Сравнение DSTV с модулем Зазоры стальных соединений: Моментные соединения балка-колонна с торцевыми пластинами

Введение

Традиционные решения для узлов широко используются в стальном строительстве, где стандарт EN 1993-1-8 предписывает метод компонентов для проектирования. Этот метод может быть сложным, особенно для сложных конструкций, но такие ресурсы, как "Стандартизированные узлы в стальных конструкциях к DIN EN 1993-1-8", предоставляют предопределенные геометрии узлов с значениями сопротивления и жесткости, упрощая процесс.

В этой статье сравниваются результаты традиционных методов проектирования с данными, полученными с помощью передового подхода CBFEM в надстройке Steel Joints для RFEM 6, с использованием двух представительских конфигураций узлов для иллюстрации различий.

Анализируемый узел представляет собой моментно-устойчивое соединение для балок с I- или H-образным сечением и концевыми пластинами, собранное с вертикальными рядами высокопрочных болтов для надежного сопротивления нагрузке.

Концевые пластинчатые соединения имеют несколько вариаций настройки. В этой статье рассматриваются два варианта: удлиненная концевая пластина, которая выходит за границы балки и соединяется с колонной, и вровень концевая пластина, которая покрывает только область сечения балки и соединена с колонной.
Геометрия удлиненной концевой пластины, Тип A, взята из таблиц для моментно-устойчивых узлов IH [1], в то время как геометрия вровень концевой пластины, Тип B, выведена из таблиц для моментно-устойчивых узлов IM [3].

Выбранные геометрии узлов представлены в таблице ниже, вместе с их настройками.

Настройка геометрии для соединений тип А и тип В

¹ ус. - усилители

Аналитический подход

Таблицы сопротивления, приведенные в Стандартизированные узлы в стальных конструкциях к DIN EN 1993‑1‑8 [1] и Стальные конструкции к DIN EN 1993-1-8, Дополнительный том 2018 [3], действительны при следующих условиях: процедуры проверки являются эластично-эластичными или эластично-пластическими; преимущественно статические нагрузки; непрерывная колонна; равные высоты балок и положения для двусторонних соединений балка-колонна; колонны, балки и концевые пластины из S 235 или S 355 согласно DIN EN 1993 часть 1.1; сечения балок и колонн HEB, HEA, HEM, IPE прокатные сечения согласно DIN 1025 часть 2, 3, 4, и 5 и предыдущие евронормы EU 53-62 (серия HE) и EU 19-57 (IPE) соответственно.

Режимы разрушения и основные компоненты, влияющие на моментное сопротивление и жесткость, рассматриваемые для узлов типа A и типа B, включают (см. [2] 6.2.6.1 до 6.2.6.8): стенку колонны на сдвиг (CWS), стенку колонны на сжатие (CWC), обод балки и стенку на сжатие (BFC), стенку колонны на растяжение (CWT), фланец колонны на изгиб (CFB), стенку балки на растяжение (BWT), концевую пластину на изгиб (EPB) и болты на растяжение (BT).

Моментное сопротивление и начальная угловая жесткость соединений балка‑колонна как с удлиненными, так и с вровень концевыми пластинами были взяты из таблиц сопротивления, приведенных в [1] и [3].

Настройки узлов представлены в начале этой статьи, а значения моментного сопротивления и угловой жесткости суммированы в сравнительной таблице ниже.

Анализ на основе компонентов и конечных элементов

Проектирование соединения было выполнено с использованием дополнения Steel Joints для RFEM 6.
Надстройка Steel Joints позволяет анализировать соединения на основе модели конечных элементов. Ввод данных и оценка результатов полностью интегрированы в пользовательский интерфейс RFEM, делая процесс проектирования интуитивным и эффективным.

1. Моментно-устойчивые соединения с удлиненными концевыми пластинами

Ввод данных в дополнении Steel Joints
Настройки узлов представлены в начале этой статьи.

Результаты дополнения Steel Joints
Надстройка Steel Joints для RFEM 6 расширяет возможности программного обеспечения, позволяя инженерным специалистам анализировать стальные соединения с точностью модели конечных элементов (FE). Этот продвинутый инструмент облегчает детализированное отображение всех ключевых результатов непосредственно на модели конечных элементов, предлагая ясный и всеобъемлющий обзор производительности соединения под различными нагрузками и условиями. Таким образом, RFEM предоставляет более глубокое понимание поведения узлов и помогает оптимизировать проекты для безопасности и эффективности.

Подробное представление результатов дается только для узла типа A.1.

Моментное сопротивление
Моментное сопротивление для узла типа A.1 составляет 163.43 кНм.

Эквивалентные напряжения
Эквивалентные напряжения показывают общее распределение напряжений в соединении и помогают определить потенциальные точки разрушения, вызванные концентрациями напряжений. Они необходимы для оценки несущей способности соединения.

Тип А.1: Эквивалентные напряжения, изображённые на геометрии узла

Распределение напряжений в узле определяется механизмами передачи нагрузок и геометрией узла. Симметричная конфигурация помогает равномерно распределять усилия, хотя и встречаются локализованные концентрации напряжений. Фланцы балки и концевые пластины испытывают наибольшие напряжения, особенно около концевой пластины, где она соединена с фланцами балки и прикручена к колонне. Область в темно-красном цвете обозначает напряжения при пределе текучести стали. Стороны колонны, прилегающие к узлу, также испытывают значительные напряжения.

Пластическая деформация
Пластины в соединении спроектированы пластически и включают сравнение рассчитанной пластической деформации с допустимой пластической деформацией. Ограничивающая пластическая деформация составляет 5%, согласно EN 1993‑1‑5, Приложение C. Это значение принято по умолчанию в дополнении Steel Joints.

Тип A.1: Пластическая деформация на геометрии узла

Картина деформирования в узле тесно следует распределению напряжений. Концевая пластина показывает неоднородные картины деформации из-за эксцентричной передачи нагрузки, с концентрациями деформации вокруг отверстий для болтов, где возникают максимальные напряжения.
В общем, распределение деформации неоднородно, с более высокими пластическими деформациями в областях концентрации напряжений, достигающими до 0.5% в критических местах.

Коэффициенты проектирования на Steel Joint Add-on
Обзор коэффициентов проектирования представлен в следующей таблице.

Тип A.1: расчётные соотношения в стальных узлах

Угловая жесткость
Обзор значений угловой жесткости представлен в следующей таблице.

Тип A.1: Жёсткость на кручение

Узел демонстрирует два значения угловой жесткости из-за его асимметричной природы. Моменты, действующие как вверх, так и вниз, вызывают различные реакции жесткости. В результате угловая жесткость варьируется в зависимости от направления приложенного момента, отражая несимметричное поведение узла.

2. Моментно-устойчивые соединения с вровень концевыми пластинами

Ввод данных в дополнении Steel Joints
Настройки узлов представлены в начале этой статьи.
Проектирование соединения было выполнено с использованием дополнения Steel Joints для RFEM 6.

Результаты дополнения Steel Joints
Подробное представление результатов дается только для узла типа B.1.

Моментное сопротивление
Моментное сопротивление для узла типа B.1 составляет 94.09 кНм.

Тип B.1: Приведённые напряжения на геометрии узла

Тип B.1: пластическая деформация, показанная на геометрии узла

Коэффициенты проектирования и угловая жесткость
Обзор коэффициентов проектирования и угловой жесткости узла представлен в следующих таблицах.

Тип B.1: Расчётные отношения в аддоне Стальные соединения

Тип B.1: Жёсткость на поворот

Обсуждение

Были проведены несколько расчетов для анализа: один для узла с профилем балки HEA и один с профилем балки IPE. Эти геометрии были смоделированы с использованием дополнения Steel Joints. Результаты расчетов - как аналитического, так и на основе метода CBFEM - представлены ниже.

Сравнение между аналитическим методом и современным подходом CBFEM показывает, что результативные показатели в целом хорошо согласованы.
Для узлов типа A разница в моментном сопротивлении варьируется от 5.96% до 7.25%, при этом добавление Steel Joints предоставляет несколько более высокие значения из-за более детализированной оценки моментного сопротивления узла.
Для узлов типа B разницы в моментном сопротивлении менее значительны, варьируясь от 0.53% до 0.65%, что указывает на отличное согласие между двумя методами.

Угловая жесткость показывает более значительные вариации по всему спектру узлов. Для узлов типа A разница в жесткости составляет от 3.96% до 20.6%. Более значительная разница предполагает, что подход CBFEM предоставляет более детализированное и точное представление углового поведения, улавливая более сложные взаимодействия внутри узла.
Для узлов типа B различия еще более значительны, с вариациями в 22.34% и 23.7%. Эти более значительные различия указывают, что в дополнении Steel Joints учитываются более сложные аспекты поведения узла, такие как распределение нагрузки и деформации, которые упрощенный аналитический метод не полностью охватывает.

Когда достигается моментная емкость в узлах типа A, АН показывает, что концевые пластины испытывают пластические деформации, в то время как крепежи достигают своего сопротивления. Это соответствует режимам разрушения из справочной литературы. Сварка также находится на пределе своей емкости.
Что касается узлов типа B, моментное сопротивление, достигнутое в АН во всех оцененных частях, равномерно используется, т.е. крепежи, концевые пластины и сварка. Это означает, что узел хорошо спроектирован. Явно видны высокие пластические деформации в концевых пластинах.

В заключение, дополнение Steel Joints предоставляет точный и детализированный подход, особенно для сложных конфигураций узлов.

Ссылки

[1] Стандартизированные узлы в стальных конструкциях к DIN EN 1993-1-8, Полное издание 2013
[2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций Часть 1-8: Проектирование узлов. Немецкий вариант EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[3] Стандартизированные узлы в стальных конструкциях к DIN EN 1993-1-8, Дополнительный том 2018. Моментно-устойчивые узлы IM