Długie połączenia śrubowe i spawane (AISC)

Mark D. Denavit i Rick Mulholland opracowali ten przykład weryfikacyjny w ramach wspólnego projektu Uniwersytetu Tennessee i IDEA StatiCa.

Opis

W niniejszym opracowaniu przedstawiono porównanie wyników uzyskanych metodą CBFEM (component-based finite element method) z tradycyjnymi metodami obliczeniowymi stosowanymi w praktyce amerykańskiej dla długich połączeń śrubowych i spawanych obciążonych na końcach. Opracowanie koncentruje się na stanach granicznych ścinania śrub w długich połączeniach śrubowych oraz zerwania spoiny w długich połączeniach spawanych. Szczególną uwagę poświęcono wpływowi różnicowego odkształcenia, które powoduje nierównomierny rozkład obciążenia między łącznikami oraz nierównomierne naprężenia w długich spoinach pachwinowych. Przedstawiono również porównania z wynikami badań doświadczalnych.

Obliczenia tradycyjne wykonano zgodnie z postanowieniami dotyczącymi projektowania metodą współczynników obciążeń i nośności (LRFD) zawartymi w normie AISC Specification (AISC 2022). Wyniki CBFEM uzyskano z IDEA StatiCa w wersji 23.0. Maksymalne dopuszczalne obciążenia wyznaczono iteracyjnie, dostosowując wartość obciążenia przyłożonego do takiej, którą program uznaje za bezpieczną, lecz której zwiększenie o małą wartość (0,1 kip) spowodowałoby przekroczenie limitu odkształcenia plastycznego 5% lub przekroczenie 100% stopnia wykorzystania śruby lub spoiny. Analizy typu DR mogą pomóc w identyfikacji maksymalnych dopuszczalnych obciążeń. Jednak ze względu na pewne przybliżenia w ocenie nośności obliczeniowej złącza, wszystkie wyniki w niniejszym raporcie opierają się na analizie typu EPS.

Wymagania dotyczące długich połączeń śrubowych i spawanych w normie AISC Specification

Badania doświadczalne i analizy długich połączeń śrubowych i spawanych obciążonych na końcach wykazały, że naprężenia w śrubach i spoinach nie są równomierne (Kulak i in. 2001, Miller 2003). Naprężenia w śrubach i spoinach w pobliżu końców połączenia są większe niż w jego środkowej części. Rozkład naprężeń wzdłuż długości zależy od sztywności śrub lub spoin w stosunku do sztywności łączonych elementów. Norma AISC Specification uwzględnia to zachowanie poprzez proste redukcje nośności.

Połączenia śrubowe

Nośność obliczeniowa, \(\phi R_n\), dla stanu granicznego ścinania śrub jest zdefiniowana w normie AISC Specification, sekcja J3.7, jako:

\[ \phi R_n = \phi F_{nv} A_{b} \]

gdzie:

• \(\phi=0.75\)
• \(F_{nv}\) – nominalne naprężenie ścinające śruby
• \(A_b\) – nominalne pole przekroju trzpienia śruby bez gwintu

Tablica J3.2 normy AISC Specification podaje wartości nominalnych naprężeń ścinających łączników i elementów gwintowanych, F_nv. Przypis [c] do tablicy stwierdza: „Dla połączeń obciążonych na końcach, w których długość wzoru łączników przekracza 38 in. (950 mm), wartość F_nv należy zredukować do 83,3% wartości tabelarycznych", przy czym długość wzoru łączników definiuje się jako „maksymalną odległość równoległą do kierunku siły między osiami śrub łączących dwa elementy na jednej powierzchni styku".

Nominalne naprężenie ścinające, F_nv, stanowi określony procent wytrzymałości na rozciąganie śruby, ­F_u, i jest obliczane zgodnie z komentarzem do normy AISC Specification w następujący sposób:

• Gdy gwint jest wyłączony z płaszczyzn ścinania,

\[ F_{nv} = 0.563 F_u \]

• Gdy gwint nie jest wyłączony z płaszczyzny ścinania,

\[ F_{nv} = 0.45 F_u \]

Współczynnik 0,563 jest równy iloczynowi 0,625 (stosunek nośności na ścinanie do nośności na rozciąganie) i 0,90 (współczynnik redukcji ze względu na długość). Współczynnik 0,45 stanowi 80% wartości 0,563 i uwzględnia zmniejszone pole przekroju części gwintowanej. Współczynnik redukcji ze względu na długość wynoszący 0,90 uwzględnia różnicowe odkształcenie w połączeniach o długości do 38 in., po przekroczeniu której stosuje się dodatkowy współczynnik redukcji 0,833, co daje łączny współczynnik redukcji ze względu na długość równy 0,90 × 0,833 = 0,75. Współczynniki te opierają się na analizie statystycznej danych z badań 79 połączeń śrubowych i nitowanych z 11 różnych programów badań doświadczalnych (Tide, 2010).

Połączenia spawane

Nośność obliczeniowa, \(\phi R_n\), dla stanu granicznego zerwania spoiny jest zdefiniowana w normie AISC Specification, sekcja J2.4, jako:

\[ \phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} k_{ds} \]

gdzie:

• \(\phi\) – współczynnik nośności
• \(F_{nw}\) – nominalne naprężenie spoiwa
• \(A_{we}\) – nominalne efektywne pole przekroju spoiny
• \(k_{ds}\) – współczynnik zwiększenia nośności ze względu na kierunek obciążenia

Współczynnik zwiększenia nośności ze względu na kierunek obciążenia, k_ds, oblicza się jako:

\[ k_{ds} = (1.0+0.5 \sin^{1.5} \theta ) \]

gdzie \(\theta\) jest kątem między kierunkiem działania wymaganej siły a osią podłużną spoiny. Dla połączeń analizowanych w niniejszym opracowaniu \(\theta = 0\) i tym samym \(k_{ds} = 1\) w obliczeniach tradycyjnych. W IDEA StatiCa wartość \(\theta\) jest wyznaczana na podstawie sił wypadkowych w każdym segmencie spoiny i może różnić się od zera (np. wskutek efektu Poissona).

Tablica J2.5 normy AISC Specification podaje wartości \(\phi\) i F_nw dla spoin obciążonych na ścinanie odpowiednio jako 0,75 i 0,60F_EXX­, gdzie F­_EXX jest wytrzymałością klasyfikacyjną spoiwa.

Nominalne efektywne pole przekroju spoiny, A_we, jest zdefiniowane dla spoin pachwinowych w normie AISC Specification, sekcja J2.2a, jako iloczyn efektywnej długości i efektywnego gardła spoiny, gdzie efektywne gardło jest najkrótszą odległością od korzenia do lica spoiny, a efektywna długość jest długością osi spoiny wzdłuż środka płaszczyzny przechodzącej przez gardło.

Norma AISC Specification, sekcja J2.2b(d), określa następujące ograniczenia efektywnej długości spoin pachwinowych obciążonych na końcach:

• Dla spoin pachwinowych o długości do 100-krotności wymiaru spoiny dopuszcza się przyjęcie efektywnej długości równej długości rzeczywistej
• Gdy długość spoiny pachwinowej przekracza 100-krotność wymiaru spoiny, efektywną długość należy wyznaczyć mnożąc długość rzeczywistą przez współczynnik redukcji β, określony jako:

\[ \beta = 1.2-0.002 (l/w) \le 1.0 \]

gdzie:

\( l \) – rzeczywista długość spoiny obciążonej na końcach

\(w\) – wymiar nogi spoiny

• Gdy długość spoiny przekracza 300-krotność wymiaru nogi, w, efektywną długość należy przyjąć jako 180w.

Zgodnie z komentarzem do normy AISC Specification (AISC 2022), współczynnik redukcji β jest uproszczonym przybliżeniem formuł wykładniczych opartych na wieloletnich badaniach i modelach elementów skończonych i jest równoważny redukcji podanej w Eurokodzie (CEN 2005).

Długie połączenia śrubowe

W celu zbadania wpływu różnicowego odkształcenia na ogólną nośność długich połączeń śrubowych zastosowano proste połączenie zakładkowe na rozciąganie. Połączenie składa się z blachy badanej, połączonej śrubowo z dwiema blachami reakcyjnymi za pomocą jednego rzędu śrub A325 o średnicy 3/4 in. w otworach standardowych, z gwintem niewyłączonym z płaszczyzny ścinania. W celu zbadania wpływu sztywności blachy na rozkład sił na poszczególne śruby przeanalizowano grubości blachy badanej wynoszące 1/2 in., 1 in. i 2 in. Grubość każdej blachy reakcyjnej przyjęto jako połowę grubości blachy badanej. Szerokość wszystkich blach wynosiła 12 in. Widok trójwymiarowy połączenia przy grubości blachy badanej równej 1 in. i długości połączenia równej 27 in. przedstawiono na Rysunku 1.

Rysunek 1 Widok trójwymiarowy połączenia zakładkowego na rozciąganie (grubość blachy badanej = 1 in., długość połączenia = 27 in.)

Połączenie zaprojektowano tak, aby zniszczenie nastąpiło przez ścinanie śrub. Aby zapewnić, że nośność na ścinanie śrub decyduje nad plastycznym rozciąganiem i zerwaniem blachy, zastosowano materiał wysokowytrzymały o F_y = 100 ksi dobrano dla blach. Sprawdzono docisk i wyrwanie w otworach śrubowych, lecz zaprojektowano połączenie tak, aby te stany graniczne nie były decydujące, poprzez dobór materiałów oraz zapewnienie odpowiednich rozstawów śrub i odległości od krawędzi. Odległość od krawędzi w kierunku siły wynosiła 2-1/2 in., a rozstaw śrub wynosił 3 in. dla wszystkich połączeń.

Przebadano siedemnaście połączeń, przy czym długość zwiększano o 3 in. w zakresie od 3 in. do 51 in. Ponieważ rozstaw śrub wynosił zawsze 3 in., długość połączenia odpowiada liczbie zastosowanych śrub (np. połączenia o długości 27 in. mają 10 śrub). Porównanie nośności w funkcji długości połączenia przedstawiono na Rysunku 2, a rozkłady sił ścinających w śrubach (w każdej płaszczyźnie ścinania) dla długości połączeń 12 in., 24 in., 36 in. i 48 in. przedstawiono na Rysunku 3.

Nośność według normy AISC Specification rośnie liniowo do długości połączenia 36 in., po przekroczeniu której następuje gwałtowny spadek nośności spowodowany współczynnikiem redukcji długości 0,833. Po tym punkcie nośność ponownie rośnie liniowo. Nośności uzyskane w IDEA StatiCa są zgodne z nośnościami według AISC dla krótszych długości połączeń, jednak w odróżnieniu od wartości AISC, przyrost nośności dla dłuższych połączeń w IDEA StatiCa jest nieliniowy. Stopień nieliniowości zależy od sztywności blachy, ponieważ sztywność śrub i blachy jest realistycznie modelowana w IDEA StatiCa, co pozwala uchwycić nierównomierny rozkład sił w śrubach.

Rozkłady sił ścinających na Rysunku 3 pokazują wpływ różnicowego odkształcenia na siły w poszczególnych śrubach uchwycony przez analizy w IDEA StatiCa oraz to, jak efekt ten jest uzależniony od sztywności blachy. Siła w śrubach na końcach połączenia jest największa i maleje wraz ze wzrostem odległości od końców połączenia do położenia śruby. Efekt ten jest mniejszy dla sztywniejszych blach. 

Przy jawnym modelowaniu sztywności śrub i blach w IDEA StatiCa, stopień redukcji nośności ze względu na efekty długości zależy od wielkości śrub w stosunku do wielkości blach, a także od geometrii połączenia. Rzeczywista redukcja nośności zależy również od tych parametrów (Kulak i in. 2001). Uproszczone redukcje w normie AISC Specification zależą wyłącznie od długości połączenia. IDEA StatiCa wykazuje redukcje większe niż określone przez normę AISC Specification, co pokazano dla połączenia z blachą badaną o grubości 1/2 in., oraz redukcje mniejsze niż określone przez normę AISC Specification, co pokazano dla połączeń z blachami badanymi o grubości 1 i 2 in. dla zakresu długości połączeń większych niż 38 in. Na podstawie tych wyników jest oczywiste, że IDEA StatiCa oddaje intencję redukcji ze względu na efekt długości zawartej w przypisie [c] do Tablicy J3.2 normy AISC Specification. Należy zauważyć, że współczynnik redukcji 0,9 ze względu na efekty długości, który jest zawarty w F_nv, jest konserwatywnie stosowany w IDEA StatiCa. W związku z tym dla połączeń o długości mniejszej niż 38 in. efekty długości są w IDEA StatiCa uwzględniane podwójnie: raz przez współczynnik redukcji 0,9 i ponownie przez jawne modelowanie nierównomiernego rozkładu sił w grupie śrub. Jednak współczynnik redukcji 0,9 może również uwzględniać inne efekty i nie powinien być pomijany bez dalszych badań.

Rysunek 2 Porównanie nośności w funkcji długości połączenia dla śrubowego połączenia zakładkowego na rozciąganie

Rysunek 3 Rozkłady sił ścinających w śrubach dla długości połączeń 12 in., 24 in., 36 in. i 48 in., dla grubości blach badanych 1/2 in., 1 in. i 2 in.

Porównanie z wynikami badań doświadczalnych

W celu rozszerzenia badań długich połączeń śrubowych, w niniejszej sekcji przedstawiono porównania z wcześniej opublikowanymi wynikami doświadczalnymi. Do tych porównań wykorzystano zmierzone właściwości materiałowe i geometryczne podane przez badaczy. Nośność śruby na ścinanie podana przez badaczy została wyznaczona poprzez badanie ścinania pojedynczej śruby pobranej z tej samej partii, co śruby użyte w próbkach badawczych. Dlatego w obliczeniach tradycyjnych wartość F_nv przyjmuje się jako 0,9-krotność podanej nośności śruby na ścinanie, gdy długość połączenia jest mniejsza lub równa 38 in., oraz jako 0,833-krotność tej wartości (tj. 0,75-krotność podanej nośności śruby na ścinanie), gdy długość połączenia jest większa niż 38 in. W analizach IDEA StatiCa model jest zdefiniowany tak, aby wartość F_nv stosowana w obliczeniach nośności śrub była równa 0,9-krotności podanej nośności śruby na ścinanie.

W obliczeniach tradycyjnych nie stosowano współczynników nośności. W analizach IDEA StatiCa współczynniki nośności dla materiału, śrub i spoin ustawiono na 1,0 w konfiguracji normy.

Bendigo i in. 1963

Bendigo i in. (1963) przeprowadzili badania rozciągające śrubowych połączeń zakładkowych. Szesnaście blach o różnych szerokościach i grubościach było obciążanych rozciąganiem między dwiema blachami reakcyjnymi za pomocą dwóch rzędów śrub A325 o średnicy 7/8 in. w otworach standardowych o średnicy 15/16 in. Cztery próbki, D31, D41, D51 i D61, uległy zniszczeniu przez zerwanie blachy na rozciąganie, a pozostałe uległy zniszczeniu przez ścinanie co najmniej jednej śruby. Typowa konfiguracja połączenia dla próbek w badaniu jest przedstawiona na Rysunku 4(a), a widok trójwymiarowy modelu IDEA StatiCa dla próbki D101 jest przedstawiony na Rysunku 4(b). Właściwości geometryczne i materiałowe próbek badawczych przedstawiono w Tablicy 1.

Rysunek 4 (a) Konfiguracja połączenia dla badania doświadczalnego Bendigo i in. (Bendigo i in., 1963); (b) widok trójwymiarowy modelu IDEA StatiCa dla próbki D101

Szesnaście próbek zostało zamodelowanych w IDEA StatiCa. Nośność każdego połączenia obliczono również zgodnie z tradycyjnymi metodami obliczeniowymi, stosując równania normy AISC Specification ze zmierzonymi właściwościami materiałowymi i geometrycznymi, lecz bez współczynników nośności. Wyniki porównania między nośnością doświadczalną, P_exp, nośnością IDEA StatiCa, P_IDEA, i nośnością według normy AISC Specification, P_AISC, przedstawiono w Tablicy 2 i na Rysunku 5.

Limit odkształcenia plastycznego 5% decydował o nośnościach IDEA StatiCa, a plastyczne rozciąganie decydowało o nośnościach według AISC dla wszystkich próbek. Zarówno nośności IDEA StatiCa, jak i AISC są znacznie niższe od nośności doświadczalnych. Wynika to z faktu, że w badaniach doświadczalnych zniszczenie przez zerwanie blachy i ścinanie śrub następowało przy obciążeniach znacznie przekraczających granicę plastyczności blachy. Badania Bendigo i in. (1963) zostały uwzględnione w analizie służącej do opracowania współczynników redukcji ze względu na efekty długości zawartych w normie AISC Specification (Tide 2010). Jak widać na Rysunku 3, różnica sił między śrubami skrajnymi a środkowymi rośnie wraz ze zmniejszaniem grubości (tj. zmniejszaniem sztywności blachy). Próbki, w których zniszczenie śrub następuje znacznie po uplastycznieniu blachy, mogą wykazywać wyolbrzymione efekty długości.

Tablica 1 Właściwości geometryczne i materiałowe próbek badawczych dla badania doświadczalnego Bendigo i in. (1963)

Tablica 2 Porównanie z badaniem doświadczalnym Bendigo i in. (1963)

Rysunek 5 Porównanie z badaniem doświadczalnym Bendigo i in. (1963)

Kulak i Fisher 1968

Kulak i Fisher (1968) przeprowadzili badania rozciągające długich śrubowych połączeń zakładkowych składających się z blachy badanej połączonej śrubowo z dwiema blachami reakcyjnymi za pomocą jednego rzędu śrub A490 o średnicy 7/8 in. lub 1-1/8 in. Badania te zostały również uwzględnione w analizie służącej do opracowania współczynników redukcji ze względu na efekty długości zawartych w normie AISC Specification (Tide 2010), lecz w odróżnieniu od badań Bendigo i in. (1963) zastosowano w nich blachę wysokowytrzymałą.

Osiem próbek badawczych zwymiarowano tak, aby zniszczenie nastąpiło przez ścinanie śrub lub zerwanie blachy. Próbki J071, J131 i J171 uległy zniszczeniu przez zerwanie blachy, a próbki J072, J132, J172, J251 i J252 uległy zniszczeniu przez ścinanie śrub. Typowa konfiguracja połączenia dla próbek w badaniu jest przedstawiona na Rysunku 6(a), a widok trójwymiarowy modelu IDEA StatiCa dla próbki J171 jest przedstawiony na Rysunku 6(b). Właściwości geometryczne i materiałowe próbek badawczych przedstawiono w Tablicy 3.

Rysunek 6 Konfiguracja połączenia dla badania doświadczalnego Kulaka i Fishera (Kulak i Fisher, 1968); (b) widok trójwymiarowy modelu IDEA StatiCa dla próbki J171

Próbki zostały zamodelowane w IDEA StatiCa. Nośność każdego połączenia obliczono również zgodnie z tradycyjnymi metodami obliczeniowymi, stosując równania normy AISC Specification ze zmierzonymi właściwościami materiałowymi i geometrycznymi. Wyniki porównania między nośnością doświadczalną, P_exp, nośnością IDEA StatiCa, P_IDEA, i nośnością według normy AISC Specification, P_AISC, przedstawiono w Tablicy 4 i na Rysunku 7.

Nośności IDEA StatiCa są konserwatywne w porównaniu z wynikami badań doświadczalnych dla wszystkich przypadków. Nośności IDEA StatiCa są zgodne z nośnościami według AISC dla próbek J071, J072, J131 i J171, oraz są większe od nośności według AISC dla próbek J132, J172, J251 i J252. Długość połączenia jest mniejsza niż 38 in. dla próbek J071 i J072, dlatego redukcja nośności śruby na ścinanie o 83,3% nie jest stosowana. Dla próbek J131 i J171 długość połączenia jest większa niż 38 in., lecz sztywność blachy (tj. pole przekroju poprzecznego) jest stosunkowo mała. W związku z tym nośności IDEA StatiCa są zgodne z nośnościami według AISC lub nieznacznie od nich mniejsze dla tych przypadków. Dla próbek J132, J172, J251 i J252 nośności IDEA StatiCa są większe od nośności według AISC, ponieważ blachy są sztywniejsze (tj. mają większe pola przekroju poprzecznego).

Tablica 3 Właściwości geometryczne i materiałowe próbek badawczych dla badania doświadczalnego Kulaka i Fishera (1968)

Tablica 4 Porównanie z badaniem doświadczalnym Kulaka i Fishera (1968)

Rysunek 7 Porównanie z badaniem doświadczalnym Kulaka i Fishera (1968)

Długie połączenia spawane

W celu zbadania wpływu nierównomiernego rozkładu naprężeń wzdłuż długości połączenia dla spoiny obciążonej na rozciąganie zastosowano proste spawane połączenie zakładkowe. Połączenie składa się z blachy badanej przyspawanych między dwiema blachami reakcyjnymi spoinami pachwinowymi na każdej krawędzi blach reakcyjnych. Konfiguracja ta zapewnia koncentrycznie obciążoną grupę spoin z łącznie czterema liniami spoin w połączeniu. Należy zauważyć, że przy ocenie efektywnej długości spoiny rzeczywista długość spoiny połączenia jest równa długości pojedynczej linii spoiny w grupie.

Przebadano spoiny o wymiarach 3/16 in. (Połączenie A) i 3/8 in. (Połączenie B). Połączenia zwymiarowano i dobrano właściwości materiałowe tak, aby stan graniczny zerwania spoiny decydował nad plastycznym rozciąganiem blach w obliczeniach tradycyjnych. Właściwości geometryczne i materiałowe zastosowane dla połączeń przedstawiono w Tablicy 5, a widok trójwymiarowy Połączenia A o długości spoiny równej 18 in. przedstawiono na Rysunku 8.

Tablica 5 Właściwości geometryczne i materiałowe dla połączeń spawanych

Rysunek 8 Widok trójwymiarowy spawanego połączenia zakładkowego

Dla Połączenia A przebadano czternaście długości spoin, zwiększanych o 4 in. w zakresie od 10 in. do 62 in. Dla Połączenia B przebadano trzynaście długości spoin, zwiększanych o 10 in. w zakresie od 10 in. do 130 in. Porównanie nośności w funkcji długości spoiny przedstawiono na Rysunku 9 dla Połączenia A i na Rysunku 11 dla Połączenia B. Rozkłady naprężeń wzdłuż długości spoiny dla różnych długości spoin przedstawiono na Rysunku 10 dla Połączenia A i na Rysunku 12 dla Połączenia B.

Połączenia A i B wykazują podobne zachowanie. Dla krótszych długości spoin nośności IDEA StatiCa są zgodne z obliczeniami tradycyjnymi. Jednak nośności IDEA StatiCa stają się konserwatywne w porównaniu z obliczeniami tradycyjnymi wraz ze wzrostem długości spoiny. Nośności z obliczeń tradycyjnych osiągają plateau przy długości spoiny 300w, co jest zaznaczone pionową linią przerywaną na Rysunku 9 i Rysunku 11. Rozkład naprężeń wzdłuż długości spoiny jest nieliniowy, ponieważ IDEA StatiCa jawnie modeluje sztywność spoiny i blachy. Z tego powodu oraz ze względu na stosunkowo konserwatywną zależność obciążenie-odkształcenie stosowaną w IDEA StatiCa dla spoin obciążonych w kierunku podłużnym, nośności IDEA StatiCa osiągają plateau przy długościach spoin znacznie krótszych niż 300w. Jak pokazano na Rysunku 10 i Rysunku 12, krótsze spoiny mają stosunkowo równomierny rozkład naprężeń, z nieznacznie wyższymi naprężeniami w segmentach na końcach linii spoiny. Wraz ze wzrostem długości spoiny rozkład naprężeń wzdłuż linii spoiny staje się znacznie bardziej nierównomierny, z wysokimi naprężeniami w segmentach skrajnych i minimalnymi naprężeniami w pobliżu środka. Gwałtowna zmiana rozkładu naprężeń widoczna na Rysunku 10 i Rysunku 12 dla dłuższych spoin znajduje się na granicy między segmentami spoiny pozostającymi w zakresie sprężystym a segmentami spoiny doznającymi odkształceń plastycznych. Limit nośności spoiny w IDEA StatiCa jest osiągany, gdy stopień wykorzystania najbardziej naprężonego segmentu spoiny osiąga 100%. Dlatego dla dłuższych spoin mogą istnieć duże fragmenty linii spoiny o niskich naprężeniach przy obciążeniu odpowiadającym 100% stopniowi wykorzystania najbardziej naprężonego segmentu spoiny. Profil rozkładu naprężeń w sprawdzeniu normowym IDEA StatiCa ukazuje to nieliniowe zachowanie i powinien być analizowany przy formułowaniu inżynierskich ocen dotyczących nośności spoin w IDEA StatiCa.

Rysunek 9 Nośność w funkcji długości spoiny dla Połączenia A

Rysunek 10 Rozkłady naprężeń wzdłuż długości spoiny dla Połączenia A przy długościach spoin 18 in., 30 in., 42 in. i 54 in., jednostki w ksi

Rysunek 11 Nośność w funkcji długości spoiny dla Połączenia B

Rysunek 12 Rozkłady naprężeń wzdłuż długości spoiny dla Połączenia B przy długościach spoin 20 in., 40 in., 60 in. i 80 in., jednostki w ksi

Podsumowanie

Niniejsze opracowanie ocenia nośność długich połączeń śrubowych i spawanych tradycyjnymi metodami obliczeniowymi stosowanymi w praktyce amerykańskiej oraz przy użyciu IDEA StatiCa. Kluczowe obserwacje z badania obejmują:

Dla połączeń śrubowych:

• IDEA StatiCa jawnie modeluje sztywność śrub i blach; w związku z tym efekty długości są naturalnie uwzględniane przez różne wymagane nośności poszczególnych śrub, a nie przez zastosowanie prostego współczynnika redukcji opartego wyłącznie na długości połączenia zgodnie z normą AISC Specification.
• Stwierdzono, że nośność w IDEA StatiCa jest konserwatywna w porównaniu z nośnością według obliczeń tradycyjnych dla większości przypadków.
• Stwierdzono, że nośność w IDEA StatiCa jest wyższa od nośności według obliczeń tradycyjnych w niektórych przypadkach, gdy długość połączenia przekraczała 38 in. i zastosowano grubsze blachy.
• Stwierdzono, że nośności z IDEA StatiCa są konserwatywne w porównaniu z badaniami doświadczalnymi przeprowadzonymi przez Bendigo i in. (1963) oraz Kulaka i Fishera (1968).

Dla połączeń spawanych:

• IDEA StatiCa jawnie modeluje sztywność spoin i blach; w związku z tym efekty długości są naturalnie uwzględniane przez różne wymagane nośności poszczególnych segmentów spoiny, a nie przez zastosowanie prostych współczynników redukcji opartych wyłącznie na stosunku długości spoiny do wymiaru spoiny zgodnie z normą AISC Specification.
• Stwierdzono, że nośność w IDEA StatiCa jest konserwatywna w porównaniu z nośnością według obliczeń tradycyjnych dla analizowanych przypadków.
• Stwierdzono, że nośność w IDEA StatiCa jest bardziej konserwatywna dla dłuższych spoin ze względu na wpływ nieliniowego rozkładu naprężeń między segmentami spoiny oraz stosunkowo konserwatywną zależność obciążenie-odkształcenie dla spoin obciążonych podłużnie stosowaną w analizach IDEA StatiCa.

Literatura

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bendigo, R. A., Hansen, R. M., and Rumpf, J. L. (1963). "Long Bolted Joints." Journal of the Structural Division, ASCE, 89(6), 187–213.

CEN (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures, Comité Européen de Normalisation, Brussels, Belgium.

Kulak, G. L. and Fisher, J. W. (1968). "A514 Steel Joints Fastened by A490 Bolts." Journal of the Structural Division, ASCE, 94(10), 2303-2324.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., Struik, J. H. A. (2001) "Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints" Second Edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Miller, D. K. (2003). "Fillet Welds that are 'Too Long.'" Modern Steel Construction, March.

Tide, R. H. (2010). "Bolt Shear Design Considerations." Engineering Journal, AISC, 47(1), 47-63.