Nośność na ścinanie blokowe jest obliczana nieco inaczej w każdej normie. W tym przykładzie nośność na ścinanie blokowe wyznaczona metodą CBFEM jest porównywana z programem badań eksperymentalnych opisanym w szczegółowym raporcie opracowanym na Uniwersytecie Alberty w Kanadzie.

Materiał i geometria

Materiał blachy: 350W (\(f_y = 350\,\textrm{MPa},\,f_u = 450\,\textrm{MPa}\))

Współczynnik nośności stali: \(\phi=0.9\)

Rzeczywiste właściwości materiału są zaskakująco niższe od wartości nominalnych (tabela pochodzi z raportu). W CBFEM stosowane są wartości nominalne ze współczynnikiem nośności.

Grubość blachy: 6,4 mm

Śruby: średnica 1/2 cala, gatunek A325, średnica otworu na śrubę = średnica śruby

Stanowisko badawcze składa się z wzmocnionego połączenia (część górna) i połączenia badanego (część dolna). W CBFEM modelowane jest wyłącznie połączenie badane. Poniższy rysunek pochodzi z raportu.

Zastosowano dwa warianty geometrii:

• Śruby blisko siebie (rozstaw 51 mm; próbki T1A, T1B i T1C)

• Śruby z większym rozstawem, 152 mm (próbki T2B i T2C)

Wyniki

Odkształcenia w CBFEM są odczytywane z podobnych lokalizacji jak w eksperymencie, w trybie deweloperskim, w którym można wizualizować przemieszczenia. Wartości są odczytywane ze skali, więc odkształcenia nie są dokładnie precyzyjne.

Krzywe obciążenie-odkształcenie odpowiadają dość ściśle wykresom eksperymentalnym zaczerpniętym z raportu. Różnice wynikają z zastosowania wartości nominalnych i współczynnika nośności w CBFEM. Model wykorzystuje również wyłącznie dwuliniowy diagram materiałowy z nieznacznym umocnieniem. Ponadto kształt odkształcony uzyskany w CBFEM dobrze odpowiada wynikowi eksperymentu, a odkształcenie plastyczne koncentruje się w górnej części między śrubami, co sugeruje, że zerwanie rozciągające nastąpi przed zerwaniem ścinającym po bokach. 

Należy zauważyć, że graniczne odkształcenie plastyczne 5% (pomarańczowa kropka na poniższych wykresach) jest osiągane przy bardzo małym odkształceniu i na długo przed jakimkolwiek pęknięciem. Zerwanie rozciągające następuje przy odkształceniu plastycznym wynoszącym odpowiednio 45% i 42% dla geometrii T1 i T2B/C. Płaszczyzny ścinania są jeszcze bardziej plastyczne, jednak nośność jest już znacznie obniżona.

Wnioski

W CBFEM nośność na ścinanie blokowe grupy śrub jest wyznaczana metodą analizy elementów skończonych i sprawdzana przy 5% granicznym odkształceniu plastycznym. Porównanie z wynikami eksperymentalnymi z raportu badawczego pokazuje, że diagram obciążenie-odkształcenie jest dobrze odwzorowany, mimo że w CBFEM stosowana jest stosunkowo gruba siatka i uproszczony model materiałowy. Kolejnym istotnym wnioskiem jest to, że graniczne odkształcenie plastyczne 5% jest osiągane przy bardzo małym odkształceniu, na długo przed jakimkolwiek pęknięciem. 

CBFEM służy do wyznaczania nośności obliczeniowej, a nie do idealnego odwzorowania rzeczywistego zachowania połączeń. Choć graniczne odkształcenie plastyczne 5% jest bardzo bezpieczne w tych dwóch przypadkach nośności na ścinanie blokowe, użytkownicy nie powinni zwiększać tej granicy.

Literatura:

Huns, Bino Baljit Singh, Grondin, Gilbert Y., Driver, Robert G. Block shear behaviour of bolted gusset plates, Structural engineering report SER 248 | SER-ID SER248, University of Alberta, 2002. Dostępne pod adresem: https://era.library.ualberta.ca/items/cf9bf338-36ca-4557-9bb2-ee198954bd00