002043

2026-03-27

Соединения из нержавеющей стали с аддоном Стальные соединения для RFEM

Данное исследование посвящено проверке стальных соединений, реализованной в RFEM для расчета соединений из нержавеющей стали. Конструктивное поведение и несущая способность этих соединений оцениваются в соответствии с положениями Eurocode 3 (EC 3) и сравниваются с исследовательской конечно-элементной моделью (ROFEM), которая ранее была верифицирована экспериментальными испытаниями (1).

Аналитическая модель

В данном исследовании приняты расчетные критерии, указанные в EN 1993-1-8:2006 (2), для оценки сопротивления болтов (срезу и растяжению) и сопротивления пластин (смятию и продавливанию) с использованием формулировок предельных состояний, приведенных в Таблице 3.4. Расчетное сопротивление эквивалентного Т-образного элемента оценивается независимо для торцевой пластины и компонентов полки колонны. Для каждого компонента определяющее расчетное сопротивление F_T,Rd определяется как минимальное значение из трех потенциальных механизмов разрушения.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Расчётная прочность Т-образного элемента и методы разрушения по EN 1993-1-8

Индивидуальное сопротивление для каждого механизма рассчитывается на основе пластической моментной несущей способности полки (M_pl,1Rd и M_pl,2,Rd) и сопротивления растяжению группы болтов (∑F_t,Rd). Эти механизмы учитывают полное пластическое течение полки (Механизм 1), разрушение болта в сочетании с пластическим течением полки (Механизм 2) и чистое разрушение болта (Механизм 3).

Механизмы разрушения:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Форма 1: Полное текучее состояние пояса

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Режим 2: разрушение болта в сочетании с текучестью фланца

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Форма 3: Чистое разрушение болта

Моменты пластического сопротивления:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Момент пластического сопротивления

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Пластический момент сопротивления

Иллюстрация, показывающая различные режимы разрушения элемента Т-образного стакана в строительстве конструкций.

1 Режимы предельного состояния элементов Т-образных стаканов

Введение Еврокода 3 (2) ознаменовало значительный прогресс в строительном проектировании, установив первую всеобъемлющую нормативную базу, специально посвященную расчету соединений. Часто цитируемые как основополагающий справочный материал для современных норм расчета стальных конструкций по предельным состояниям, его положения, в частности те, которые ранее были детализированы в Приложении J (теперь интегрированы в EN 1993-1-8), предоставляют аналитические методики (2) для узлов в каркасах зданий при преимущественно статическом нагружении, с акцентом на конфигурацию «балка-колонна».

Методика основана на компонентном методе — подходе механического моделирования, который идеализирует соединение как совокупность отдельных функциональных компонентов. Каждый компонент характеризуется эквивалентной упругой пружиной, определяемой ее уникальной трансляционной жесткостью и расчетным сопротивлением (3). Путем стратегической сборки этих пружин последовательно и параллельно в соответствии с топологией узла можно точно определить глобальную вращательную жесткость и моментную несущую способность соединения.

Модель конструкции, демонстрирующая соединения с помощью торцевой пластины и уголков на верху и внизу в соответствии с приложением J Еврокода 3

2 Пример модели по ЕК3, Приложение J для соединений с торцевой пластиной и с угольниками на пояса и стенку

Иллюстрация приложения J Еврокода 3, показывающая соединения на уголках по полкам и стенке в модели конструкции.

3 Расширение EC3 Приложение J для верхних и нижних уголков и фасонных уголковых соединений

Начальная жесткость соединения определяется по формуле:

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

E	Модуль упругости
z	Плечо рычага
k_i	Коэффициент жесткости i^th компонента
n	Количество основных компонентов соединения

Начальная жёсткость соединения

Для обеспечения достаточной пластической поворотной способности толщины торцевой пластины и уголковых накладок определялись в соответствии с верхним предельным диапазоном, предписанным EN 1993-1-8 (2). Такой выбор гарантирует, что поведение соединения остается достаточно пластичным для предполагаемого расчета конструкций.

t = 0.36 d \sqrt{\frac{f_{u, b}}{f_{y}}}

Формула

Геометрические детали соединения балки с колонной

В данном исследовании использовались сварные двутавровые сечения из нержавеющей стали — в частности, I 240 x 120 x 12 x 10 — как для балки, так и для колонны. Размеры поперечного сечения включали наружную высоту (h) 240 мм, ширину полки (b) 120 мм, толщину полки (t_f) 12 мм и толщину стенки (t_w) 10 мм. Для оценки типичного поведения конструкций были исследованы четыре широко применяемые конфигурации узлов: соединения с удлиненной торцевой пластиной (EEP), соединения с заподлицо расположенной торцевой пластиной (FEP), соединения на уголках по верхнему и нижнему поясу (TSAC) и соединения на уголках по верхнему, нижнему поясу и двойных уголках стенки (TSWAC).

Геометрические конфигурации четырех исследованных типов соединений показаны на Изображении [4] и в Таблице 1. Во всех образцах крепежные элементы состояли из полностью резьбовых болтов M16 класса A4-80 из нержавеющей стали (эквивалентных болтам класса 8.8 из углеродистой стали), установленных в отверстиях диаметром 18 мм с зазором. Для конфигураций TSAC и TSWAC верхние и нижние уголки были идентичны по геометрии, включая пространственное расположение болтовых отверстий.

Таблица 1: Геометрическая конфигурация испытанных образцов (2)

Расстояния согласно Изображению 4 (мм)
Образцы	t_c	t_p	t_a	p₁	p₂	e₁	e₂	L₁	L₂
FEP	12	8	-	65	65	25	-	-	-
EEP	12	8	-	110	100	25	-	-	-
TSAC-8	12	-	8	0	0	35	-	100	-
TSAC-10	12	-	10	0	0	25	-	100	-
TSWAC-8	12	-	8	0	0	35	25	100	55
TSWAC-10	12	-	10	0	0	25	25	100	60

Таблица 2: Свойства материалов (1)

Образцы	E	σ_0.2	σ_1.0	σ_u	ε _f
	(Н/мм²)	(Н/мм²)	(Н/мм²)	(Н/мм²)	%
I-240 × 120 × 12 × 10 - полка	196 500	248	306	630	66
I-240 × 120 × 12 × 10 - стенка	205 700	263	320	651	65
Уголковая накладка (8 мм)	197 600	280	344	654	55
Уголковая накладка (10 мм)	192 800	289	353,5	656	56
Торцевая пластина	198 000	282	343	655	54
Болт M16 (A4-80)	191 500	617	703	805	12

Подробности узлов соединений, использованных в испытанных образцах, представленных для расчёта конструкций.

4 Подробности узлов испытанных образцов

Обсуждение

Стальные узлы для решения в RFEM

С использованием аддона Steel Joints для RFEM 6, основанного на МКЭ, процесс расчета соединений был полностью интегрирован в основную расчетную модель. Благодаря унификации входных параметров и анализа результатов в среде RFEM рабочий процесс достиг значительного повышения как прозрачности, так и эффективности проектирования.

Во всех исследованных образцах предельная прочность и поворотная способность узлов определялись разрушением болтов. Благодаря высокой пластичности и выраженным характеристикам деформационного упрочнения, присущим компонентам из нержавеющей стали, моментное сопротивление демонстрировало непрерывную восходящую ветвь с увеличением деформации до достижения предела прочности крепежных элементов на растяжение или срез. Примечательно, что, хотя само разрушение болтов было по своей природе хрупким, системная реакция узлов оставалась преимущественно пластичной. Такое поведение объясняется тем, что разрыву болтов предшествовали обширные неупругие деформации и пластическое течение в других элементах соединения, а именно в торцевых пластинах и уголковых накладках полки/стенки. На Изображениях 5 и 6 и в Таблицах 3 и 4 показано сравнение моментного сопротивления и жесткости — экспериментальные данные, ROFEM, Steel Joints в RFEM с ЕК 3. В Таблице 5 показаны механизмы разрушения.

График, показывающий сравнение несущей способности по моменту из экспериментальных данных, программного обеспечения ROFEM, стальных узлов в RFEM и нормативных значений EC 3.

5 Сравнение моментов сопротивления – Экспериментальный, RFEM, Расчёт стыков в RFEM и EC 3

График, демонстрирующий сравнение жесткости между экспериментальным анализом, методом ROFEM и стальными соединениями на основе RFEM с использованием критериев EC-3.

6 Сравнение жёсткости – экспериментальная, RFEM, стальные соединения в RFEM и EC-3

Таблица 3: Сравнение моментного сопротивления — эксперимент, ROFEM, Steel Joints в RFEM и ЕК3

Моментная несущая способность (кНм) | M_j,R
Образцы	Эксперимент	ROFEM	Steel Joints в RFEM	ЕК3	ЕК3/CBFEM
FEP	40	40,5	40,5	18,6	0,46
EEP	42	43,8	45,23	27,2	0,60
TSAC-8	12	11,7	8,37	6,6	0,79
TSAC-10	23	21,8	13,03	11,1	0,85
TSWAC-8	39	41,6	25,65	19,25	0,75
TSWAC-10	55	53,2	27,27	30,3	1,11

Таблица 4: Сравнение жесткости — эксперимент, ROFEM, Steel Joints в RFEM и ЕК3

Начальная жесткость S_j,ini (МНм/рад)
Образцы	Эксперимент	ROFEM	Steel Joints в RFEM	ЕК3	ЕК3/CBFEM
FEP	3,91	4,00	5,00	5,74	1,15
EEP	4,46	5,20	3,30	9,36	2,84
TSAC-8	1,24	0,57	1,30	1,80	1,38
TSAC-10	1,52	1,01	2,00	2,52	1,26
TSWAC-8	1,92	2,39	2,20	5,24	2,38
TSWAC-10	2,77	2,88	2,70	6,14	2,27

Таблица 5: Механизмы разрушения

Механизмы разрушения
Образцы	ЕК-3	Steel Joints в RFEM	Эксперименты
FEP	Изгиб торцевой пластины	Разрушение болта при растяжении	Разрушение болта при растяжении
EEP	Изгиб торцевой пластины	Разрушение болта при растяжении	Разрушение болта при растяжении
TSAC-8	Изгиб полочного уголка	Разрушение болта при растяжении и срезе	Разрушение болта при растяжении и срезе
TSAC-10	Изгиб полочного уголка	Разрушение болта при растяжении и срезе	Разрушение болта при растяжении и срезе
TSWAC-8	Изгиб уголковой накладки	Разрушение болта при растяжении и срезе	Разрушение болта при растяжении и срезе (болт полочного уголка)
TSWAC-10	Изгиб уголковой накладки	Разрушение болта стенки при срезе	Разрушение болта при срезе (верхний болт, соединяющий уголок стенки со стенкой балки)

Анализ, показывающий эквивалентные напряжения и пластическую деформацию на торцевой пластине заподлицо.

7 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация торцевой пластины заподлицо (FEP)

Визуальное представление эквивалентных напряжений и распределения пластической деформации в конструктивной модели торцевой пластины заподлицо.

8 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация заподлицо торцевой пластины (FEP) | 2

Конечно-конечно! Оставьте текст для перевода, и я сразу переведу его на русский.

9 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация удлиненной торцевой пластины (EEP)

Визуальное представление эквивалентных напряжений и распределения пластической деформации в соединении с удлинённой торцевой пластиной стальной конструкции.

10 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация удлиненной торцевой пластины (EEP) | 2

Анализ соединения на верхнем и нижнем уголковом накладном элементе с отображением эквивалентных напряжений и распределения пластических деформаций в конструктивном узле.

11 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация угловой соединительной накладки верхнего и нижнего уголка (TSAC)

Анализ эквивалентных напряжений и пластической деформации в соединении уголковой накладки с верхним и нижним уголками в стальном узле конструкции.

12 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация соединения уголков верхнего и нижнего стержней (TSAC) | 2

Изображение показывает распределение эквивалентных напряжений и пластической деформации в узле соединения с верхним опорным уголком и двойной вертикальной накладкой в стальной конструкции.

13 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация соединения Top Seat and Double Web Cleat (TSWAC)

Анализ эквивалентных напряжений и пластической деформации в соединении с верхним опорным уголком и двойным стеновым уголком, визуализированный для оценки конструкции.

14 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация соединения верхнего опорного уголка и двойного ребра жесткости (TSWAC) | 2

Иллюстрация, показывающая коэффициенты расчёта и жёсткость вращения заподлицо расположенной торцевой пластины в расчётном анализе конструкций.

15 Расчетные коэффициенты и жесткость вращения торцевой плиты заподлицо (FEP)

Нагрузки и реакции на соединении с удлинённой торцевой пластиной с отображением коэффициентов использования и результатов анализа вращательной жёсткости.

16 Расчетные коэффициенты и вращательная жесткость удлиненной торцевой пластины (EEP)

Анализ эквивалентных напряжений и пластической деформации в соединении с верхним и нижним уголковым косынковым элементом. Детальный вид конечно-элементной модели TSAC.

17 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация верхнего и нижнего уголкового соединения косынки (TSAC)

Анализ коэффициентов использования и жесткости вращения для соединения с верхней опорной пластиной и двойной фасонкой на стенке в строительной инженерии.

18 Расчетные коэффициенты и жесткость вращения верхней опорной и двухсторонней ребровой накладки (TSWAC)

Вывод

На основе предварительных экспериментальных данных была оценена применимость положений EN 1993-1-8 к аддону Steel Joints. В соответствии с предыдущими наблюдениями для аналогов из углеродистой стали, модель жесткости Еврокода имела тенденцию завышать начальную вращательную жесткость, при этом прогнозы демонстрировали значительный разброс.

Аналитические модели прочности (TSWAC-10) показали соотношение больше 1,0 в отношении пластического моментного сопротивления как экспериментальных образцов, так и результатов моделирования CBFEM. Было выявлено критическое расхождение в отношении определяющего механизма разрушения: разрушение неизменно вызывалось отказом болтов, даже в конфигурациях, где Еврокод прогнозировал пластичное разрушение Т-образного элемента (Механизм 1 или 2), характеризующееся образованием пластических шарниров. Хотя Т-образные элементы развивали ожидаемые пластические деформации, выраженное деформационное упрочнение нержавеющей стали обеспечивало непрерывное увеличение напряжений в зонах текучести.

Ссылки

Elflah, M., Theofanous, M., Dirar, S., & Yuan, H. (2019). Behaviour of Stainless Steel Beam-to-Column Joints — Part 1: Experimental investigation. *Journal of Constructional Steel Research, 152*, 183–193.
Эльфлах, М., Теофанус, М., и Дирар, С. (2019). Поведение узлов соединения балки с колонной из нержавеющей стали. Часть 2: Численное моделирование и параметрическое исследование. Journal of Constructional Steel Research, 152, 194–212.
Weynard, K., Jaspart, J. P., & Steenhuis, M. (1995). Модель жёсткости пересмотренного Приложения J к Еврокоду 3, соединения в стальных конструкциях III: работа, прочность и расчёт. In 3-й Международный семинар по соединениям в стальных конструкциях. Тренто; Италия.

;