Sprawdzenie elementów połączenia stalowego (HKG)

Sprawdzenie normowe płyt zgodnie z Hong Kong Code

Wynikowe naprężenie zastępcze (HMH, von Mises) oraz odkształcenie plastyczne są obliczane dla płyt. Gdy obliczeniowa granica plastyczności, \(p_y\) (Cl. 3.1.2), na dwuliniowym wykresie materiałowym zostaje osiągnięta, przeprowadzane jest sprawdzenie zastępczego odkształcenia plastycznego. Wartość graniczna 5% jest zalecana w Eurokodzie (EN 1993-1-5 Zał. C, Par. C8, Uwaga 1). Wartość tę można modyfikować w ustawieniach normy, jednak badania weryfikacyjne zostały przeprowadzone dla tej zalecanej wartości. 

Element płytowy jest podzielony na pięć warstw, a zachowanie sprężyste/plastyczne jest analizowane w każdej z nich. Program wyświetla najgorszy wynik spośród wszystkich warstw.

Naprężenie może być nieznacznie wyższe niż obliczeniowa granica plastyczności. Przyczyną jest niewielkie nachylenie gałęzi plastycznej wykresu naprężenie-odkształcenie, stosowane w analizie w celu poprawy stabilności obliczeń.

\[ p_y = \min \left \{ \frac{Y_s}{\gamma_{m1}}, \frac{U_s}{\gamma_{m2}} \right \} \]

gdzie:

• \(p_y\) – obliczeniowa granica plastyczności
• \(Y_s\) – charakterystyczna granica plastyczności
• \(U_s\) – minimalna wytrzymałość na rozciąganie
• \(\gamma_{m1}\) – współczynnik materiałowy (Tabela 4.1); wartość domyślna \(\gamma_{m1} = 1\) edytowalna w ustawieniach normy
• \(\gamma_{m2}\) – współczynnik materiałowy (Tabela 4.1); wartość domyślna \(\gamma_{m2} = 1.2\) edytowalna w ustawieniach normy

Sprawdzenie normowe spoin zgodnie z Hong Kong Code

Spoiny czołowe

Zakłada się spoiny czołowe pełnego przetopu, a ich nośność jest przyjmowana jako równa nośności materiału rodzimego – Cl. 9.2.5.2.1.

Spoiny pachwinowe

Spoiny pachwinowe są projektowane metodą uproszczoną zgodnie z Cl. 9.2.5.1.6. 

\[ f_w \le p_w \]

• \(f_w = \sqrt{\sigma_\perp ^2 + \tau_\perp ^2 + \tau_\parallel ^2}\) – wektorowa suma naprężeń w gardzieli spoiny we wszystkich kierunkach
• \(p_w\) – obliczeniowa wytrzymałość spoiny pachwinowej wyznaczona zgodnie z Tabelami 9.2a i 9.2b; dla przypadków nieujętych w Tabelach 9.2a i 9.2b:
  • \(p_w = \min \{0.5 U_e, 0.55 U_s\}\) – dla elektrody EN stosowanej ze stalą EN
  • \(p_w = 0.38 \min \{U_e, U_s\}\) – dla pozostałych przypadków
• \(U_e\) – minimalna wytrzymałość na rozciąganie elektrody
• \(U_s\) – minimalna wytrzymałość na rozciąganie

Efektywna długość spoiny pachwinowej jest redukowana o \(2\cdot s\) zgodnie z Cl. 9.2.5.1.3, gdzie \(s\) jest rozmiarem nogi spoiny pachwinowej przyjmowanym jako równy \(a\cdot \sqrt{2}\).

Tabele 9.2a i 9.2b: Wytrzymałości obliczeniowe \(p_w\) [MPa]

Domyślna minimalna wytrzymałość na rozciąganie elektrody \(U_e\) [MPa]

Wykresy spoin przedstawiają naprężenia zgodnie z następującym wzorem:

\[ \sigma = \sqrt{\sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + 3 \tau_{\parallel}^2 } \]

Sprawdzenie normowe śrub zgodnie z Hong Kong Code

Śruby na rozciąganie

Nośność śruby na rozciąganie jest sprawdzana zgodnie z Cl. 9.3.7.1 jako:

\[ P_t = A_s \cdot p_t \]

gdzie:

• \(A_s\) – pole przekroju czynnego na rozciąganie
• \(p_t\) – wytrzymałość na rozciąganie uzyskana z Tabeli 9.8

Siły podważające są uwzględniane przez analizę metodą elementów skończonych.

Śruby na ścinanie

Nośność śruby na ścinanie jest przyjmowana zgodnie z Cl. 9.3.6.1.1 jako:

\[ P_s = p_s \cdot A_s \]

gdzie:

• \(p_s\) – obliczeniowa wytrzymałość na ścinanie uzyskana z Tabeli 9.5
• \(A_s\) – efektywne pole przekroju na ścinanie; \(A_s = A_t\) jeśli gwint jest przecięty przez płaszczyznę ścinania, w przeciwnym razie \(A_s\) przyjmuje się jako pole przekroju trzpienia
• \(A_t\) – pole przekroju czynnego na rozciąganie 

Zgodnie z Cl. 9.3.6.1.6, gdy śruba przechodzi przez podkładkę o grubości \(t_{pa}\) większej niż jedna trzecia nominalnej średnicy \(d\), jej nośność na ścinanie \(P_s\) powinna być zredukowana przez pomnożenie przez współczynnik redukcyjny \(\beta_p\) wyznaczony ze wzoru:

\[ \beta_p = \frac{9d}{8d+3t_{pa}} \le 1 \]

Śruby na kombinację rozciągania i ścinania

Kombinacja rozciągania i ścinania jest sprawdzana zgodnie z Cl. 9.3.8.1 jako:

\[ \frac{F_s}{P_s} + \frac{F_{tot}}{P_t} \le 1.4 \]

gdzie:

• \(F_s\) – siła ścinająca w śrubie
• \(P_s\) – nośność śruby na ścinanie
• \(F_{tot}\) – całkowita siła rozciągająca w śrubie, łącznie z siłą podważającą
• \(P_t\) – nośność śruby na rozciąganie

Śruby na docisk

Nośność śruby na docisk jest przyjmowana zgodnie z Cl. 9.3.6.1.2 jako:

\[ P_{bb} = d \cdot t_p \cdot p_{bb} \]

gdzie:

• \(d\) – nominalna średnica śruby
• \(t_p\) – grubość łączonej blachy
• \(p_{bb}\) – wytrzymałość na docisk śruby uzyskana z Tabeli 9.6

Każda blacha jest sprawdzana oddzielnie, a wynik najbardziej niekorzystny jest prezentowany.

Nośność na docisk łączonych elementów jest przyjmowana zgodnie z Cl. 9.3.6.1.3 jako minimum z poniższych:

\[ P_{bs} = k_{bs} \cdot d \cdot t_p \cdot p_{bs} \]

\[ P_{bs} = 0.5 \cdot k_{bs} \cdot e \cdot t_p \cdot p_{bs} \]

\[ P_{bs} = 1.5 \cdot l_c \cdot t_p \cdot U_s \le 2.0 \cdot d \cdot t_p \cdot U_b \]

gdzie:

• \(k_{bs}\) – współczynnik otworu przyjmowany jako
  • dla otworów standardowych \(k_{bs} = 1.0\)
  • dla otworów powiększonych i krótkich otworów owalnych \(k_{bs} = 0.7\)
  • dla długich otworów owalnych \(k_{bs} = 0.5\)
• \(d\) – nominalna średnica śruby
• \(t_p\) – grubość łączonej blachy
• \(p_{bs}\) – wytrzymałość na docisk łączonych elementów
  • dla stali gatunku S275, \(p_{bs} = 460\) MPa
  • dla stali gatunku S355, \(p_{bs} = 550\) MPa
  • dla stali gatunku S460, \(p_{bs} = 670\) MPa
  • dla stali innych gatunków, \(p_{bs} = 0.67 (U_s+Y_s)\)
• \(e\) – odległość krawędziowa w kierunku siły ścinającej mierzona od osi śruby
• \(l_c\) – netto odległość między krawędzią nośną otworów a bliską krawędzią sąsiedniego otworu w tym samym kierunku przenoszenia obciążenia
• \(U_s\) – minimalna wytrzymałość na rozciąganie łączonej blachy
• \(Y_s\) – charakterystyczna granica plastyczności łączonej blachy
• \(U_b\) – określona minimalna wytrzymałość na rozciąganie śruby

Sprawdzenie normowe śrub i śrub sprężonych zgodnie z Hong Kong Code

Nośność na ścinanie

Nośność na ścinanie śrub sprężonych jest wyznaczana zgodnie z Cl. 9.3.6.2 jako:

\[ P_{SL} = 0.9 \cdot K_s \cdot \mu \cdot P_0 \]

gdzie:

• \(K_s\) – współczynnik otworu przyjmowany jako
  • dla otworów standardowych \(K_s = 1.0\)
  • dla otworów powiększonych \(K_s = 0.85\)
  • dla otworów podłużnych \(K_s = 0.7\)
• \(\mu\) – współczynnik tarcia między łączonymi elementami z Tabeli 9.7; edytowalny w ustawieniach normy
• \(P_0\) – minimalne obciążenie próbne śrub określone w odpowiednich normach międzynarodowych lub lokalnych

Kombinacja rozciągania i ścinania

Kombinacja rozciągania i ścinania jest sprawdzana zgodnie z Cl. 9.3.8.2 jako:

\[ \frac{F_s}{P_{SL}}+\frac{F_{tot}}{0.9\cdot P_0} \le 1.0 \]

gdzie:

• \(F_s\) – siła ścinająca w śrubie
• \(P_{SL}\) – nośność na poślizg śruby sprężonej
• \(F_{tot}\) – całkowita siła rozciągająca przyłożona do śruby, łącznie z siłą podważającą
• \(P_0\) – określone minimalne obciążenie próbne śruby sprężonej

Sprawdzenie normowe bloku betonowego zgodnie z Hong Kong Code

Beton na docisk

Beton na docisk jest sprawdzany zgodnie z CoP – SUoS – Cl. 9.4.1 jako:

\[ \sigma \le w \]

gdzie:

• \(\sigma\) – średnie naprężenie ściskające na efektywnej powierzchni \(A_{eff}\), która jest częścią wspólną dwóch obszarów:
  • \(A_{CM}\) – efektywna powierzchnia wyznaczona zgodnie z Cl. 9.4.1 dla czystego ściskania
  • \(A_{FEM}\) – powierzchnia pod płytą podstawy w kontakcie z betonem wyznaczona metodą MES
• \(w = 0.6 f_{cu}\) – nośność betonu na ściskanie przy obciążeniu skupionym 
• \(f_{cu}\) – minimalna charakterystyczna wytrzymałość betonu na ściskanie

Efektywna powierzchnia \(A_{CM}\) jest powierzchnią elementu stalowego wraz z usztywnieniami przyspawanymi do płyty podstawy, powiększoną o zakład \(c\):

\[ c = t_p \sqrt{\frac{p_{yp}}{3w}} \]

gdzie:

• \(t_p\) – grubość płyty podstawy
• \(p_{yp}\) – obliczeniowa granica plastyczności płyty podstawy

Ciśnienie pod strefą ściskaną jest przyjmowane jako równomierne.

Przeniesienie ścinania

Przyjmuje się, że siła ścinająca w płycie podstawy jest przenoszona ze słupa na fundament betonowy przez:

1. Tarcie między płytą podstawy a betonem/zalewką
2. Ostrogę
3. Śruby kotwiące

Kotwy

Siły rozciągające w kotwach uwzględniają siły podważające i są wyznaczane metodą elementów skończonych.

Kotwy nie są sprawdzane w oprogramowaniu.

Szczegółowe zasady projektowania śrub i spoin według Hong Kong Code

Śruby

Minimalne rozstawienie śrub zgodnie z Cl. 9.3.1.1: Odległość między osiami śrub powinna być większa niż \(2.5 \cdot d\), gdzie \(d\) jest nominalną średnicą śruby.

Minimalna odległość od krawędzi mierzona od osi śruby zgodnie z Tabelą 9.3:

Spoiny

Minimalna długość przyporu spoiny pachwinowej jest sprawdzana zgodnie z Tabelą 9.1.

Projektowanie na podstawie nośności zgodnie z Hong Kong Code

Projektowanie na podstawie nośności nie jest wymagane przez normy Hong Kong.

Klasyfikacja według sztywności zgodnie z Hong Kong Code

Złącza są klasyfikowane według sztywności złącza na:

• Sztywne – złącza z nieznaczną zmianą pierwotnych kątów między elementami,
• Podatne – złącza, które zakłada się jako zdolne do zapewnienia wiarygodnego i znanego stopnia ograniczenia momentowego,
• Przegubowe – złącza, które nie przenoszą momentów gnących.

Złącza są klasyfikowane zgodnie z EN 1993-1-8 – Cl. 5.2.2.

• Sztywne – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \ge k_b \)
• Podatne – \( 0.5 < \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} < k_b \)
• Przegubowe – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \le 0.5 \)

gdzie:

• S_j,ini – sztywność początkowa złącza; sztywność złącza przyjmuje się jako liniową do 2/3 wartości M_j,Rd
• L_b – teoretyczna długość analizowanego elementu; ustawiana we właściwościach elementu
• E – moduł sprężystości Younga
• I_b – moment bezwładności analizowanego elementu
• k_b = 8 dla ram, w których układ stężający redukuje przemieszczenie poziome o co najmniej 80%; k_b = 25 dla pozostałych ram, pod warunkiem że w każdej kondygnacji K_b/K_c ≥ 0,1. Wartość k_b = 25 jest stosowana, chyba że użytkownik ustawi „układ stężony" w ustawieniach normy.
• M_j,Rd – obliczeniowa nośność momentowa złącza
• K_b = I_b / L_b
• K_c = I_c / L_c