnym przy użyciu dodatku Steel Joints dla RFEM 6 opartego na MES. Po walidacji względem danych doświadczalnych i weryfikacji w ramach Eurokodu 3 (EC3) modele MES wykorzystano do uzyskania szczegółowego wglądu w lokalne mechanizmy deformacji. Rysunki 4 i 5 oraz tabele 1 i 2 przedstawiają porównanie nośności na zginanie i sztywności pomiędzy wynikami doświadczalnymi, dodatkiem Steel Joints w RFEM i EC3, natomiast tabela 3 podsumowuje zaobserwowane mechanizmy zniszczenia.

Wykres słupkowy porównuje nośność momentową w kNm dla trzech konfiguracji węzłów stalowych (JD1, JD2, JD3) na podstawie danych eksperymentalnych, analizy RFEM Steel Joints oraz norm projektowych EC3.
4 Porównanie nośności na zginanie – badanie doświadczalne vs. stalowe węzły w programie RFEM i EC3
Wykres słupkowy porównujący wartości sztywności początkowej z eksperymentów, analizy połączeń stalowych RFEM oraz obliczeń EC3 dla trzech różnych konfiguracji połączeń.
5 Porównanie sztywności – badania eksperymentalne vs. połączenia stalowe w RFEM i EC3
Tabela 1: Porównanie nośności na zginanie – badania doświadczalne vs. Steel Joints w RFEM i EC-3 | Nośność na zginanie (kNm)
Próbki Eksperyment Steel Joints w RFEM EC3 EC3/RFEM
JD1 188,00 199,60 184,00 0,92
JD2 313,89 310,26 292,03 0,94
JD3 267,82 263,25 280,40 1,07

Tabela 2: Porównanie sztywności – badania doświadczalne vs. Steel Joints w RFEM i EC3 | Sztywność początkowa Sj,ini (MNm/rad)
Próbki Eksperyment Steel Joints w RFEM EC3 EC3/RFEM
JD1 19,90 10,00 34,30 1,72
JD2 26,27 29,00 68,82 2,37
JD3 17,36 20,60 47,46 2,30

Tabela 3: Mechanizmy zniszczenia
Próbki EC-3 Steel Joints w RFEM Eksperyment
JD1 Blacha czołowa i śruba Blacha czołowa i śruby rząd 1 i 2 Blacha czołowa i śruby rząd 1 i 2
JD2 Blacha czołowa i śruba Blacha czołowa i śruby rząd 1 i 2 Blacha czołowa i śruby rząd 1 i 2
JD3 Blacha czołowa i śruba Blacha czołowa i śruby rząd 1 i 2 Blacha czołowa i śruby rząd 1 i 2

Wyniki analizy przedstawiające zastępcze naprężenia von Misesa oraz zastępcze odkształcenia plastyczne dla modelu połączenia stalowego, zwizualizowane za pomocą kolorowych wykresów powierzchniowych.
6 Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu JD1
Wyniki analizy metodą elementów skończonych przedstawiające zastępcze naprężenia von Misesa oraz odkształcenia plastyczne dla modelu węzła stalowego. Wizualizacja pokazuje rozkład naprężeń oraz lokalne odkształcenia plastyczne w obszarze połączenia pod przyłożonym obciążeniem.
7 Naprężenia zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu JD2
Wyniki analizy metodą elementów skończonych przedstawiające zastępcze naprężenia von Misesa oraz odkształcenia plastyczne dla modelu połączenia stalowego, obrazujące rozkład naprężeń i zachowanie materiału pod obciążeniem.
8 Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne modelu JD3
Tabela przedstawiająca współczynniki wytężenia dla komponentów płyty, śruby i spoiny wraz z obliczonymi wartościami sztywności obrotowej dla połączenia konstrukcyjnego węzła.
9 Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu JD1
Tabela przedstawiająca obliczenia stanu granicznego nośności dla elementów blachy, śrub i spoin, wraz z obliczonymi wartościami sztywności obrotowej dla połączonych prętów.
10 Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu JD2
Tabela przedstawiająca współczynniki wytężenia dla płyt, śrub i spoin pachwinowych wraz z obliczonymi wartościami sztywności obrotowej dla elementów węzła w analizie konstrukcji.
11 Stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu JD3

Wnioski

Trzy połączenia śrubowe z blachą czołową (JD1–JD3) zbadano, porównując wyniki doświadczalne z modelem RFEM Steel Joints i obliczeniami ręcznymi według EC3. W zakresie nośności na zginanie wszystkie trzy metody wykazały dobrą zgodność. RFEM dobrze odpowiadał wynikom badań (w granicach około 6%), a EC3 dawał bezpieczne, nieco konserwatywne wartości. Można zatem polegać na EC3 w projektowaniu nośności.

Główna różnica dotyczyła sztywności początkowej. RFEM dawał rozsądne wartości, natomiast EC3 znacznie przeszacowywał sztywność każdego połączenia — około 1,7 do 2,7 razy w stosunku do wartości zmierzonych. Sztywność według EC3 należy zatem stosować z ostrożnością, zwłaszcza w kontroli stanu granicznego użytkowalności i ugięć.

W zakresie mechanizmów zniszczenia RFEM poprawnie przewidział to, co zaobserwowano w badaniach (uplastycznienie blachy czołowej z zniszczeniem obu rzędów śrub), podczas gdy EC3 przewidywał prostszy mechanizm z pojedynczą śrubą. Podsumowując, RFEM jest niezawodnym narzędziem do przewidywania nośności, sztywności i mechanizmów zniszczenia połączeń i może ograniczyć potrzebę wykonywania badań. EC3 jest bezpieczny w zakresie nośności, ale ma tendencję do przeszacowywania sztywności.

Odniesienia
  1. Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN). (1993). Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych Część 1–8: Projektowanie węzłów (EN 1993-1-8). Bruksela, CEN.
  2. Qiang, X., Wu, N., Luo, Y., Jiang, X. i Bijlaard, F. (2018). Experimental and Theoretical Study on High Strength Steel Extended Endplate Connections After Fire. International Journal of Steel Structures, 18(2), 609–634. https://doi.org/10.1007/s13296-018-0020-3
  3. Girão Coelho, A. M., & Bijlaard, F. S. K. (2007). Experimental behaviour of high strength steel end-plate connections. Journal of Constructional Steel Research, 63(9), 1228–1240. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2006.11.010
;