Weryfikacje

Sztywność na zginanie spawanego złącza przekrojów otwartych

Steel

Connection

CBFEM

Rotational stiffness

Stiffness

Welds

EN (Eurocode)

Ten artykuł jest również dostępny w:

Przetłumaczone przez AI z języka angielskiego

Ten przykład weryfikacyjny zawiera rozdział 10.1 książki „Benchmark cases for advanced design of structural steel connections" autorstwa prof. Walda i jego zespołu.

Opis

Prognozowanie sztywności obrotowej opisano na przykładzie spawanego złącza momentowego okapu. Analizowane jest spawane złącze przekroju otwartego – słupa HEB i belki IPE, a zachowanie złącza opisano na wykresie moment-obrót. Wyniki modelu analitycznego metodą składnikową (CM) porównano z wynikami numerycznymi uzyskanymi metodą składnikową opartą na Metodzie Elementów Skończonych (CBFEM). Dostępny jest przypadek benchmarkowy.

Model analityczny

Sztywność obrotową złącza należy wyznaczać na podstawie odkształceń jego podstawowych składników, które są reprezentowane przez współczynnik sztywności k_i. Sztywność obrotowa złącza S_j jest wyznaczana ze wzoru:

\[ S_j = \frac{E z^2}{\mu \Sigma_i \frac{1}{k_i}} \]

gdzie:

k_i jest współczynnikiem sztywności składnika złącza i;
z jest ramieniem sił; patrz 6.2.7;
μ jest współczynnikiem sztywności; patrz 6.3.1.

Składniki złącza uwzględnione w tym przykładzie to: środnik słupa w strefie ścinania k₁, środnik słupa na ściskanie k_2, oraz środnik słupa na rozciąganie k₃. Współczynniki sztywności są zdefiniowane w Tabeli 6.11 normy EN 1993-1-8:2005. Sztywność początkowa S_j,ini jest wyznaczana dla momentu M_j,Ed ≤ 2/3 M_j_,Rd.

\[S_j = \frac{E \, z^{2}}{\frac{1}{k_1} + \frac{1}{k_2} + \frac{1}{k_3}}\]

\[S_{j,\text{ini}} = \frac{S_j}{1.5^{\psi}}\]

gdzie

\(S_{j}\) — sztywność obrotowa złącza

\(\psi\) = 2,7 — EN 1993-1-8 tabela 6.8

W przykładzie belka o przekroju otwartym IPE 400 jest spawana do słupa HEB 300. Półki belki są połączone z półką słupa spoinami o grubości spoiny 9 mm. Środnik belki jest połączony spoinami o grubości spoiny 5 mm. W spoinach przyjęto plastyczny rozkład naprężeń. Materiał belki i słupa to S235. Nośność obliczeniowa jest ograniczona przez składniki: panel środnika słupa na ścinanie oraz panel środnika słupa na poprzeczne ściskanie. Obliczone współczynniki sztywności podstawowych składników, sztywność początkowa, sztywność przy nośności obliczeniowej oraz obrót belki zostały zestawione w Tab. 10.1.1.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 10.1.1 Wyniki modelu analitycznego}}}\]

Model numeryczny

Szczegółowe informacje dotyczące prognozowania sztywności w CBFEM można znaleźć w rozdziale 3.9. Modelowane jest to samo spawane złącze momentowe okapu, a wyniki przedstawiono w Tab. 10.1.2. Nośność obliczeniowa jest osiągana przy 5% odkształceniu plastycznym w składniku – środniku słupa na rozciąganie. Analizy CBFEM umożliwiają obliczanie sztywności obrotowej na każdym etapie obciążenia.

Przegląd eksperymentalny

Na potrzeby porównania przekrój słupa przyjęto jako HEB300, natomiast przekrój belki był zmienny. Wszystkie zastosowane materiały to S235.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 10.1.2 Przegląd eksperymentalny}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 10.1.3 Przegląd eksperymentalny}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Rys. 1 Weryfikacja CBFEM względem CM}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Rys. 2 Analiza wrażliwości przekroju belki IPE}}}\]

Weryfikacja sztywności

Sztywność obrotowa obliczona metodą CBFEM jest porównywana z metodą CM. Porównanie wykazuje dobrą zgodność sztywności początkowej oraz odpowiedniość zachowania złącza. Obliczone wartości sztywności metodami CBFEM i CM zestawiono w Tab. 10.1.3.

Przygotowano porównanie globalnego zachowania spawanego złącza momentowego okapu opisanego wykresem moment-obrót. Złącze jest analizowane, a sztywność podłączonej belki jest obliczana. Główną charakterystyką jest sztywność początkowa obliczona przy 2/3M_j,Rd, gdzie M_j,Rd jest obliczeniową nośnością momentową złącza. Wykres moment-obrót przedstawiono na Rys. 10.1.1.