40x

002077

2026-09-03

Zachowanie połączeń śrubowych z blachą czołową z usztywnieniami lub bez nich w module Połączenia stalowe dla RFEM

Przetestowano eksperymentalnie i ponownie oceniono cztery śrubowe połączenia belki ze słupem z blachą czołową (BC1-BC4, słup HEA 120, belka IPE 240, stal S235) za pomocą rozszerzenia Steel Joints dla RFEM 6 oraz obliczeń ręcznych według EN 1993-1-8. W artykule porównano nośność przy zginaniu i początkową sztywność obrotową uzyskane wszystkimi trzema metodami oraz przedstawiono równania składowych teownika stanowiące podstawę obliczeń.

To badanie weryfikuje dodatek Połączenia stalowe dla RFEM poprzez analizę zachowania konstrukcyjnego połączeń na blachę czołową na śruby, zarówno usztywnionych, jak i nieusztywnionych. Zachowanie tych połączeń jest oceniane zgodnie z wytycznymi projektowymi Eurokodu 3 (EC-3) i walidowane poprzez porównanie z wcześniej przeprowadzonymi badaniami eksperymentalnymi.

Model analityczny

W niniejszym badaniu 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 teownika jest oceniana niezależnie dla blachy czołowej i pasa słupa. Dla każdego komponentu miarodajna nośność obliczeniowa F_T,Rd jest definiowana jako wartość minimalna wynikająca 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 króćca teowego (wartość miarodajna z trzech mechanizmów zniszczenia)

Nośność dla poszczególnych mechanizmów jest obliczana na podstawie nośności plastycznej pasa (M_pl,1,Rd i M_pl,2,Rd) oraz nośności na rozciąganie grupy śrub (∑F_t,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:

F_{T, 1, Rd} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) \cdot M_{pl, 1, Rd}}{2 mn - e_{w} (m + n)}

Odporność króćca teowego – mechanizm zniszczenia 1 (całkowite uplastycznienie półki)

F_{T, 2, Rd} = \frac{2 \cdot M_{pl, 2, Rd} + n \cdot (\sum F_{t, Rd})}{(m + n)}

Odporność króćca teowego – mechanizm zniszczenia 2 (zniszczenie śrub z uplastycznieniem półki)

F_{T, 3, Rd} = \sum F_{t, Rd}

Odporność króćca teowego – Mechanizm zniszczenia 3 (Zerwanie śrub)

Sztywność początkowa połączenia jest określona wzorem:

S_{j, ini} = \frac{E \cdot z^{2}}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{k_{i}}}

Początkowa sztywność obrotowa połączenia

Rys. 1 Model mechaniczny Połączenia według EC-3 i mechanizmy zniszczenia komponentów typu króciec teowy

Rys. 1 Model mechaniczny Połączenia według EC-3 i schematy zniszczenia komponentów króćca teowego

Szczegóły geometryczne połączenia belki ze słupem

Zgodnie ze standardową praktyką konstrukcyjną, wszystkie elementy belek i słupów wykonano ze stali S235. Konfiguracje geometryczne, w tym rozmieszczenie blach czołowych i grup śrub, przedstawiono na rysunku 2, natomiast macierz badań eksperymentalnych i zmierzone właściwości materiałowe zestawiono w tablicy 1. Zgodnie z definicją w macierzy badań, próbki grupy A (1BC-4BC) składały się ze słupa HEA 120 połączonego z belką IPE 240, przy czym we wszystkich próbkach zachowano jednakową grubość blachy czołowej wynoszącą 15 mm.

Tabela 1 Konfiguracja geometryczna badanych próbek
Próbki	Słup	Gatunek stali	Belka	Gatunek stali	Grubość blachy czołowej, mm
BC1	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC2	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC3	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC4	HEA120	S235	IPE240	S235	15

Rysunek 2 Konfiguracja próbek

Dyskusja

Rozwiązanie Połączenia stalowe dla RFEM

W niniejszym badaniu przedstawiono połączone badania eksperymentalne i numeryczne zachowania konstrukcyjnego czterech połączeń belki ze słupem na blachę czołową, ze szczególnym uwzględnieniem zachowania połączeń na blachę czołową na śruby z usztywnieniami i bez usztywnień. Program eksperymentalny został uzupełniony dedykowanymi badaniami komponentów teownika oraz szczegółowym modelowaniem metodą elementów skończonych (MES). Projektowanie połączeń przeprowadzono przy użyciu dodatku Połączenia stalowe dla RFEM 6, w pełni zintegrowanego z globalnym modelem konstrukcyjnym. Modele MES zwalidowano na podstawie pomiarów eksperymentalnych i zweryfikowano względem wytycznych projektowych Eurokodu 3 (EC-3), a następnie wykorzystano do szczegółowej analizy lokalnego zachowania odkształceniowego. Rysunki 3 i 4 oraz tabele 2 i 3 porównują nośność na zginanie i sztywność obrotową uzyskane z badań eksperymentalnych, przewidywań dodatku Połączenia stalowe dla RFEM 6 oraz obliczeń analitycznych EC-3.

Rys. 3 Porównanie nośności na zginanie – doświadczalna, połączenia stalowe w RFEM i EC-3

Rys. 3 Porównanie momentu nośnego – badania doświadczalne, połączenia stalowe w RFEM i EC-3

Fig. 4 Comparison of Stiffness – Experimental, Steel Joints in RFEM and EC-3

Tabela 2 Porównanie nośności na zginanie - Eksperymenty, Połączenia stalowe w RFEM i EC-3 | Nośność na zginanie (kNm)
Próbki	Eksperymenty	Połączenia stalowe dla RFEM	EC-3	EC-3/RFEM
BC1	34,00	24,02	18,00	0,75
BC2	47,00	34,51	33,00	0,96
BC3	53,00	34,36	33,00	0,96
BC4	65,00	39,15	33,00	0,84

Tabela 3 Porównanie sztywności - Eksperymenty, Połączenia stalowe w RFEM i EC-3 | Sztywność początkowa S_j,ini (MNm/rad)
Próbki	Eksperymenty	Połączenia stalowe dla RFEM	EC-3
BC1	8,10	5,10	9,30
BC2	8,70	11,00	18,30
BC3	9,50	14,70	22,60
BC4	10,10	24,80	22,60

Rys. 5 Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne oraz współczynnik wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC1

Fig. 5 Naprężenie zastępcze i odkształcenie plastyczne oraz stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC1

Rys. 6 Naprężenia zastępcze i odkształcenie plastyczne oraz stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC2

Rys. 6 Naprężenia zastępcze, odkształcenia plastyczne, stopnie wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC2

Rys. 7 Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne oraz stopień wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC3

Rys. 7 Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne oraz współczynnik wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC3

Rys. 8 Naprężenia zastępcze i odkształcenia plastyczne oraz współczynnik wykorzystania i sztywność obrotowa modelu BC4

Wnioski

Porównanie pokazuje, że RFEM odwzorowuje zachowanie eksperymentalne dokładniej niż EC-3 zarówno w przypadku nośności na zginanie, jak i sztywności początkowej. EC-3 silniej niedoszacowuje nośność i utrzymuje stałą wartość 33,00 kNm dla próbek BC2-BC4 pomimo 40% wzrostu zmierzonej nośności, co wskazuje, że jego przewidywanie jest determinowane przez pojedynczy miarodajny warunek nośności komponentu, nieczuły na zróżnicowane parametry. W przypadku sztywności początkowej RFEM wykazuje niższe średnie odchylenie od eksperymentu (0,66) niż EC-3 (0,97) i jest jedyną metodą, która nadal śledzi rosnący trend sztywności dla próbek BC3-BC4, zamiast osiągać plateau. Przeszacowanie sztywności przez RFEM przy wyższych wartościach jest zgodne z ogólną tendencją modeli komponentowych do idealizowanej sztywności komponentów, a EC-3 wykazuje porównywalne lub większe przeszacowanie dla próbek BC2-BC3. Ogólnie rzecz biorąc, RFEM jest bardziej niezawodnym z dwóch narzędzi do odzwierciedlania trendów nośności i sztywności połączeń i jest zalecany jako podstawowa metoda weryfikacji, przy czym EC-3 pozostaje jako niezależna kontrola.

Literatura

Eurocode 3. Design of steel structures part 1-8: design of joints. European Standard EN 1993-1-8. European committee for standardization, Brussels, Belgium; 1993.
Abidelah, Anis & Bouchair, Abdelhamid & Kerdal, Djamel. (2012). Experimental and analytical behaviour of bolted end-plate connections with or without stiffeners. Journal of Constructional Steel Research.

;