71x

002077

2026-09-03

Поведение болтовых торцевых соединений с ребрами жесткости и без них в модуле Steel Joints для RFEM

Четыре болтовых соединения балки с колонной с торцевой пластиной (BC1–BC4, колонна HEA 120, балка IPE 240, сталь S235) были экспериментально испытаны и повторно проанализированы с помощью аддона Steel Joints для RFEM 6 и ручного расчёта по EN 1993-1-8. В статье сравниваются моментное сопротивление и начальная вращательная жёсткость по всем трём методам и приводятся уравнения компонента T-образного элемента.

В данном исследовании проверяется работа аддона Стальные соединения для RFEM путем изучения конструктивного поведения болтовых соединений с торцевой пластиной, как с ребрами жесткости, так и без них. Работа этих узлов оценивается в соответствии с расчетными положениями Еврокода 3 (EC-3) и подтверждается путем сравнения с ранее проведенными экспериментальными результатами.

Аналитическая модель

В данном исследовании приняты расчетные критерии, указанные в EN 1993-1-8, для оценки сопротивления болтов (срез и растяжение) и сопротивления пластины (смятие и продавливание), с использованием формулировок предельных состояний, приведенных в таблице 3.4. Расчетное сопротивление эквивалентного тавра оценивается независимо для компонентов торцевой пластины и полки колонны. Для каждого компонента определяющее расчетное сопротивление F_T,Rd определяется как минимальное значение, полученное из трех 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 механизма рассчитывается на основе пластической моментной способности полки (M_pl,1,Rd и M_pl,2,Rd) и сопротивления растяжению группы болтов (∑F_t,Rd). Эти механизмы учитывают полное пластическое деформирование полки (Механизм 1), разрушение болтов в сочетании с пластическим деформированием полки (Механизм 2) и чистое разрушение болтов (Механизм 3). Механизмы разрушения:

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)

Начальная жесткость 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

Рис. 1 Расчётная модель соединительного узла согласно EC-3 и виды разрушения Т-профилей

Рис. 1 Механическая модель соединительного узла согласно EC-3 и формы разрушения компонентов T-образного фланца

Геометрические характеристики соединения балки с колонной

В соответствии со стандартной строительной практикой все элементы балок и колонн были изготовлены из стали S235. Геометрические конфигурации, включая компоновку торцевой пластины и группы болтов, показаны на рисунке 2, а экспериментальная матрица испытаний и измеренные свойства материалов приведены в таблице 1. Как указано в матрице испытаний, образцы группы A (1BC-4BC) имели сечение колонны HEA 120 в сочетании с сечением балки IPE 240, при этом во всех образцах сохранялась одинаковая толщина торцевой пластины 15 мм.

Таблица 1 Геометрическая конфигурация испытанных образцов
Образцы	Колонна	Марка стали	Балка	Марка стали	Толщина торцевой пластины, мм
BC1	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC2	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC3	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC4	HEA120	S235	IPE240	S235	15

Рис. 2 Конфигурация образцов

Обсуждение

Решение в аддоне Стальные соединения для RFEM

В данном исследовании представлено комбинированное экспериментальное и численное исследование конструктивной работы четырех соединений балки с колонной с торцевой пластиной, с особым вниманием к поведению болтовых соединений с торцевой пластиной с ребрами жесткости и без них. Экспериментальная программа была дополнена специальными испытаниями компонентов тавра и подробным конечно-элементным (КЭ) моделированием. Расчет соединений выполнялся с помощью аддона Стальные соединения для RFEM 6, полностью интегрированного в глобальную конструктивную модель. КЭ-модели были валидированы на основе экспериментальных измерений и проверены в соответствии с расчетными положениями Еврокода 3 (EC-3), а затем использованы для детального изучения локализованного деформационного поведения. На рисунках 3 и 4, а также в таблицах 2 и 3 сравниваются моментное сопротивление и вращательная жесткость, полученные из экспериментов, прогнозов аддона Стальные соединения для RFEM 6 и аналитических расчетов по EC-3.

Рис. 3 Сравнение моментной несущей способности – Экспериментальный, стальные соединения в RFEM и EC-3

Рис. 3 Сравнение моментной несущей способности – эксперимент, стальные узлы в RFEM и EC-3

Fig. 4 Comparison of Stiffness – Experimental, Steel Joints in RFEM and EC-3

Таблица 2 Сравнение моментного сопротивления - Эксперимент, Стальные соединения в RFEM и EC-3 | Моментная несущая способность (кНм)
Образцы	Эксперименты	Стальные соединения для RFEM	EC-3	EC-3/RFEM
BC1	34.00	24.02	18.00	0.75
BC2	47.00	34.51	33.00	0.96
BC3	53.00	34.36	33.00	0.96
BC4	65.00	39.15	33.00	0.84

Таблица 3 Сравнение жесткости - Эксперимент, Стальные соединения в RFEM и EC-3 | Начальная жесткость S_j,ini (МНм/рад)
Образцы	Эксперименты	Стальные соединения для RFEM	EC-3
BC1	8.10	5.10	9.30
BC2	8.70	11.00	18.30
BC3	9.50	14.70	22.60
BC4	10.10	24.80	22.60

Рис. 5 Эквивалентные напряжения и пластические деформации, а также коэффициент использования и вращательная жёсткость модели BC1

Рис. 5 Эквивалентные напряжения и пластические деформации, а также степень использования и вращательная жёсткость модели BC1

Рис. 6 Эквивалентные напряжения и пластические деформации, степень использования и жёсткость на кручение модели BC2

Рис. 7 Эквивалентное напряжение, пластическая деформация, расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели BC3

Рис. 7 Эквивалентные напряжения и пластические деформации, коэффициент использования и жёсткость на кручение модели BC3

Рис. 8 Эквивалентное напряжение, пластическая деформация, расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели BC4

Рис. 8 Эквивалентные напряжения и пластические деформации, степень использования и жёсткость на кручение модели BC4

Выводы

Сравнение показывает, что RFEM точнее отслеживает экспериментальное поведение, чем EC-3, как по моментному сопротивлению, так и по начальной жесткости. EC-3 более существенно занижает несущую способность и выходит на плато 33,00 кНм для BC2-BC4, несмотря на рост измеренной несущей способности на 40%, что указывает на то, что его прогноз определяется одной ограничивающей проверкой компонента, нечувствительной к изменяемым параметрам. По начальной жесткости RFEM показывает меньшее среднее отклонение от эксперимента (0,66), чем EC-3 (0,97), и является единственным методом, который продолжает отслеживать тенденцию роста жесткости вплоть до BC3-BC4, а не выходит на плато. Завышение жесткости RFEM при более высоких значениях согласуется с общей тенденцией компонентных моделей к идеализированной жесткости компонентов, а EC-3 показывает сопоставимое или большее завышение для BC2-BC3. В целом RFEM является более надежным из двух инструментов для учета тенденций прочности и жесткости узлов и рекомендуется в качестве основного метода проверки, при этом EC-3 сохраняется в качестве независимой проверки.

Ссылки

Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций, часть 1-8: проектирование узлов. Европейский стандарт EN 1993-1-8. Европейский комитет по стандартизации, Брюссель, Бельгия; 1993.
Abidelah, Anis & Bouchair, Abdelhamid & Kerdal, Djamel. (2012). Experimental and analytical behaviour of bolted end-plate connections with or without stiffeners. Journal of Constructional Steel Research.

;