Analiza parametryczna połączeń blachą czołową z węzłami stalowymi dla programu RFEM

Niniejsze badanie waliduje rozszerzenie Połączenia stalowe dla RFEM, analizując wpływ średnicy śruby i grubości blachy czołowej na nośność i mechanizmy zniszczenia połączeń belka-słup z blachą czołową. Zachowanie konstrukcji i nośność tych połączeń są oceniane zgodnie z wytycznymi projektowymi Eurokodu 3 (EC-3), a wyniki są następnie porównywane z przewidywaniami modelu elementów skończonych opracowanego przy użyciu RFEM oraz badawczo zorientowanej metody elementów skończonych (ROFEM).

Model analityczny

W niniejszym badaniu 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 tabeli 3.4.

Nośność obliczeniowa równoważnego teownika jest oceniana niezależnie dla komponentów blachy czołowej i pasa słupa. Dla każdego komponentu miarodajna nośność obliczeniowa F_T,Rd jest definiowana jako wartość minimalna uzyskana z trzech potencjalnych mechanizmów zniszczenia.

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

Mechanizmy zniszczenia:

Plastyczne nośności momentowe:

1 Rys. 1 - Mechanizm zniszczenia T-kształtnego występu

Szczegóły geometryczne połączenia belki ze słupem

Sztywny pas został zamodelowany jako element sprężysty. Modele materiałowe S275 i S420 zostały przypisane odpowiednio do blachy czołowej i belki. Na potrzeby badania parametrycznego wybrano belkę reprezentującą typowy europejski profil o wymiarach w przybliżeniu odpowiadających przekrojowi IPE300, natomiast słup zamodelowano jako przekrój HEA300, zgodnie z ocenianymi postanowieniami Eurokodu. Wymiary belki i blachy czołowej pokazano na rys. 2. Zmiennymi uwzględnionymi w badaniu były średnice śrub 16 mm (M16), 20 mm (M20) i 24 mm (M24) oraz grubości blachy czołowej (t_p) wynoszące 10 mm, 15 mm i 20 mm.

2 Rys. 2 - Konfiguracja blachy czołowej/śrub

Dyskusja

Rozwiązanie z użyciem rozszerzenia Połączenia stalowe dla RFEM

Niniejsze badanie przedstawia analizę numeryczną wpływu średnicy śruby i grubości blachy czołowej na nośność i mechanizmy zniszczenia rozszerzonych stalowych połączeń belka-słup z blachą czołową. Zbadano zachowanie konstrukcyjne dziewięciu takich połączeń.

Wyniki badania parametrycznego podsumowano w tabeli 1, a odpowiadające im nośności na zginanie pokazano na rys. 3. Zwiększenie grubości blachy czołowej skutkowało wyższymi plastycznymi i granicznymi nośnościami momentowymi. Jednak gdy nośność na zginanie belki spadła poniżej nośności połączenia, dalsze zwiększanie grubości blachy czołowej nie miało wpływu na nośność całkowitą. Ten sam trend zaobserwowano dla średnicy śruby. Tabela 2 przedstawia mechanizmy zniszczenia.

3 Rys. 3 - Porównanie nośności momentowej – Połączenia stalowe dla RFEM i EC-3

4 Rys. 4 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M16-tp-10mm oraz kontrola obliczeń

5 Rys. 5 - Naprężenie zastępcze i Odkształcenie plastyczne modelu M16-tp-15mm oraz kontrola obliczeń.

6 Rys. 6 - Naprężenie zastępcze i Odkształcenie plastyczne modelu M16-tp-20mm oraz kontrola obliczeń.

7 Rys. 7 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M20-tp-10mm oraz kontrola obliczeń.

8 Rys. 8 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M20-tp-15mm oraz kontrola obliczeń.

9 Rys. 9 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M20-tp-20mm oraz kontrola obliczeń.

10 Rys. 10 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M24-tp-10mm oraz kontrola obliczeń.

11 Rys. 11 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M24-tp-15mm oraz kontrola obliczeń.

12 Rys. 12 - Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne modelu M24-tp-20mm oraz kontrola obliczeń.

Wnioski

Trzy metody – szczegółowy model MES (ROFEM), oparte na komponentach składowych rozszerzenie Połączenia stalowe w RFEM oraz metoda komponentów składowych EC-3 (EN 1993-1-8) – porównano dla dziewięciu śrubowych połączeń z blachą czołową (śruby M16/M20/M24 × blachy 10/15/20 mm).

Stosunek EC-3/RFEM jest zależny od grubości blachy i rośnie monotonicznie w obrębie każdej grupy śrub: EC-3 znacząco niedoszacowuje nośności dla blach 10 mm (0,71–0,76), ale przewyższa RFEM dla blach 20 mm (1,01–1,20). Przyczyna jest mechaniczna – cienkie blachy ulegają zniszczeniu przez ciągliwe uplastycznienie blachy (Mechanizm 1), podczas gdy metody MES uwzględniają działanie membranowe i umocnienie odkształceniowe, które model teownika EC-3 pomija.

W miarę pogrubiania blachy i gdy śruba staje się słabszym komponentem, ta różnica zanika. W przypadku mechanizmów zniszczenia ROFEM i RFEM są zgodne dla każdej próbki; EC-3 zgadza się co do komponentu dominującego, ale ma tendencję do sygnalizowania mechanizmów łączonych (1 i 2, 2 i 3). Wzorzec jest zgodny z klasyczną teorią teownika: grubsze blachy przesuwają zniszczenie w kierunku kontroli przez śruby, podczas gdy większe śruby utrzymują połączenie w ciągliwym Mechanizmie 1.

Sztywność początkowa połączenia z blachą czołową rośnie wraz ze wzrostem średnicy śruby lub grubości blachy czołowej. Eurokod przewiduje mechanizmy zniszczenia takich połączeń z dużą dokładnością.