002060

2026-06-23

Анализ соединений из высокопрочной стали и соединений с торцевой пластиной с помощью надстройки Steel Joints для RFEM

В данном исследовании представлен расчет стального узла, реализованный в RFEM, для анализа соединений из высокопрочной стали, состоящих из профильных сечений и торцевых пластин. Работа конструкций и несущая способность этих узлов оцениваются в соответствии с расчетными положениями Еврокода 3 (EC3) и затем сравниваются с прогнозами модели конечных элементов, разработанной в RFEM, которая ранее была валидирована по данным экспериментальных испытаний.

Аналитическая модель

В данном исследовании приняты расчетные критерии, указанные в EN 1993-1-8, для оценки сопротивления болтов (срез и растяжение) и сопротивления пластин (смятие и продавливание), с использованием формулировок предельных состояний, приведенных в Таблице 3.4.

Расчетное сопротивление эквивалентного таврового фланца оценивается независимо для торцевой пластины и компонентов полки колонны. Для каждого компонента определяющее расчетное сопротивление F_T,Rd определяется как минимальное значение, полученное 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})

Расчетное сопротивление

Индивидуальное сопротивление для каждого режима рассчитывается на основе пластического момента сопротивления полки (M_pl,1,Rd и M_pl,2,Rd) и сопротивления растяжению группы болтов (∑F_t,Rd). Эти режимы учитывают полное пластическое деформирование полки (Режим 1), разрушение болта совместно с пластическим деформированием полки (Режим 2) и чистое разрушение болта (Режим 3).

Режимы 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)}

Полный фланцевый пластический шарнир

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

Отказ болта в сочетании с текучестью полки

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

Чистый разрыв болта

Пластические моменты сопротивления:

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

Пластические моменты сопротивления. Часть 1

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

Пластические моменты сопротивления. Часть 2

Принципиальная схема, иллюстрирующая три режима выхода из работы таврового соединения: Режим 1 — полное пластическое деформирование полки, Режим 2 — совместное разрушение болтов и пластическое деформирование полки, Режим 3 — чистое разрушение болтов.

1 Режимы выхода из работы Т-образного элемента

Геометрические детали соединения балки с колонной

В соответствии со стандартной практикой строительства все элементы балок и колонн были изготовлены из сталей S355, Q690 и Q960, тогда как для торцевых пластин использовались более высокопрочные марки Q690 и Q960. Геометрические конфигурации, включая расположение торцевой пластины и групп болтов, показаны на Изображениях 2 и 3, а также в соответствующей матрице экспериментальных испытаний.

Образец JD1 (S355) использовал сечение колонны HEM 300. Для оценки иерархии «слабая колонна / сильная балка» было сохранено единое сечение балки HEA 320 вместе с торцевыми пластинами из S690 толщиной 10 мм. JD2 был изготовлен из стали Q690, а JD3 — из стали Q960. Сечения балки и колонны составляли H300×180×10×12 и H340×200×10×12 для JD2, а также H250×180×10×12 и H300×200×10×12 для JD3. Использовались болты M24 класса 8.8 и M27 класса 10.9.

Техническая схема, иллюстрирующая конфигурацию торцевой пластины и болтов для соединения JD1, с указанием расположения болтов, размеров и расстояний для проектирования стальных конструкций.

2 Конфигурация опорной плиты/болтов JD1

Технический чертёж, показывающий конфигурацию торцевой пластины и болтов для соединений JD2 и JD3, с указанием размеров, классов болтов и расположения рядов.

3 Конфигурация опорной плиты/болтов JD2 и JD3

Обсуждение

Стальные узлы для решения RFEM

В данном исследовании представлено экспериментальное и численное исследование конструктивных характеристик трех расширенных соединений балки с колонной на высокопрочных стальных торцевых пластинах.

Экспериментальная программа была дополнена целенаправленной характеристикой таврового фланца и высокоточным конечно-элементным (КЭ) анализом. Проектирование соединения было полностью интегрировано в основную расчетную модель с использованием аддона Steel Joints для RFEM 6, основанного на МКЭ. После валидации по экспериментальным данным и проверки в рамках Еврокода 3 (EC3) КЭ-модели были использованы для получения детального представления о локальных механизмах деформирования. На Изображениях 4 и 5 и в Таблицах 1 и 2 представлено сравнение моментного сопротивления и жесткости между экспериментальными результатами, аддоном Steel Joints в RFEM и EC3, а в Таблице 3 обобщены наблюдаемые режимы разрушения.

Гистограмма сравнивает несущую способность по моменту в кН·м для трёх конфигураций стальных узлов (JD1, JD2, JD3) на основе экспериментальных данных, расчёта RFEM Steel Joints и норм проектирования EC3.

4 Сравнение момента сопротивления – Эксперимент vs. Стальные узлы в RFEM и EC3

Гистограмма, сравнивающая значения начальной жёсткости из экспериментов, расчёта стальных соединений в RFEM и вычислений по EC3 для трёх различных конфигураций соединений.

5 Сравнение жёсткости – Эксперимент vs. Стальные соединительные узлы в RFEM и EC3

Таблица 1: Сравнение моментного сопротивления – Эксперимент vs. Steel Joints в RFEM и EC-3 | Несущая способность по моменту (кНм)
Образцы	Эксперимент	Steel Joints в RFEM	EC3	EC3/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

Таблица 2: Сравнение жесткости – Эксперимент vs. Steel Joints в RFEM и EC3 | Начальная жесткость Sj,ini (МНм/рад)
Образцы	Эксперимент	Steel Joints в RFEM	EC3	EC3/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

Таблица 3: Режимы разрушения
Образцы	EC-3	Steel Joints в RFEM	Эксперимент
JD1	Торцевая пластина и болт	Торцевая пластина и болты рядов 1 и 2	Торцевая пластина и болты рядов 1 и 2
JD2	Торцевая пластина и болт	Торцевая пластина и болты рядов 1 и 2	Торцевая пластина и болты рядов 1 и 2
JD3	Торцевая пластина и болт	Торцевая пластина и болты рядов 1 и 2	Торцевая пластина и болты рядов 1 и 2

Результаты расчёта, показывающие эквивалентные напряжения по фон Мизесу и эквивалентные пластические деформации для модели стального узла, визуализированные с помощью цветных поверхностных графиков.

6 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели JD1

Результаты конечно-элементного анализа, показывающие эквивалентные напряжения по фон Мизесу и пластические деформации для модели стального узла. Визуализация отображает распределение напряжений и локализованные пластические деформации в зоне соединения под приложенной нагрузкой.

7 Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели JD2

8 Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели JD3

Таблица, показывающая коэффициенты расчётных проверок для компонентов плиты, болтов и сварных швов, а также вычисленные значения жёсткости на кручение для узлового соединения конструкции.

9 Расчётное соотношение и поворотная жёсткость модели JD1

Таблица, показывающая проверки предельного состояния по несущей способности для компонентов пластины, болтов и сварных швов, включая расчётные значения вращательной жёсткости для соединяемых элементов.

10 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели JD2

Таблица с коэффициентами расчётных проверок для пластин, болтов и угловых швов, а также рассчитанными значениями жёсткости на кручение для элементов соединения в расчёте конструкций.

11 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели JD3

Выводы

Три болтовых соединения на торцевых пластинах (JD1–JD3) были исследованы путем сравнения экспериментов с моделью RFEM Steel Joints и ручным расчетом по EC3. По моментному сопротивлению все три метода хорошо согласуются. RFEM точно совпал с результатами испытаний (в пределах около 6%), а EC3 дал безопасные, слегка консервативные значения. Таким образом, EC3 можно доверять для расчета по прочности.

Основное различие заключалось в начальной жесткости. RFEM дал разумные значения, но EC3 значительно переоценил жесткость каждого узла — примерно в 1,7–2,7 раза по сравнению с измеренными значениями. Поэтому жесткость по EC3 следует использовать с осторожностью, особенно при проверках по эксплуатационной пригодности и прогибам.

Что касается режимов разрушения, RFEM правильно предсказал наблюдаемое в испытаниях (пластическое деформирование торцевой пластины с разрушением обоих рядов болтов), тогда как EC3 предсказал более простой режим с одним болтом. В итоге RFEM является надежным инструментом для прогнозирования сопротивления, жесткости и разрушения узлов и может сократить потребность в испытаниях. EC3 безопасен для оценки прочности, но имеет тенденцию переоценивать жесткость.

Ссылки

Европейский комитет по стандартизации (CEN). (1993). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8: Проектирование соединений (EN 1993-1-8). Брюссель, CEN.
Цян, X., У, Н., Ло, Ю., Цзян, X., & Бейлард, Ф. (2018). Экспериментальное и теоретическое исследование высокопрочных стальных соединений с выступающей торцевой пластиной после пожара. International Journal of Steel Structures, 18(2), 609–634. https://doi.org/10.1007/s13296-018-0020-3
Жирау Коэлью, А. М., & Бейлард, Ф. С. К. (2007). Экспериментальное поведение торцевых соединений из высокопрочной стали. Journal of Constructional Steel Research, 63(9), 1228–1240. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2006.11.010

;