Projektowanie połączeń stalowych na Connection Workshop w Belgii

Niedawno, we współpracy z InfoSteel, zorganizowaliśmy Connection Workshop w Belgii, który skupiał się właśnie na tym zagadnieniu.

Podzieleni na trzy zespoły, uczestnicy zmierzyli się z dwoma wymagającymi zadaniami projektowymi. Każdy zespół miał za zadanie zaprojektować połączenie stalowe z uwzględnieniem nośności i sztywności oraz wykonalności. Obecność zarówno młodszych, jak i starszych inżynierów umożliwiła wzajemne uczenie się, a także była doskonałą okazją do spotkania się i wymiany doświadczeń z kolegami.

Doświadczony inżynier konstruktor Stijn Jespers był obecny, aby oceniać projekty i wspierać zespoły w podejmowanych decyzjach projektowych. W trakcie procesu mogliśmy modelować połączenia bezpośrednio w IDEA StatiCa. Dawało to inżynierom natychmiastowy wgląd w model 3D i wyniki, które następnie wspólnie analizowaliśmy i omawialiśmy.

Ciekawi różnych wyborów projektowych poszczególnych zespołów? Poniżej omawiamy wyniki, zaczynając od zadania 1.

Przypadek 1 – Połączenie przenoszące momenty

W pierwszym zadaniu analizujemy węzeł, w którym trzy belki HEA300 łączą się ze słupem HEB300. Wyzwanie polegało na tym, że wszystkie trzy belki HEA300 musiały być połączone jako przenoszące momenty. Przy znacznych siłach poprzecznych i momentach gnących w belkach był to poważny sprawdzian zarówno nośności, jak i sztywności połączenia.

W trakcie dyskusji pojawiło się kilka istotnych kwestii projektowych. Pierwszą z nich było rozważenie, czy słup powinien być ciągły, czy też ciągłe powinny być belki M1 i M2. Tę różnicę można dostrzec w projektach grup 1 i 2 w porównaniu z grupą 3.

Grupa 3 wybrała to rozwiązanie częściowo po to, aby uzyskać trzy identyczne połączenia, co ułatwia produkcję i zmniejsza podatność na błędy, szczególnie gdy w projekcie występuje kilka takich węzłów. Wyniki obliczeń CBFEM przedstawiono poniżej. Wszystkie trzy projekty spełniają sprawdzenia normowe. Wymiary grubości blach, spoin i skosów można jeszcze zoptymalizować.

W trakcie procesu projektowania doświadczony inżynier zwrócił uwagę, że przy wyborze belki ciągłej należy uwzględnić tolerancje wykonania przekrojów stalowych. Jeśli słup jest choćby nieznacznie szerszy niż belka (lub odwrotnie), powstaje przesunięcie. W efekcie płyta czołowa nie może być zamontowana równo, a spoiny nie mogą być prawidłowo wykonane.

Kolejną istotną kwestią przy prowadzeniu belki przez słup jest to, czy momenty gnące w M1 i M2 występują jednocześnie. Jeśli nie, ciągły słup może być konstrukcyjnie czystszym rozwiązaniem i pomóc uniknąć nieprzewidzianych naprężeń w węźle. Belka ciągła nad słupem jest optymalna tylko wtedy, gdy siły (M1 i M2) są zawsze obecne jednocześnie.

Ponadto wyzwaniem było wykonanie połączeń przenoszących momenty, szczególnie dla belki L, ponieważ jest ona połączona w słabym kierunku słupa. Sztywne połączenie w tej sytuacji wymaga skosu. Wymaga to jednak również usztywnień w słupie w celu zapewnienia właściwego przekazania sił. Te usztywnienia wpływają na wykonalność połączenia. Jeśli usztywnienie zastosowane jest zarówno przy górnej, jak i dolnej półce, montaż śrub na budowie staje się niemożliwy.

W IDEA StatiCa Connection inżynier może analizować sztywność połączenia. Taką analizę przeprowadzono dla połączenia stalowego grupy 3, aby zweryfikować, czy połączenie można sklasyfikować jako sztywne. Wykres moment-obrót został sporządzony dla tego połączenia słup-belka, a poniższe wyniki pokazują, że połączenie jest sklasyfikowane jako sztywne.

Przypadek 2 – Pod kątem

W drugim przypadku rozpatrujemy węzeł, w którym cztery belki zbiegają się pod kątem 30 stopni. Belki HEB240 są obciążone osiowym ściskaniem, zginaniem i ścinaniem, natomiast elementy krawędziowe, wykonane z RHS120/80/8 lub IPE120, przenoszą osiowe siły rozciągające lub ściskające.

Kąt między elementami tworzy ciasne złącze. Na pierwszy rzut oka projekty trzech grup są bardzo podobne, jednak każda z nich przyjmuje nieco inne podejście do efektywnego przekazywania sił.

Wszystkie grupy wybrały efektywne połączenie, łącząc belki za pomocą płyty czołowej i mocując elementy RHS do płyt czołowych przy użyciu połączenia na płytkę żebrową. Pozwala to uniknąć dodatkowych prac blachowniczych i tworzy uporządkowany węzeł, który można zmontować na budowie ze względną łatwością.

Poniżej przedstawiono wyniki z IDEA StatiCa Connection. 100% obciążenia jest przenoszone, a wszystkie sprawdzenia normowe są spełnione.

Dalsze kwestie projektowe, które pojawiły się podczas dyskusji, to rozmieszczenie śrub oraz wybór, czy blacha nakładkowa wystaje od góry czy od dołu. Zależy to często od dostępnej przestrzeni. Konstrukcyjnie dodatkowy rząd śrub od góry może być bardziej efektywny, ponieważ tam właśnie występują siły rozciągające. Jednak jeśli moment gnący w belce HEB240 może również wystąpić w przeciwnym kierunku, efekt tego rzędu śrub jest ograniczony. Pokazuje to, jak wiele czynników wpływa na projektowanie połączenia stalowego i że nie jest łatwo ująć to w jednym przykładzie obliczeniowym.

Grupy 2 i 3 wybrały dwie identyczne, lecz lustrzane płyty czołowe. Jest to bardziej ekonomiczne pod względem produkcji, cięcia i spawania, a także montażu. Ponadto należy pamiętać, że ponieważ elementy krawędziowe są połączone bezpośrednio z płytami czołowymi, siła poprzeczna w śrubach może nie w pełni odpowiadać wstępnym obliczeniom ręcznym. W IDEA StatiCa możemy zobaczyć kierunek sił poprzecznych w śrubach i stwierdzić, że są one pod wpływem zarówno siły poprzecznej w belkach HEB240, jak i siły rozciągającej w elementach RHS.

Przy projektowaniu tak zwartych połączeń modelowanie 3D jest bardzo przydatne, ponieważ można od razu sprawdzić, czy śruby pasują i czy można je zmontować na budowie. Pozwala to na natychmiastowe podjęcie decyzji, czy blacha wymaga przedłużenia lub czy rząd śrub należy przesunąć.

Podsumowanie

Projektowanie połączeń stalowych zależy od wielu czynników: ciągłości belek lub słupów, rozmieszczenia śrub i blach, doboru przekrojów oraz efektywnego przekazywania sił. Każda decyzja wpływa zarówno na wykonalność, jak i na czytelność konstrukcyjną połączenia. Dzięki IDEA StatiCa Connection można szybko ocenić wszystkie te aspekty: obliczyć sztywność, przeprowadzić sprawdzenia normowe i zweryfikować, czy projekt jest praktycznie wykonalny. W ten sposób uzyskuje się połączenie, które jest technicznie poprawne i może być efektywnie zrealizowane na budowie.