Śrubowe połączenie momentowe okapu ramy portalowej

Opis

Celem niniejszego opracowania jest weryfikacja śrubowego połączenia okapu ramy portalowej, przedstawionego na Rys. 9.2.1. Krokiew jest połączona za pomocą płyty czołowej z półką słupa. Słup jest usztywniony dwoma poziomymi usztywnieniami na poziomach półek belki. Elementy ściskane, np. poziome usztywnienia słupa, środnik w strefie ścinania lub ściskania oraz ściskana półka belki, są projektowane jako przekroje klasy 3. Pozioma belka ma długość 6 m i jest obciążona ciągłym obciążeniem na całej długości.

Rys. 9.2.1 Śrubowe połączenie okapu ramy portalowej

Model analityczny

Analizowanych jest osiem składników: spoina pachwinowa, środnik w strefie ścinania, środnik słupa na poprzeczne ściskanie, środnik słupa na poprzeczne rozciąganie, półka belki na ściskanie i rozciąganie, półka słupa na zginanie, płyta czołowa na zginanie oraz śruby. Wszystkie składniki są projektowane zgodnie z EN 1993-1-8:2005. Wartości obliczeniowe obciążeń składników zależą od ich położenia. Środnik w strefie ścinania jest obciążony wartościami obliczeniowymi na pionowej osi słupa. Pozostałe składniki są obciążone zredukowanymi wartościami obliczeniowymi w półce słupa, do której podłączona jest pozioma belka.

Spoina pachwinowa

Spoina jest zamknięta wokół całego przekroju poprzecznego belki. Grubość spoiny na półkach może różnić się od grubości spoiny na środniku. Pionowa siła ścinająca jest przenoszona wyłącznie przez spoiny na środniku, przy czym przyjmuje się plastyczny rozkład naprężeń. Moment gnący jest przenoszony przez cały kształt spoiny, przy czym przyjmuje się sprężysty rozkład naprężeń. Uwzględnia się efektywną szerokość spoiny zależną od poziomej sztywności słupa (ze względu na zginanie nieusztywnionej półki słupa). Projektowanie spoiny odbywa się zgodnie z EN 1993-1-8:2005, pkt 4.5.3.2(6). Sprawdzenie przeprowadza się w dwóch głównych punktach: na górnej lub dolnej krawędzi półki (maksymalne naprężenie od zginania) oraz w miejscu przecięcia półki i środnika (kombinacja naprężeń od siły ścinającej i momentu gnącego).

Środnik w strefie ścinania

Grubość środnika słupa jest projektowana co najwyżej jako klasa trzecia; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.1(1). Uwzględnia się dwa wkłady w nośność: nośność ściany słupa na ścinanie oraz wkład wynikający z ramowego zachowania półek słupa i poziomych usztywnień; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.1 (6.7 i 6.8).

Środnik słupa na poprzeczne ściskanie lub rozciąganie

Uwzględnia się wpływ interakcji z obciążeniem ścinającym; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.2 i Tab. 6.3. Uwzględnia się wpływ naprężeń podłużnych w ścianie słupa; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.2(2). Poziome usztywnienia zapobiegają wyboczeniu i są uwzględniane w nośności tego składnika poprzez efektywne pole przekroju.

Półka belki na ściskanie

Pozioma belka jest projektowana co najwyżej jako klasa trzecia.

Półka słupa lub płyta czołowa na zginanie

Efektywne długości dla zniszczeń kołowych i niekołowych są uwzględniane zgodnie z EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6. Uwzględnia się trzy tryby zniszczenia zgodnie z EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.4.1.

Śruby

Śruby są projektowane zgodnie z EN 1993-1-8:2005, pkt 3.6.1. Nośność obliczeniowa uwzględnia nośność na przebicie i zerwanie śruby.

Numeryczny model obliczeniowy

Teownik jest modelowany za pomocą 4-węzłowych elementów powłokowych, jak opisano w Rozdziale 3 i podsumowano poniżej. Każdy węzeł ma 6 stopni swobody. Odkształcenia elementu składają się z wkładów membranowych i gnących. Nieliniowy sprężysto-plastyczny stan materiału jest badany w każdej warstwie punktu całkowania. Sprawdzenie opiera się na maksymalnym odkształceniu określonym zgodnie z EN 1993-1-5:2006 na poziomie 5 %. Śruby są podzielone na trzy podskładniki. Pierwszym jest trzon śruby, modelowany jako nieliniowa sprężyna przenosząca wyłącznie rozciąganie. Drugi podskładnik przenosi siłę rozciągającą do półek. Trzeci podskładnik rozwiązuje przenoszenie ścinania.

Zachowanie globalne

Przeprowadzono porównanie globalnego zachowania złącza, opisanego wykresami moment-obrót dla obu wymienionych powyżej procedur obliczeniowych. Uwagę skupiono na głównych charakterystykach wykresu moment-obrót: sztywności początkowej, nośności obliczeniowej i zdolności do odkształceń. Belka IPE 330 jest połączona ze słupem HEB 300 za pomocą wydłużonej płyty czołowej z 5 rzędami śrub M24 8.8. Wyniki obu procedur obliczeniowych przedstawiono na wykresie na Rys. 9.2.2 oraz w Tab. 9.2.1. Metoda składnikowa (CM) daje na ogół wyższą sztywność początkową w porównaniu z CBFEM. CBFEM daje nieznacznie wyższą nośność obliczeniową w porównaniu z CM we wszystkich przypadkach, jak pokazano w Rozdziale 9.2.5. Różnica wynosi do 10%. Porównano również zdolność do odkształceń. Zdolność do odkształceń obliczono zgodnie z (Beg i in. 2004), ponieważ EC3 zapewnia ograniczone podstawy do obliczania zdolności do odkształceń złączy z płytą czołową.

Rys. 9.2.2 Wykres moment-obrót

Tab. 9.2.1 Przegląd zachowania globalnego

Weryfikacja nośności

W kolejnym kroku nośność obliczeniowa wyznaczona metodą CBFEM została porównana z wynikami metody składnikowej. Porównanie skupiało się zarówno na nośności, jak i na składniku krytycznym. Badanie przeprowadzono dla parametru przekroju poprzecznego słupa. Belka IPE 330 jest połączona ze słupem za pomocą wydłużonej płyty czołowej z 5 rzędami śrub. Zastosowano śruby M24 8.8. Wymiary płyty czołowej P15 z odległościami krawędziowymi i rozstawami śrub w milimetrach są następujące: wysokość 450 (50-103-75-75-75-73) i szerokość 200 (50-100-50). Zewnętrzna krawędź górnej półki znajduje się 91 mm od krawędzi płyty czołowej. Półki belki są połączone z płytą czołową spoinami o grubości spoiny 8 mm. Środnik belki jest połączony spoiną o grubości spoiny 5 mm. Słup jest usztywniony poziomymi usztywnieniami naprzeciwko półek belki. Usztywnienia mają grubość 15 mm, a ich szerokość odpowiada szerokości słupa. Grubość usztywnienia płyty czołowej wynosi 10 mm, a jego szerokość 90 mm. Wyniki przedstawiono w Tab. 9.2.2 i Rys. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Nośność obliczeniowa dla parametru – profil słupa

Rys. 9.2.3 Nośność obliczeniowa w zależności od przekroju poprzecznego słupa

Aby zilustrować dokładność modelu CBFEM, wyniki badań parametrycznych podsumowano na wykresie porównującym nośności przewidywane przez CBFEM i CM; patrz Rys. 9.2.4. Wyniki pokazują, że CBFEM daje nieznacznie wyższą nośność obliczeniową w porównaniu z CM w niemal wszystkich przypadkach. Różnica między obiema metodami wynosi do 10%.

Rys. 9.2.4 Weryfikacja CBFEM względem CM

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

• Stal S235
• Belka IPE 330
• Słup HEB 300
• Wysokość płyty czołowej h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Szerokość płyty czołowej b_p = 200 (50-100-50) mm
• Płyta czołowa P15
• Usztywnienia słupa o grubości 15 mm i szerokości 300 mm
• Usztywnienie płyty czołowej o grubości 10 mm, szerokości i wysokości 90 mm, fazowanie 20 mm 
• Grubość spoiny półki a_f = 8 mm
• Grubość spoiny środnika i usztywnienia płyty czołowej a_w = 5 mm
• Śruby M24 8.8

Wyniki

• Nośność obliczeniowa na zginanie M_Rd = 206 kNm
• Odpowiadająca pionowa siła ścinająca V_Ed= –206 kN
• Tryb zniszczenia: uplastycznienie usztywnienia belki na górnej półce
• Stopień wykorzystania śrub 90,2 %
• Stopień wykorzystania spoin 99,0 %