52x

002072

2026-08-12

Оценка нечущей способности соединений с торцевой пластиной и стальных узлов для RFEM

Четыре укрупненных узла соединения балки с колонной с фланцевой пластиной (FS1–FS4, сталь S355/S690) были испытаны экспериментально и оценены с помощью аддона Стальные соединения для RFEM 6, а также ручного расчета по EN 1993-1-8 (Еврокод 3). В статье сравниваются моментная несущая способность и начальная вращательная жесткость, полученные тремя методами, и приводятся расчетные уравнения для компонента «Т-образный фланец».

В данном исследовании оценивается проектирование стальных узлов для RFEM путём изучения характеристик пластичности и режимов выхода из работы соединений балки с колонной с выступающей торцевой пластиной. Работа конструкции и несущая способность этих соединений анализируются в соответствии с расчётными положениями, указанными в Еврокоде 3 (EC3), а полученные прогнозы впоследствии подтверждаются путём сравнения с моделью конечных элементов, разработанной с использованием Steel Joints для RFEM, а также с соответствующими экспериментальными данными.

Аналитическая модель

В данном исследовании приняты расчётные критерии, указанные в EN 1993-1-8, для оценки сопротивления болтов (сдвиг и растяжение) и сопротивления пластин (опора и продавливание) с использованием формулировок предельных состояний, приведённых в Таблице 3.4.

Расчётное сопротивление эквивалентного Т-образного элемента оценивается независимо для торцевой пластины и полки колонны. Для каждого компонента определяющее расчётное сопротивление F_T,Rd определяется как минимальное значение, полученное из трёх возможных 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 Т-образного элемента (определяющее значение из трех режимов выхода из работы)

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

Режимы выхода из работы:

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

Сопротивление таврового соединения – Режим выхода из работы 1 (Полный пластический изгиб полки)

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

Сопротивление таврового стыка – Схема разрушения 2 (Разрушение болта с текучестью полки)

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

Сопротивление Т-образного элемента – режим разрушения 3 (разрушение болта)

Пластические моменты сопротивления:

M_{pl, 1, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 1} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Пластический момент сопротивления полки (Форма разрушения 1)

M_{pl, 2, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 2} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Пластическая несущая способность полки по моменту (Режим выхода из работы 2)

Начальная жёсткость соединения определяется по формуле:

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

Начальная жёсткость на вращение соединения

Где E — модуль Юнга, z — плечо рычага, K_i — коэффициент жёсткости i-го компонента, а n — количество базовых компонентов узла.

Геометрические характеристики соединения балки с колонной

Все элементы балок и колонн были изготовлены из стали S355 в соответствии со стандартной строительной практикой. Торцевые пластины были изготовлены из стали S355 или S690. Геометрические характеристики, включая размеры торцевой пластины и компоновку групп болтов, показаны на Изображении 2, а матрица испытаний и измеренные свойства материалов представлены в Таблице 1.

Образцы FS1–FS4 использовали сечение колонны HEM 340 в паре с сечением балки IPE 300. Эта конфигурация была выбрана для изучения поведения по схеме «слабая колонна — сильная балка». Во всех четырёх образцах сечение балки оставалось постоянным — IPE 300, а толщина торцевой пластины составляла 10, 15, 20 и 10 мм для FS1, FS2, FS3 и FS4 соответственно.

Таблица 1: Геометрические и материальные характеристики испытанных образцов
Образцы	Колонна	Марка стали	Балка	Марка стали	Толщина торцевой пластины, мм	Марка стали
FS1	HEM340	S355	IPE300	S235	10	S355
FS2	HEM340	S355	IPE300	S235	15	S355
FS3	HEM340	S355	IPE300	S235	20	S355
FS4	HEM340	S690	IPE300	S235	10	S690

Технический чертёж типичного болтового соединения балки с колонной, показывающий балку IPE300, соединённую с колонной HE340M, с указанием подробных размеров и толщин пластин.

1 Типичное болтовое соединение балки с колонной

Технический чертёж соединения с удлинённой торцевой пластиной, показывающий расположение болтов и конфигурацию рёбер жёсткости для анализа стального узла.

2 a) Торцевая пластина/Болт, б) Конфигурация элемента жёсткости

Обсуждение

Решение Steel Joints для RFEM

С использованием аддона Steel Joints для RFEM 6 расчёт соединения был полностью интегрирован в основную расчётную модель. В данном исследовании представлено экспериментальное и численное исследование работы конструкции четырёх соединений балки с колонной с выступающей торцевой пластиной, с особым акцентом на оценку пластичности. Исследование было дополнено целевой характеризацией Т-образных элементов и высокоточным анализом методом конечных элементов (КЭ). Разработанные модели КЭ были валидированы по экспериментальным измерениям и проверены в соответствии с расчётной методикой Еврокода 3 (EC3), а затем использованы для получения детального представления о локальном деформационном поведении. На Изображениях 3 и 4, а также в Таблицах 2 и 3 представлены сравнения моментной несущей способности и жёсткости на кручение между экспериментальными результатами, прогнозами Steel Joints для RFEM 6 и аналитическими решениями по EC3.

Гистограмма, сравнивающая несущую способность по моменту четырёх образцов стальных узлов на основе экспериментальных результатов, расчётного моделирования в RFEM с использованием аддона Steel Joints и расчётов по Еврокоду 3.

3 Сравнение момента сопротивления – Экспериментальное vs. Стальные узлы для RFEM и EC3

Столбчатая диаграмма, сравнивающая начальную жёсткость для четырёх тестовых случаев, показывает результаты экспериментов, программы Steel Joints для RFEM и вычислений по EC3.

4 Сравнение жесткости – Экспериментальные и стальные узлы для RFEM и EC3

Таблица 2: Сравнение моментной несущей способности – Эксперимент vs. Steel Joints для RFEM и EC-3-1-8 | Моментная несущая способность (кНм)
Образцы	Эксперименты	Steel Joints в RFEM	EC3
FS1	107,45	107,53	77,52
FS2	167,93	122,51	132,09
FS3	182,46	126,09	187,29
FS4	164,56	118,46	124,44

Таблица 3: Сравнение жёсткости – Эксперимент vs. Steel Joints для RFEM и EC-3-1-8 | Начальная жёсткость S_j,ini (МНм/рад)
Образцы	Эксперименты	Steel Joints для RFEM	EC3
FS1	17,51	29,20	34,66
FS2	22,69	38,30	46,76
FS3	22,39	43,50	51,76
FS4	16,66	29,20	32,77

Результаты конечно-элементного анализа, показывающие эквивалентные напряжения по фон Мизесу и эквивалентные пластические деформации для модели стального узла толщиной 1 мм.

5 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели FS-1mm

Конечноэлементный анализ стального узла с отображением эквивалентных напряжений по фон Мизесу и пластических деформаций под нагрузкой. Визуализация показывает распределение напряжений и деформации в зоне соединения.

6 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели FS-2mm

Конечно-элементный анализ стального узла, показывающий эквивалентные напряжения по фон Мизесу и эквивалентные пластические деформации при приложенных условиях нагружения.

7 Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели FS-3mm

8 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели FS-4mm

Таблица, показывающая коэффициенты расчётных проверок для компонентов пластины, болта и углового шва по предельному состоянию по несущей способности, наряду с рассчитанными значениями жёсткости на кручение для присоединённых элементов.

9 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели FS-1

Таблица, показывающая коэффициенты расчётных проверок для пластин, болтов и сварных швов, наряду с рассчитанными значениями жёсткости на кручение для узла стального соединения.

10 Расчётное соотношение и вращательная жёсткость модели FS-2

Таблица, отображающая коэффициенты расчётных проверок для пластин, болтов и угловых швов наряду с рассчитанными значениями жёсткости на кручение для элементов соединения в раасчёте конструкций.

11 Расчётное соотношение и вращательная жёсткость модели FS-3

Таблица, показывающая коэффициенты расчётных проверок для пластин, болтов и сварных швов, а также значения вращательной жёсткости для элементов узла в расчёте конструкции.

12 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели FS-4

Выводы

Сравнение экспериментальных данных, прогнозов на основе компонентного метода Steel Joints для RFEM и EC-3-1-8 показывает, что модель RFEM обеспечивает хорошее общее соответствие с результатами испытаний как по моментной несущей способности, так и по начальной жёсткости, что подтверждает её надёжность для отображения фактической работы узла. Прогнозы EC-3-1-8 по моментной несущей способности варьируются по образцам (отношения 0,72–1,49 относительно RFEM), что отражает чувствительность аналитического метода компонентов к конкретным геометрическим параметрам, таким как толщина пластины и компоновка болтов. Результаты показывают, что Steel Joints для RFEM обеспечивает заметно более точный прогноз начальной жёсткости узла, чем аналитический метод EC-3. Это подтверждает, что подход RFEM на основе метода конечных элементов лучше отражает фактическое поведение жёсткости испытанных соединений, что делает его более надёжным инструментом для практического проектирования и анализа по сравнению с консервативным и часто чрезмерно упрощённым методом компонентов EC3.

Ссылки

Европейский комитет по стандартизации (CEN). (1993). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8: Проектирование соединений (EN 1993-1-8). Брюссель, CEN.
Жиран Коэлью, А. М., Бийлард, Ф. С. К., & Симоэш да Силва, Л. (2004). Экспериментальная оценка пластичности соединений с удлинённой торцевой пластиной. Engineering Structures, 26(9), 1185–1206. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001

;