Model analityczny
W niniejszym opracowaniu przyjęto kryteria projektowe określone w EN 1993-1-8 do oceny nośności śrub (na ścinanie i rozciąganie) oraz nośności blach (na docisk i przebicie), wykorzystując sformułowania stanów granicznych podane w Tabeli 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 minimalna wartość wynikająca z trzech potencjalnych mechanizmów zniszczenia.
Indywidualna nośność dla każdego mechanizmu jest obliczana na podstawie nośności plastycznej pasa przy zginaniu (Mpl,1,Rd i Mpl,2,Rd) oraz nośności na rozciąganie grupy śrub (∑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:
Momenty nośności plastycznej:
Szczegóły geometryczne połączenia belki ze słupem
Zgodnie ze standardową praktyką budowlaną, wszystkie belki i słupy wykonano ze stali S355, Q690 i Q960, natomiast blachy czołowe wykonano z gatunków o wyższej wytrzymałości Q690 i Q960. Konfiguracje geometryczne, w tym układy blach czołowych i grup śrub, przedstawiono na Rysunkach 2 i 3 oraz w odpowiadającej im macierzy badań eksperymentalnych.
Próbka JD1 (S355) wykorzystywała przekrój słupa HEM 300. Aby ocenić zachowanie hierarchii słaby słup/silna belka, zachowano jednolity przekrój belki HEA 320 oraz blachy czołowe S690 o grubości 10 mm. JD2 wykonano ze stali Q690, a JD3 ze stali Q960. Przekroje belki i słupa wynosiły odpowiednio 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 i M27 klasy 10.9.
Dyskusja
Rozwiązanie Steel Joints dla RFEM
W niniejszym opracowaniu przedstawiono eksperymentalne i numeryczne badania zachowania konstrukcyjnego trzech rozszerzonych, doczołowych połączeń belki ze słupem ze stali o wysokiej wytrzymałości.
Program eksperymentalny został uzupełniony przez ukierunkowaną charakterystykę króćców teowych oraz analizę metodą elementów skończonych (MES) o wysokiej wierności. Projekt połączenia został w pełni zintegrowany z głównym modelem konstrukcyjnym przy użyciu opartego na MES dodatku Steel Joints dla RFEM 6. Po walidacji względem danych eksperymentalnych i weryfikacji w ramach normy Eurokod 3 (EC3), modele MES zostały wykorzystane do uzyskania szczegółowego wglądu w lokalne mechanizmy deformacji. Rys. 4 i 5 oraz Tabele 1 i 2 przedstawiają porównanie nośności na zginanie i sztywności z wyników eksperymentalnych, modułu Steel Joints w RFEM oraz EC3, natomiast Tabela 3 podsumowuje zaobserwowane mechanizmy zniszczenia.
| Próbki | Eksperyment | Steel Joints w RFEM | EC-3 | EC-3/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 |
| Próbki | Eksperyment | Steel Joints w RFEM | EC-3 | EC-3/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 |
| 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 |
Wnioski
Zbadano trzy połączenia doczołowe na śruby (JD1–JD3), porównując eksperymenty z modelem RFEM Steel Joints i obliczeniami ręcznymi wg EC-3. W przypadku nośności na zginanie, wszystkie trzy metody wykazały dobrą zgodność. RFEM dopasował się ściśle do wyników testów (w granicach około 6%), a EC-3 dał bezpieczne, nieco konserwatywne wartości. Można zatem polegać na EC-3 przy projektowaniu nośności.
Główna różnica dotyczyła sztywności początkowej. RFEM dał rozsądne wartości, ale EC-3 znacznie przeszacował sztywność każdego połączenia — około 1,7 do 2,7 razy w stosunku do wartości zmierzonych. Sztywność wg EC-3 należy zatem stosować ostrożnie, zwłaszcza w sprawdzeniach stanu granicznego użytkowalności i ugięć.
Jeśli chodzi o mechanizmy zniszczenia, RFEM poprawnie przewidział to, co zaobserwowano w testach (uplastycznienie blachy czołowej ze zniszczeniem obu rzędów śrub), podczas gdy EC-3 przewidział prostszy mechanizm z pojedynczą śrubą. Podsumowując, RFEM jest niezawodnym narzędziem do przewidywania nośności, sztywności i mechanizmów zniszczenia połączeń i może zmniejszyć potrzebę przeprowadzania testów. EC-3 jest bezpieczny dla nośności, ale ma tendencję do przeszacowywania sztywności.