Назад к Базе знаний
114x
002074
2026-08-24

Параметрический анализ концевой пластины соединений со стальными узлами для RFEM

В данном исследовании оценивается влияние диаметра болта и толщины торцевой пластины на несущую способность и формы разрушения девяти балочно-колонных узлов с протяженной торцевой пластиной. Моментные сопротивления и формы разрушения, полученные с помощью аддона Steel Joints для RFEM, сравниваются с подробной конечно-элементной моделью (ROFEM) и методом компонентов по Еврокоду 3 (EN 1993-1-8). Аддон Steel Joints для RFEM воспроизводит определяющую форму разрушения в каждой модели, в то время как метод ручного расчета по EC-3 занижает несущую способность для тонких торцевых пластин и вместо этого определяет болт как слабый компонент.

Данное исследование подтверждает достоверность аддона Стальные соединения для RFEM путём изучения влияния диаметра болта и толщины торцевой пластины на несущую способность и режимы выхода из работы соединений балки с колонной с торцевой пластиной. Работа конструкций и несущая способность данных узлов оцениваются в соответствии с расчётными положениями Еврокода 3 (EC-3), а затем результаты сравниваются с прогнозами, полученными на основе модели конечных элементов, разработанной с использованием RFEM и научно-ориентированного метода конечных элементов (ROFEM).

Аналитическая модель

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

Расчётная несущая способность эквивалентного Т-образного элемента оценивается независимо для компонентов торцевой пластины и полки колонны. Для каждого компонента определяющая расчётная несущая способность FT,Rd определяется как минимальное значение, полученное из трёх возможных механизмов разрушения.

FT,Rd=min (FT1,Rd, FT2,Rd, FT3,Rd)
Расчётная прочность Т-образного элемента и методы разрушения по EN 1993-1-8

Индивидуальная несущая способность для каждого режима рассчитывается на основе пластической моментной несущей способности полки (Mpl,1,Rd и Mpl,2,Rd) и несущей способности на растяжение группы болтов (ΣFt,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:

FT,1,Rd=(8n-2ew)·Mpl,1,Rd2mn-ew(m+n)
Сопротивление таврового соединения – Режим выхода из работы 1 (Полный пластический изгиб полки)
FT,2,Rd=2·Mpl,2,Rd+n·(∑Ft,Rd)(m+n)
Сопротивление таврового стыка – Схема разрушения 2 (Разрушение болта с текучестью полки)
FT,3,Rd=∑Ft,Rd
Сопротивление Т-образного элемента – режим разрушения 3 (разрушение болта)

Пластические моментные несущие способности:

Mpl,1,Rd=0.25∑leff,1 tf2 fyγM0,Mpl,2,Rd=0.25∑leff,2 tf2 fyγM0.
Моменты пластического сопротивления эквивалентного Т-образного элемента для форм 1 и 2
Фиг. 1 - Режимы выхода из работы Т-образного элемента
1 Рис. 1 - Режим выхода из работы Т-образного элемента

Геометрические детали соединения балки с колонной

Жёсткая полка была смоделирована как упругий элемент. Модели материала S275 и S420 были назначены торцевой пластине и балке соответственно. Для параметрического исследования балка была выбрана так, чтобы представлять типичный европейский профиль с размерами, приблизительно соответствующими сечению IPE300, в то время как колонна была смоделирована как сечение HEA300, в соответствии с оцениваемыми положениями Еврокода. Размеры балки и торцевой пластины показаны на Рис. 2. Переменными, рассматриваемыми в исследовании, были диаметры болтов 16 мм (M16), 20 мм (M20) и 24 мм (M24), а также толщины торцевой пластины (tp) 10 мм, 15 мм и 20 мм.

Рис. 2 - Конфигурация торцевой пластины/болта
2 Рис. 2 - Конфигурация торцевой пластины/болта

Обсуждение

Решение с помощью аддона Стальные соединения для RFEM

В данном исследовании представлено численное изучение влияния диаметра болта и толщины торцевой пластины на несущую способность и режимы выхода из работы удлинённых стальных соединений балки с колонной с торцевой пластиной. Была исследована работа конструкций девяти таких соединений.

Результаты параметрического исследования сведены в Таблицу 1, а соответствующие моментные несущие способности показаны на Рис. 3. Увеличение толщины торцевой пластины приводило к повышению пластической и предельной моментной несущей способности. Однако, как только моментная несущая способность балки становилась ниже несущей способности соединения, дальнейшее увеличение толщины торцевой пластины не оказывало влияния на общую несущую способность. Та же тенденция наблюдалась и для диаметра болта. В Таблице 2 показаны режимы выхода из работы.

Рис. 3 - Сравнение несущей способности по моменту – Стальные узлы для RFEM и EC-3
3 Рис. 3 - Сравнение моментной несущей способности – Стальные узлы для RFEM и EC-3
Таблица 1: Сравнение моментной несущей способности - аддон Стальные соединения для RFEM и EC-3 | Моментная несущая способность (кНм)
Образцы ROFEM Аддон Стальные соединения в RFEM EC-3 EC-3/RFEM
M16-tp=10мм 87.00 85.35 65.00 0.76
M16-tp=15мм 147.00 123.12 105.00 0.85
M16-tp=20мм 153.00 132.23 143.00 1.08
M20-tp=10мм 114.00 95.85 73.00 0.76
M20-tp=15мм 186.00 167.40 129.00 0.77
M20-tp=20мм 223.00 183.33 186.00 1.01
M24-tp=10мм 128.00 102.60 73.00 0.71
M24-tp=15мм 195.00 132.30 155.00 1.17
M24-tp=20мм 283.00 175.50 211.00 1.20

Таблица 2: Режимы выхода из работы
Образцы ROFEM Аддон Стальные соединения в RFEM EC-3
M16-tp=10мм Режим 1 Режим 1 Режим 1
M16-tp=15мм Режим 1 Режим 1 Режим 1&2
M16-tp=20мм Режим 2 Режим 2 Режим 2&3
M20-tp=10мм Режим 1 Режим 1 Режим 1
M20-tp=15мм Режим 1 Режим 1 Режим 1&2
M20-tp=20мм Режим 2 Режим 2 Режим 1&2
M24-tp=10мм Режим 1 Режим 1 Режим 1
M24-tp=15мм Режим 1 Режим 1 Режим 1
M24-tp=20мм Режим 1 Режим 1 Режим 1&2

Рис. 4 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M16-tp-10mm и расчётная проверка
4 Рис. 4 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M16-tp-10mm и расчётная проверка
Рис. 4 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M16-tp-10mm и расчётная проверка
5 Рис. 5 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M16-tp-15mm и расчётная проверка.
Рис. 6 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M16-tp-20mm и расчётная проверка.
6 Рис. 6 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M16-tp-20mm и расчётная проверка.
Рис. 7 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M20-tp-10mm и расчётная проверка.
7 Рис. 7 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M20-tp-10mm и расчётная проверка.
Рис. 8 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M20-tp-15mm и расчётная проверка.
8 Рис. 8 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M20-tp-15mm и расчётная проверка.
Рис. 9 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M20-tp-20mm и расчётная проверка.
9 Рис. 9 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M20-tp-20mm и расчётная проверка.
Рис. 10 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M24-tp-10mm и расчётная проверка.
10 Рис. 10 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M24-tp-10mm и расчётная проверка.
Рис. 11 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M24-tp-15mm и расчётная проверка.
11 Рис. 11 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M24-tp-15mm и расчётная проверка.
Рис. 12 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M24-tp-20mm и расчётная проверка.
12 Рис. 12 - Эквивалентное напряжение и пластическая деформация модели M24-tp-20mm и расчётная проверка.

Выводы

Три метода — детальная КЭ-модель (ROFEM), компонентный аддон Стальные соединения в RFEM и метод компонентов EC-3 (EN 1993-1-8) — были сопоставлены на девяти болтовых соединениях с торцевой пластиной (болты M16/M20/M24 × пластины 10/15/20 мм).

Соотношение EC-3/RFEM определяется толщиной пластины и монотонно возрастает в пределах каждой группы болтов: EC-3 существенно занижает несущую способность для пластин толщиной 10 мм (0.71–0.76), но превышает RFEM для пластин толщиной 20 мм (1.01–1.20). Причина носит механический характер — тонкие пластины выходят из работы путём пластического течения пластины (Режим 1), тогда как КЭ-методы учитывают мембранный эффект и упрочнение при деформации, которые модель Т-образного элемента EC-3 не учитывает.

По мере утолщения пластины и превращения болта в слабый компонент это расхождение исчезает. По режимам выхода из работы ROFEM и RFEM совпадают для каждого образца; EC-3 согласуется по определяющему компоненту, но склонен указывать комбинированные режимы (1&2, 2&3). Данная закономерность соответствует классической теории Т-образного элемента: более толстые пластины смещают выход из работы в сторону контроля по болтам, в то время как более крупные болты удерживают соединение в пластичном Режиме 1.

Начальная жёсткость соединения с торцевой пластиной возрастает с увеличением диаметра болта или толщины торцевой пластины. Еврокод прогнозирует режимы выхода из работы таких соединений с высокой степенью точности.

Ссылки
  1. Европейский комитет по стандартизации (CEN). (1993). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8: Проектирование соединений (EN 1993-1-8). Брюссель, CEN.
  2. Ozkilic YO. Investigation of the effects of bolt diameter and end-plate thickness on the capacity and failure modes of end-plated beam-to-column connections. Res. Eng. Struct. Mater., 2021; 7(3) 445-463.
;