Features

Połączenia momentowe – oblicz je wszystkie!

22.04.2021

| Autor: Jan Kubicek

Steel

Stiffness

Connection

Moment Connection

Ten artykuł jest również dostępny w:

Przetłumaczone przez AI z języka angielskiego

Wokół nas istnieje wiele rodzajów połączeń momentowych, ale do czego są nam potrzebne? Jak projektować je efektywnie i zgodnie z normami krajowymi? Zapoznaj się z naszym kompleksowym przeglądem połączeń.

Ogólnie rzecz biorąc, połączenie momentowe to złącze, które oprócz sił normalnych i sił ścinających umożliwia przenoszenie momentów gnących między dwoma elementami konstrukcyjnymi lub z konstrukcji na fundament.

Pewien rodzaj połączenia momentowego można znaleźć w niemal każdej konstrukcji, ale ich typowe zastosowanie obejmuje

poprzeczne ramy hal stalowych
ramy konstrukcji wielokondygnacyjnych
ramy usztywniające jako alternatywa dla pól stężeń

Istnieje kilka rodzajów ich klasyfikacji:

Wg zastosowanego przekroju:

Przekroje otwarte
Przekroje zamknięte
Kombinowane

Wg elementów połączenia:

Spawane (wyłącznie)
Śrubowe (wyłącznie)
Kombinowane

Wg zastosowania w konstrukcjach sejsmicznych:

Sejsmiczne
Niesejsmiczne

Wg typologii

Płyta czołowa na pełną wysokość
Płyta czołowa przedłużona
Usztywniona przedłużona płyta czołowa
Belka ze skosem
itd.

Najczęściej, gdy mówimy o połączeniach momentowych, mamy na myśli połączenia sztywne. Nie należy jednak zapominać o połączeniach podatnych (lub częściowo utwierdzonych), które również mogą przenosić znaczące momenty gnące. Sztywność połączenia momentowego ma kluczowe znaczenie, a przydatne informacje na ten temat można znaleźć w naszym wpisie na blogu poświęconym temu zagadnieniu.

Z perspektywy projektowania konstrukcji świat składa się z dwóch rodzajów głównych regionów: sejsmicznie aktywnych i sejsmicznie nieaktywnych.

To lokalizacja projektowanej konstrukcji decyduje o opcjach i ograniczeniach branych pod uwagę przez projektanta. Gdy konstrukcja musi być traktowana jako sejsmiczna, globalny model konstrukcyjny musi być bardzo precyzyjnie dostosowany do oczekiwanego zachowania pod obciążeniem sejsmicznym. Boczna sztywność konstrukcji musi być zapewniona przez odpowiednią typologię konstrukcyjną. W tym celu inżynierowie konstruktorzy sięgają głównie po stężenia ukośne, ściany ścinające lub ramy odporne na momenty (MRF).

Połączenia sejsmiczne wg AISC

Istnieje lista odpowiednich połączeń dla tych ram, podana przez amerykańskie wytyczne projektowe. Są one znane jako Połączenia wstępnie kwalifikowane określone w ANSI/AISC 358-16.

Kilka przykładów można znaleźć na poniższych rysunkach:

Przekrój zredukowany belki (RBS)
Śrubowa nieusztywniona przedłużona płyta czołowa (BUEEP)
Śrubowa usztywniona przedłużona płyta czołowa (BSEEP)
Śrubowa płyta półkowa (BFP)
Spawana niezmocniona półka – spawany środnik (WUF-W)
Wspornik śrubowy Kaiser (KBB)
Połączenie momentowe Simpson Strong-Tie (Strong Frame)
Połączenie momentowe dwuteowe

Połączenia momentowe dla HSS (przekrojów stalowych zamkniętych)

Jak wspomniano wcześniej, połączenia momentowe nie są przeznaczone wyłącznie dla przekrojów otwartych. Bardzo często zachodzi potrzeba zastosowania również przekrojów zamkniętych. Czy mamy zatem jakieś możliwości? Tak, mamy:

Połączenia belki ciągłej nad słupem HSS
Połączenia momentowe z płytą przelotową
Połączenia momentowe z płytą wyciętą / kołnierzową
Połączenia momentowe z spawanym kształtownikiem teowym półkowym
Połączenia momentowe z płytą czołową
Połączenia momentowe z płytą przeponową
Połączenia spawane bezpośrednio

Można by powiedzieć: Tak, ale HSS nie są dopuszczone dla wstępnie kwalifikowanych połączeń sejsmicznych. To prawda, chyba że stosuje się je w typach połączeń momentowych SidePlate.

(a) jednostronna konstrukcja belki i słupa z dwuteownika szerokostopowego;

(b) dwustronna konstrukcja belki i słupa z dwuteownika szerokostopowego;

(d) belka HSS bez płyt nakrywających do słupa z dwuteownika szerokostopowego;

(e) belka HSS z płytami nakrywającymi do słupa z dwuteownika szerokostopowego;

(f) belka HSS z płytami nakrywającymi do słupa HSS lub skrzynkowego

IDEA StatiCa Connection przygotowała szablony nawet dla tych rzadko stosowanych i skomplikowanych typów połączeń. Korzystając z nich, można zaoszczędzić wiele czasu.

Połączenia sejsmiczne wg EN – Equaljoints

Od dłuższego czasu trwają ciągłe wysiłki na rzecz adaptacji połączeń sejsmicznych również w europejskich normach projektowania stalowych konstrukcji.

Projekt o nazwie Equaljoints jest obecnie rozwijany przez ECCS (Europejską Konwencję Konstrukcji Stalowych) w ramach działań mających na celu opracowanie wytycznych do projektowania połączeń sejsmicznych dla normalizacji Eurokodów.

a) Połączenie ze skosem

b) Złącze z przedłużoną usztywnioną płytą czołową

c) Złącze z przedłużoną nieusztywnioną płytą czołową

d) Złącza typu „dog-bone"

Projekt ten dostarczy kryteriów wstępnej kwalifikacji złączy stalowych dla kolejnej wersji EN 1998-1: Projektowanie konstrukcji na oddziaływania sejsmiczne. IDEA StatiCa uczestniczy w tym projekcie, a wyniki eksperymentalne zostały porównane z wynikami analizy CBFEM zaimplementowanej w aplikacji Connection. Można zobaczyć tutaj, jak eksperymenty i weryfikacje są przeprowadzane w praktyce.

Usztywnienia

Gdy zachodzi potrzeba przeniesienia dużego momentu gnącego z jednego elementu na drugi, często konieczne jest dodanie płyt usztywniających w celu zachowania ciągłości przepływu sił. Ale gdzie i jak je właściwie zaprojektować?

Czasem to sama konstrukcja ogranicza dostępne opcje i trzeba dostosować projekt do innych elementów konstrukcyjnych. Z drugiej strony, gdy mamy komfort projektowania usztywnień zgodnie z najlepszą wiedzą, warto znać dostępne możliwości.

Kilka przykładów rozmieszczenia usztywnień:

Optymalizacja kosztów

Połączenia momentowe nie należą do najtańszych. W rzeczywistości mogą stanowić najdroższą część całej konstrukcji, gdy uwzględni się produkcję, transport i montaż.

Zawsze istnieje ogromna liczba możliwości zaprojektowania konkretnego połączenia, ale doświadczenie pomaga wybrać właściwe. Jedną z przydatnych funkcji, która może pomóc w wyborze najbardziej odpowiedniego i efektywnego projektu, jest kalkulator kosztów produkcji, który natychmiast pokazuje, jak zmiany w projekcie wpływają na cenę.

Obliczenia i ocena

Istnieje wiele sposobów i narzędzi do obliczania i oceny konkretnego typu połączenia momentowego. Można znaleźć wiele aplikacji umożliwiających sprawdzenie normowe dla określonych układów połączeń. Jeśli jednak chcemy ocenić dosłownie każde z nich, lista dostępnych opcji zawęża się. Jeśli połączenie nie jest częścią wyłącznie oddzielnych elementów, lecz jest osadzone w przestrzennej konstrukcji z innymi podłączonymi elementami, pozostają tylko dwie możliwości:

1) Pierwsza polega na zamodelowaniu całego układu połączenia jako nieliniowego modelu powłokowego w zaawansowanych aplikacjach MES, bez możliwości sprawdzenia normowego zgodnie z konkretną normą.

2) Druga opcja to zastosowanie aplikacji IDEA StatiCa Connection. W tym przypadku nie ma żadnych ograniczeń w modelowaniu i analizach. W ciągu kilku minut można przygotować sprawdzenia normowe śrub, spoin i naprężenie-odkształcenie zgodnie z wybraną normą projektową.

Wystarczy wybrać szablon, edytować go, zoptymalizować na podstawie wyników i przeprowadzić wszystkie niezbędne sprawdzenia w ciągu kilku minut: