Momentweerstand van staalverbindingen met open doorsnede om de sterke as van ligger naar kolom, uitgevoerd als lasverbinding

Dit rapport is ontwikkeld in het kader van een samenwerking tussen ISISE (Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering) aan de Universiteit van Coimbra  en IDEA StatiCa. Dit project is gezamenlijk gefinancierd door beide partijen en is geschreven door:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Samenvatting

Dit rapport presenteert een uitgebreide analyse van gelaste staalverbindingen van ligger naar kolom met open doorsnede, met specifieke aandacht voor de kolomlijf-in-afschuiving-component, gebruikmakend van goed gevalideerde, hoogwaardige 3D-FEM-modellen. De studie omvat momentvaste gelaste verbindingen om de sterke as van ligger naar kolom met open doorsnede, met en zonder dwarse verstijvers, voor eenzijdige en tweezijdige verbindingen op een tussenverdieping (intern) of de bovenste verdieping (dak), en voor interne verbindingen met verschillende niveaus van normaalkracht in de kolom. De studie bestrijkt een breed scala aan situaties wat betreft kolomslankheid, verbindingsverhouding, verbindingsconfiguratie, verstijvers, normaalkracht en momentverhouding (voor tweezijdige verbindingen). FE-relevante aspecten, zoals materiaalmodel, analysetype, meshdichtheid, initiële imperfecties, enz., worden eveneens beschouwd.

Deze studie omvat een jaar werk op de volgende gebieden:

1. De lijst met gevallen omvat gevallen met 30%, 50% en 70% normaalkracht.
2. De staalsoorten omvatten S235, S275 en S355.
3. Gewalste kolommen, kolommen met hoeklassen en kolommen met stompe lassen worden besproken.
4. Een uitgebreide studie naar de verschillen tussen GMNA en MNA is opgenomen.
5. Een uitgebreide studie naar de invloed van de constitutieve materiaalbeschrijving is opgenomen.
6. De invloed van hoeklassen op het verbindingsgedrag wordt bestudeerd.

Doelstellingen

Het doel van deze studie is de beoordeling van de momentweerstand om de sterke as van gelaste verbindingen in eenzijdige en tweezijdige ligger-naar-kolom-configuraties met staafleden met open doorsnede (liggers en kolommen), inclusief de invloed van dwarse verstijvers, met behulp van: i) Europese ontwerpregels, ii) FEA (3D vaste elementen) en iii) IDEA StatiCa; en de vergelijking van de resultaten verkregen met elke methode.

Methodologie

1. Beoordeel de rekenwaarde van de weerstand van de lijfpaneel-component voor een breed scala aan gelaste verbindingen van ligger naar kolom met behulp van hoogwaardige 3D FEM-modellen, die vervolgens als referentiegevallen worden gebruikt.
2. Vergelijk de verbindingsweerstand met CBFEM-modellen (IDEA StatiCa), gebaseerd op schaallementen.
3. Bespreek de mogelijkheid om de functies en standaardopties van IDEA StatiCa te verbeteren om te waarborgen dat een realistische en veilige waarde van de weerstand wordt verkregen.
4. Vergelijk de verbindingsweerstand met resultaten verkregen uit ontwerpformules uit Eurocode 3, huidige en toekomstige versies.
5. Beoordeel de verschillen in momentweerstand die worden veroorzaakt door het criterium van 5% equivalente plastische rek, gehanteerd door IDEA StatiCa om de 'rekenwaarde van de weerstand' op de moment-rotatiecurve te definiëren, ten opzichte van andere gangbare criteria (zoals de vermindering van de secantestijfheid tot 1/3 van de beginwaarde).

Behandelde vragen

• Wat is de spreiding van de resultaten?
• Wat is de invloed van de verschillende parameters (slankheid, aspectverhouding, buigmomentverhouding, dwarse verstijvers, normaalkracht, enz.) op deze resultaten?
• Wat is de invloed van de kolomlijfcomponenten op deze resultaten?

Uitsluitingen

Er wordt geen betrouwbaarheidsbeoordeling van de programmaresultaten uitgevoerd, aangezien dit buiten het bestek van deze studie valt.

Samenvatting van conclusies

De analyse van de Abaqus-resultaten heeft de volgende conclusies opgeleverd:

1. Met betrekking tot het criterium van 5% equivalente plastische rek is aangetoond dat dit voor dit type verbinding weerstandsresultaten oplevert die vergelijkbaar zijn met die verkregen uit hetzelfde numerieke model met een vermindering van de secantestijfheid tot 1/3 van de beginwaarde.
2. Initiële imperfecties spelen een ondergeschikte rol in het gedrag van de geanalyseerde verbindingen; geometrische niet-lineariteit (2e-orde analyse) dient echter te worden meegenomen, met name in gevallen waarbij normaalkracht aanwezig is.
3. Het meenemen van rekversteviging leidt tot een gemiddelde toename van de weerstand van 4%, maar heeft een groot effect — gemiddeld circa 44% — op de verbindingsrotatie.

De volgende opmerkingen zijn relevant voor implementatie in IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa, met de standaard mesh van het programma (versie 23.1) en MNA (materieel niet-lineaire analyse), levert weerstanden op die groter zijn dan die verkregen met Abaqus. Gemiddeld 6% groter voor gewalste kolommen met stompe lassen, en circa 11% voor gelaste kolommen met stompe of hoeklassen. Voor gewalste kolommen met hoeklassen zijn de resultaten gemiddeld identiek aan die van Abaqus. De maximale afwijkingen voor een individueel geval bedragen 22% (gewalste kolommen met stompe lassen) en 53% (gelaste kolommen met stompe lassen).
   Opmerking IDEA StatiCa: Deze situatie wordt verholpen door twee wijzigingen die zijn doorgevoerd in versie 25.0:
   - Geometrisch niet-lineaire analyse
   - Lasverspreidingsgebied – verkleind voor stompe lassen, d.w.z. de weerstand van kolommen met stompe lassen wordt verlaagd
   
2. IDEA StatiCa met een verfijnde mesh (halvering van de standaard meshgrootte) en GMNA (geometrisch en materieel niet-lineaire analyse) levert weerstanden op die goed overeenkomen (gemiddeld binnen ±5%) met de Abaqus-resultaten. De maximale afwijkingen voor een individueel geval bedragen 15% (gewalste kolommen met stompe lassen), 5% (gewalste kolommen met hoeklassen), 27% (gelaste kolommen met stompe lassen) en 14% (gelaste kolommen met hoeklassen).
   Opmerking IDEA StatiCa: Halvering van de mesh is niet langer noodzakelijk met de wijzigingen die in het vorige punt zijn vermeld.
   
3. De invloed van initiële imperfecties is bestudeerd voor eenzijdige interne verbindingen en bleek verwaarloosbaar te zijn.
   Opmerking IDEA StatiCa: Dit betekent dat GMNA voldoende is en GMNIA niet noodzakelijk is voor het onderzochte bereik van verbindingen.
   
4. Puur materieel niet-lineaire analyse zonder 2^e-orde effecten leidt tot niet-conservatieve resultaten bij aanwezigheid van normaalkracht in de kolom. Daarom wordt aanbevolen de geometrisch niet-lineaire analyse standaard in het programma te activeren.
   Opmerking IDEA StatiCa: In versie 25.0 is geometrisch niet-lineaire analyse beschikbaar gesteld voor elke verbinding. In de aankomende patch zal een waarschuwing worden toegevoegd.
   
5. De meshgrootte speelt een essentiële rol in de nauwkeurigheid van de resultaten. Een mogelijke aanpak om de geconvergeerde waarde te schatten kan gebaseerd zijn op een geautomatiseerd proces waarbij de meshgrootte wordt gehalveerd en de Richardson-extrapolatie wordt toegepast op de momentweerstand verkregen met beide waarden.
   Opmerking IDEA StatiCa: Richardson-extrapolatie is mogelijk bij het bepalen van de belastingsweerstanden. Dit is echter niet mogelijk voor geslaagde/niet-geslaagde normtoetsingen. Met de eerder genoemde wijzigingen in versie 25.0 levert de standaard mesh al voldoende nauwkeurige resultaten. 
6. Het materiaalmodel dat door IDEA StatiCa wordt gehanteerd (met een rekversteviging van E/1000) resulteert in een gemiddelde toename van 3% in momentweerstand ten opzichte van de resultaten verkregen met elastisch-perfect plastisch materiaal.

Lees het volledige rapport in de bijlage.

Toegevoegde downloads

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)