Gdy inżynierowie rywalizują – 6 sposobów projektowania połączenia stalowego

Zespoły składały się z inżynierów konstruktorów z biur projektowych i wytwórni konstrukcji stalowych, a każdy z nich był prowadzony przez doświadczonego projektanta połączeń. Po tym, jak grupy zaprezentowały swoje projekty, my z IDEA StatiCa mieliśmy możliwość zamodelowania połączeń za pomocą Connection application. W ten sposób mogliśmy natychmiast przeanalizować wyniki i wspólnie je omówić.

Poniżej szczegółowo wyjaśniamy projekty i wyniki. Artykuł podzielony jest na dwie części, po jednej dla każdego zadania projektowania połączenia stalowego.

1 - Zaprojektuj złożone połączenie słup-belka z belkami krawędziowymi

W pierwszym zadaniu projektowym skupiliśmy się na złączu łączącym cztery elementy. Siły wewnętrzne i przekroje sprawiły, że było to wymagające zadanie projektowe, co pokazuje różnorodność rozwiązań: każdy z sześciu zespołów przyjął inne podejście. To właśnie sprawia, że ten zawód jest tak fascynujący: nigdy nie ma jednego właściwego rozwiązania.

Największe wyzwanie pojawiło się przy połączeniu belek krawędziowych. Dwa prostokątne przekroje zamknięte (180/180/6) musiały zostać połączone ze słupem (HEA160) lub belką główną (IPE400). W połączeniu z zadanymi obciążeniami stworzyło to trudną sytuację projektową.

Poniżej przedstawiono przegląd połączeń, szkiców i modeli opracowanych w oprogramowaniu do projektowania połączeń stalowych IDEA StatiCa. Następnie omawiamy każde połączenie i podkreślamy kluczowe wnioski z dyskusji i wyników.

Grupa A

Grupa A zdecydowała się przedłużyć słup i połączyć belkę główną (IPE400) za pomocą płyty czołowej. Wyzwanie polegało głównie na połączeniu belek krawędziowych RHS ze słupem HEA160. W tym celu zaproponowano połączenie z blachą węzłową z dwoma śrubami M36. Podczas modelowania w IDEA StatiCa szybko okazało się jednak, że dla tej wielkości śrub brakuje miejsca. Jak podkreślali eksperci podczas warsztatu, niezbędne jest rysowanie w skali, aby zrozumieć wykonalność połączenia.

Zamiast bezpośredniego połączenia spawanego, grupa zdecydowała się przedłużyć blachę łączącą przez szczelinę w środniku słupa, aby lepiej przenosić siły i zmniejszyć naprężenia w środniku słupa.

Przy obliczaniu połączenia w IDEA StatiCa w połączeniu belek krawędziowych powstają duże plastyczne odkształcenia. Ze względu na dużą osiową siłę ściskającą wynoszącą 400 kN w belkach krawędziowych oraz mimośród w blasze węzłowej, w połączeniu pojawia się moment gnący. Korzystając z narzędzia do analizy metodą elementów skończonych, jakim jest IDEA StatiCa, staje się to szybko widoczne poprzez powstające deformacje.

Poprzez zwiększenie grubości blach połączenie może spełnić wymagania. Przy ciągłej blasze o grubości 35 mm i śrubach 2x M33 8.8 osiągana jest wystarczająca nośność i sztywność.

Choć rozwiązanie jest zadowalające, warto rozważyć wyeliminowanie mimośrodu, co prawdopodobnie jest bardziej efektywne konstrukcyjnie.

Grupa B

Grupa B miała podobne połączenie, ale tutaj przedłużono belkę główną. Wybór symetrycznego połączenia belek o kwadratowym przekroju zamkniętym (SHS) pozwala uniknąć dodatkowego momentu gnącego. Przy zalecanych grubościach blach odkształcenie plastyczne jest tuż poniżej granicy 5%.

Poprzez pogrubienie blach i zapewnienie odpowiednich spoin można przenieść kombinację osiowego ściskania i poziomego ścinania, utrzymując odkształcenie plastyczne poniżej 5%.

Jedynie śruby nadal nie są zadowalające przy zastosowaniu 4x M24 8.8. Jednak samo wzmocnienie śrub nie rozwiązuje problemu, ponieważ sprawdzenie normowe jest ograniczone przez nośność na docisk. Alternatywnym rozwiązaniem jest zwiększenie gatunku stali blach połączenia do S355. Pozwala to osiągnąć optymalne wyniki przy jedynie minimalnym zwiększeniu grubości blach i średnicy śrub.

Grupa C

Grupa C ma podobne połączenie, ale w odróżnieniu od grup A i B jest ono bardziej odpowiednie dla obciążeń poziomych, ponieważ blacha węzłowa jest obrócona o ćwierć obrotu. Ponownie mamy do czynienia z mimośrodem i napotykamy te same problemy co w Grupie A. Zastosowanie czterech śrub zamiast dwóch czyni złącze sztywniejszym, ale nadal obserwujemy duże odkształcenia plastyczne i deformacje. Przyspawanie blachy węzłowej do usztywnienia i zwiększenie grubości blach pomagają uczynić złącze sztywniejszym, jednak mimośród zawsze będzie obecny.

Poprzez zwiększenie grubości blach z 15 mm do 30 mm złącze może spełnić wymagania projektowe przy śrubach 4x M24 8.8.

Ten typ złącza działa najbezpieczniej bez mimośrodów. Jeśli mimośród jest nieunikniony ze względów praktycznych, połączenie będzie szczególnie odpowiednie do przenoszenia siły poprzecznej w jednym kierunku – w kierunku, w którym połączenie jest najsztywniejsze. Kombinacja mimośrodu z dużą normalną siłą ściskającą i siłą poprzeczną w słabym kierunku połączenia spowoduje wyboczenie elementu i ryzyko utraty stateczności.

Analiza wyboczenia

Aby właściwie ocenić to ryzyko, zasadne jest przeprowadzenie dodatkowej analizy wyboczenia. W IDEA StatiCa można przeprowadzić liniową analizę wyboczenia, która pokazuje, że dla blach o niewystarczającej grubości może wystąpić postać wyboczenia przypominająca globalne wyboczenie. Na podstawie odpowiadającego współczynnika wyboczenia można to zinterpretować jako zniszczenie przez wyboczenie.

Więcej informacji na ten temat oraz o tym, jak IDEA StatiCa przeprowadza liniową analizę wyboczenia, można znaleźć w następującym artykule: Wyboczenie globalne a wyboczenie lokalne. Co to oznacza?

Grupa D

Grupa D przyjmuje inne podejście i problemy widoczne w pierwszych trzech grupach są bezpośrednio unikane poprzez kontynuowanie belek krawędziowych. IPE400 jest połączony z częściowo ciągłym słupem za pomocą płyty czołowej, a z belką krawędziową za pomocą małej płytki nakładkowej. Wyniki pokazują, że połączenie działa konstrukcyjnie dobrze, a siły są efektywnie przenoszone.

Ponieważ jest to połączenie ścinane, grupa zaleca zastosowanie otworu podłużnego w płytce żebrowej, aby zapobiec przenoszeniu nadmiernej siły przez śrubę podczas obrotu belki. Pozwala to uniknąć wysokich naprężeń w płytce nakładkowej i ścianie prostokątnego przekroju zamkniętego. To rozważanie projektowe wpływa również na sztywność obrotową złącza.

Analiza sztywności

Aby określić dokładną sztywność złącza, można przeprowadzić analizę sztywności w IDEA StatiCa. Generowany jest wykres moment-obrót, a na podstawie Eurokodu złącze można sklasyfikować jako w pełni sztywne, podatne lub przegubowe.

Analizując połączenie dźwigara dachowego dla Grupy D, IDEA StatiCa podaje sztywność obrotową, która jest uznawana za podatną (Semi-rigid). Sztywność tę można uwzględnić w globalnym modelu konstrukcji za pomocą sztywności sprężyny obrotowej.

Jeśli jednak wymagane jest proste połączenie, detal musi zostać zmodyfikowany tak, aby połączenie było faktycznie sklasyfikowane jako przegubowe (Pinned). Jak pokazano na poniższym rysunku, w sytuacji (2) przegub został zrealizowany poprzez obniżenie górnego rzędu śrub. 

Grupa E

Grupa E przedłużyła belkę dachową i oparła ją na szczycie słupa. Belki krawędziowe zostały przymocowane do dźwigara dachowego za pomocą płyt czołowych, zapewniając właściwe przenoszenie sił w złączu.

Aby umożliwić montaż śrub, grupa zaproponowała wycięcie w ścianie przekroju zamkniętego. Przemyślane rozwiązanie, ponieważ praktyczność jest kluczowym zagadnieniem. Wycięcie tworzy inny rozkład naprężeń w karbcie, ale dzięki zastosowaniu okrągłego wycięcia koncentracje naprężeń pozostają ograniczone.

Grupa F

Jak widzieliśmy, połączenie belek krawędziowych stwarza wyzwania projektowe. Grupa F rozwiązuje je, zastępując belki krawędziowe przekrojami HEA160. Ułatwia to połączenie belek ze słupem i zapewnia wystarczającą przestrzeń do montażu śrub. Połączenie dobrze pracuje na ściskanie, a płyty czołowe efektywnie kierują siły przez słup.

Jednak belki krawędziowe mogą być również poddane sile rozciągającej wynoszącej 400 kN. W tym przypadku obciążenia połączenie nie jest zadowalające. Poprzez zwiększenie grubości płyt czołowych z 15 mm do 20 mm spełnione są wymagania nośności i połączenie jest odpowiednie zarówno dla obciążeń rozciągających, jak i ściskających.

Connection Library

Nie wiesz, jak zamodelować konkretne złącze stalowe? Connection Library w IDEA StatiCa daje natychmiastowy dostęp do dziesiątek praktycznych przykładów, pomagając szybciej znaleźć właściwe rozwiązanie. To cenne źródło, z którego wielu inżynierów konstruktorów korzysta jako inspiracji przy projektowaniu połączeń stalowych.

2 - Zaprojektuj połączenie płyty podstawy słupa z tężnikiem

Drugie zadanie projektowe dotyczy połączenia płyty podstawy słupa. Ukośny tężnik może być wykonany w trzech różnych przekrojach i jest obciążony siłą ściskającą wynoszącą 500 kN. Sam słup jest poddany znacznej sile ściskającej wynoszącej 2000 kN.

Uwaga skupia się na połączeniu między tężnikiem a słupem, a także na projektowaniu płyty podstawy, w tym kotew i fundamentu. Na podstawie złożonych szkiców i prezentacji połączenia zostały zamodelowane i przeanalizowane w IDEA StatiCa. Po raz kolejny projekt ten pokazuje, że możliwe jest wiele rozwiązań połączeń: nie ma jednej właściwej odpowiedzi. Poniżej przedstawiamy przegląd różnych projektów wraz z wynikami z IDEA StatiCa. Następnie omawiamy główne zagadnienia projektowe, odnosząc się do grup zbiorowo, a nie indywidualnie.

Połączenie tężnika ze słupem

Do połączenia tężnika trzy grupy (A, C, E) wybrały połączenie z płytą czołową i króćcem, a pozostałe trzy grupy (B, D, F) wybrały połączenie z blachą węzłową na śruby.

Projekt połączenia z króćcem zapewnia bezpośrednie przenoszenie siły ściskającej bez komplikacji w połączeniu. Wybierając przekrój HEA, montaż śrub jest łatwo wykonalny, a środnik elementu ukośnego jest wyrównany ze środnikiem słupa. W rezultacie naprężenia są dobrze przenoszone do słupa, jak widać w rozwiązaniach grup A, C i E (patrz rysunek).

Natomiast grupy B, D i F wybrały połączenie z blachą węzłową. Rozważano obrócenie słupa o ćwierć obrotu, tak aby tężnik mógł być połączony wewnątrz słupa bez zajmowania zbyt dużej przestrzeni. Jednak w takim przypadku blacha węzłowa jest połączona bezpośrednio, ale poprzecznie, ze środnikiem słupa, i ze względu na duże siły ściskające mogą wówczas wystąpić naprężenia szczytowe w środniku słupa. Obliczenia w IDEA StatiCa pokazują, że projekt jest tuż w granicach dopuszczalnych, ale inżynier konstruktor powinien zachować ostrożność. Jeśli środnik zaczyna odkształcać się plastycznie, zaleca się obrócenie słupa, zwiększenie grubości środnika lub dodanie usztywnień.

W projektach z połączeniem na blachę węzłową korzystne jest wykonanie połączenia symetrycznie i nieprzepuszczanie blach zbyt daleko, z tych samych powodów, które omówiliśmy w pierwszym zadaniu projektowym. Połączenie B ma układ asymetryczny, ale blacha o grubości 20 mm i zastosowanie sześciu śrub skutecznie przenoszą powstały moment, utrzymując naprężenia w dopuszczalnych granicach.

Projektowanie płyty podstawy słupa

Istnieją również ważne zagadnienia przy projektowaniu płyty podstawy i fundamentu betonowego. Ze względu na duże siły ściskające kluczowe jest, aby naprężenia były dobrze rozłożone przez płytę podstawy na beton. Można to osiągnąć, wybierając grubszą płytę i czyniąc ją szerszą niż przekrój słupa, tak aby naprężenia były lepiej rozłożone.

Poniższy rysunek porównuje naprężenia w płycie podstawy i naprężenia kontaktowe w betonie dla płyty podstawy o grubości 40 mm i 10 mm. Jeśli płyta podstawy jest zbyt cienka, naprężenia koncentrują się wokół przekroju słupa zamiast być efektywnie rozłożone. W rezultacie efektywna powierzchnia kontaktu z betonem staje się zbyt mała, co prowadzi do naprężeń ściskających przekraczających dopuszczalną granicę.

Fundament słupa

Obserwujemy różne rozwiązania fundamentowe, z podlewką lub bez, oraz kotwy z podkładkami lub bez. Stosowane kotwy mają średnice od M20 do M30.

Obliczenia w IDEA StatiCa pokazują, że żadne z połączeń nie jest zadowalające przy sprawdzeniu normowym kotew. Domyślnie siły poprzeczne są przenoszone przez kotwy. Kotwy M20 okazują się niewystarczająco nośne i nie mogą przenieść sił poprzecznych. Natomiast kotwy M30 8.8 w połączeniu z podkładką są wystarczająco nośne do przeniesienia sił poprzecznych. Niemniej jednak sprawdzenie normowe nadal nie jest zadowalające, ponieważ problem nie leży teraz w stali, lecz w zniszczeniu betonu.

Siły poprzeczne na kotwach powodują zniszczenie krawędziowe betonu, przy czym kotwy wyrywają się z betonu. IDEA StatiCa Connection oblicza dla betonu niezbrojnego, więc zniszczenie betonu przy większych siłach jest nieuniknione.

Jeśli sił nie można zmniejszyć, pozostają cztery możliwe rozwiązania.

1. Zoptymalizuj przenoszenie siły poprzecznej poprzez dodanie ostrogi. W ten sposób całe ścinanie jest przenoszone przez ostrogę, a zniszczenie kotew i wyrwanie betonu są unikane.
2. Przenoś siły poprzeczne przez tarcie, a nie przez kotwy. Duża siła ściskająca w słupie zapewnia wystarczającą nośność na tarcie. 
3. Zmodyfikuj blok betonowy. Poprzez zwiększenie odległości od krawędzi lub klasy betonu zmniejsza się prawdopodobieństwo wyrwania betonu.
4. Zaprojektuj zbrojenie dodatkowe w bloku betonowym. W ten sposób zbrojenie stalowe przenosi siły rozciągające i zapobiega wyrwaniu betonu. To rozwiązanie można zamodelować i przeanalizować za pomocą IDEA StatiCa 3D Detail.

Jak pokazują szkice projektantów, tylko Grupa E uwzględniła zbrojenie w swoim projekcie. Poprzez dodanie zbrojenia stalowego do elementu betonowego można zapobiec mechanizmom zniszczenia, takim jak wyrwanie stożka betonowego i zniszczenie krawędziowe betonu.

Chcesz wiedzieć, jak zaoszczędzić czas przy projektowaniu zbrojenia bez uszczerbku dla bezpieczeństwa?

• Obejrzyj to webinarium o wykorzystaniu zbrojenia w projektowaniu kotew
• Lub zapoznaj się z tym samouczkiem IDEA StatiCa dotyczącym mimośrodowo obciążonego zakotwienia w Detail.

Podsumowanie

Połączenia stalowe zostały zaprojektowane przez 6 grup, zamodelowane w IDEA StatiCa i omówione z doświadczonymi inżynierami konstruktorami. Korzystając z IDEA StatiCa, mogliśmy szczegółowo przeanalizować wyniki oraz zidentyfikować i omówić ważne zagadnienia projektowe. Ten warsztat pokazuje, że wiele połączeń można projektować na nieskończenie wiele sposobów i że nigdy nie ma jednego właściwego rozwiązania. Doświadczyliśmy znaczenia rysowania w skali i śledzenia drogi sił w połączeniu. Analiza sztywności i wizualizacja sposobu deformacji złącza to dobry eksperyment myślowy pozwalający zrozumieć, jak złącze będzie się zachowywać.

"Wyobraźnia jest ważniejsza niż wiedza" – powiedział kiedyś pewien człowiek o imieniu Albert Einstein. I z pewnością dotyczy to również projektowania połączeń stalowych. Każdy, kto potrafi sobie wyobrazić, jak wygląda złącze, jak zostanie wykonane, czy proporcje są właściwe, jak będą przepływać siły i jak połączenie będzie się deformować, jest już o krok bliżej do zostania najlepszym projektantem połączeń stalowych.