Nośność na moment zginający w płaszczyźnie silnej osi otwartych przekrojów belek przyspawanych do słupów w połączeniach stalowych

Niniejszy raport został opracowany w ramach współpracy między ISISE (Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering) na Uniwersytecie w Coimbrze  a IDEA StatiCa. Projekt był finansowany wspólnie przez obie jednostki, a jego autorami są:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Streszczenie

Niniejszy raport przedstawia szczegółową analizę spawanych połączeń stalowych belka–słup z otwartymi przekrojami, ze szczególnym uwzględnieniem składnika środnika słupa na ścinanie, z wykorzystaniem odpowiednio zwalidowanych, wysokiej jakości modeli 3D MES. Badanie obejmuje spawane połączenia belka–słup z otwartymi przekrojami, przenoszące momenty zginające względem silnej osi, z żebrami poprzecznymi i bez nich, uwzględniając połączenia jednostronne i dwustronne zlokalizowane na kondygnacji pośredniej (wewnętrznej) lub ostatniej (dach), a dla połączeń wewnętrznych – przy różnych poziomach osiowego obciążenia słupa. Badanie obejmuje szeroki zakres sytuacji pod względem smukłości słupa, współczynnika kształtu połączenia, konfiguracji połączenia, usztywnień, siły osiowej oraz stosunku momentów (dla połączeń dwustronnych). Uwzględniono również aspekty istotne dla MES, takie jak model materiału, typ analizy, gęstość siatki, imperfekcje geometryczne itp.

Badanie obejmuje rok pracy w następujących obszarach:

1. Zestaw przypadków obejmuje obciążenia osiowe na poziomie 30%, 50% i 70%.
2. Gatunki stali obejmują S235, S275 i S355.
3. Omówiono słupy walcowane, spawane spoinami pachwinowymi oraz spoinami czołowymi.
4. Uwzględniono kompleksowe badanie różnic między analizą GMNA a MNA.
5. Uwzględniono kompleksowe badanie wpływu konstytutywnego prawa materiałowego.
6. Badano wpływ spoin pachwinowych na zachowanie połączenia.

Cele

Celem niniejszego badania jest ocena nośności na moment zginający względem silnej osi spawanych połączeń w konfiguracjach jednostronnych i dwustronnych belka–słup z elementami o otwartych przekrojach (belki i słupy), z uwzględnieniem wpływu żeber poprzecznych, przy zastosowaniu: i) europejskich reguł projektowania, ii) MES (trójwymiarowe elementy bryłowe) oraz iii) IDEA StatiCa; a także porównanie wyników uzyskanych każdą z metod.

Metodologia

1. Ocena nośności obliczeniowej składnika panelu środnika dla szerokiego zakresu spawanych połączeń belka–słup przy użyciu wysokiej jakości modeli 3D MES, stosowanych następnie jako przypadki referencyjne.
2. Porównanie nośności połączenia z modelami CBFE (IDEA StatiCa) opartymi na elementach powłokowych.
3. Omówienie możliwości ulepszenia funkcji i domyślnych opcji oferowanych przez IDEA StatiCa w celu zapewnienia uzyskania realistycznej i bezpiecznej wartości nośności.
4. Porównanie nośności połączenia z wynikami uzyskanymi z wyrażeń projektowych zawartych w Eurokodzie 3, w wersjach obowiązującej i nadchodzącej.
5. Ocena różnic w nośności na moment zginający wynikających z kryterium 5% zastępczego odkształcenia plastycznego przyjętego przez IDEA StatiCa do wyznaczenia „nośności obliczeniowej" na krzywej moment–obrót, w porównaniu z innymi powszechnymi kryteriami (takimi jak redukcja sztywności siecznej do 1/3 sztywności początkowej).

Zagadnienia objęte badaniem

• Jaki jest rozrzut wyników?
• Jaki jest wpływ poszczególnych parametrów (smukłość, współczynnik kształtu, stosunek momentów zginających, żebra poprzeczne, siła osiowa itp.) na te wyniki?
• Jaki jest wpływ składników środnika słupa na te wyniki?

Wyłączenia

Ocena niezawodności wyników programu nie jest przeprowadzana, gdyż wykracza poza zakres niniejszego badania.

Podsumowanie wniosków

Analiza wyników Abaqus pozwoliła sformułować następujące wnioski:

1. W odniesieniu do kryterium 5% zastępczego odkształcenia plastycznego wykazano, że dla tego typu połączeń daje ono wyniki nośności zbliżone do tych uzyskanych z tego samego modelu numerycznego przy redukcji sztywności siecznej do 1/3 sztywności początkowej.
2. Imperfekcje geometryczne odgrywają drugorzędną rolę w zachowaniu analizowanych połączeń; niemniej jednak należy uwzględnić geometryczną nieliniowość (analiza II rzędu), szczególnie w przypadkach, gdy występuje obciążenie osiowe.
3. Uwzględnienie umocnienia materiału skutkuje niewielkim średnim wzrostem nośności o 4%, natomiast ma znaczący wpływ – średnio około 44% – na obrót połączenia.

Następujące uwagi są istotne dla implementacji w IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa, przy domyślnej siatce programu (wersja 23.1) i analizie MNA (materialna analiza nieliniowa), daje nośności większe niż uzyskane w Abaqus. Średnio o 6% większe dla słupów walcowanych ze spoinami czołowymi oraz około 11% dla słupów spawanych ze spoinami czołowymi lub pachwinowymi. Dla słupów walcowanych ze spoinami pachwinowymi wyniki są średnio identyczne z wynikami Abaqus. Maksymalne odchylenia zaobserwowane dla pojedynczego przypadku wynoszą 22% (słupy walcowane ze spoinami czołowymi) i 53% (słupy spawane ze spoinami czołowymi).
   Komentarz IDEA StatiCa: Sytuacja ta jest naprawiona przez dwie zmiany wprowadzone w wersji 25.0:
   - Geometrycznie nieliniowa analiza
   - Obszar rozłożenia spoiny – zmniejszony dla spoin czołowych, tj. nośność słupów spawanych spoinami czołowymi jest zmniejszona
   
2. IDEA StatiCa z zagęszczoną siatką (zmniejszenie rozmiaru domyślnej siatki o połowę) i analizą GMNA (geometrycznie i materiałowo nieliniowa analiza) daje nośności zgodne (w granicach ±5% średnio) z wynikami Abaqus. Maksymalne odchylenia zaobserwowane dla pojedynczego przypadku wynoszą 15% (słupy walcowane ze spoinami czołowymi), 5% (słupy walcowane ze spoinami pachwinowymi), 27% (słupy spawane ze spoinami czołowymi) i 14% (słupy spawane ze spoinami pachwinowymi).
   Komentarz IDEA StatiCa: Zmniejszenie siatki o połowę nie jest już konieczne dzięki zmianom wymienionym w poprzednim punkcie.
   
3. Wpływ imperfekcji geometrycznych badano dla jednostronnych połączeń wewnętrznych i uznano go za pomijalny.
   Komentarz IDEA StatiCa: Oznacza to, że analiza GMNA jest wystarczająca, a analiza GMNIA nie jest konieczna dla badanego zakresu połączeń.
   
4. Czysto materiałowa analiza nieliniowa bez efektów II rzędu prowadzi do niekonserwatywnych wyników w przypadku siły osiowej w słupie. Dlatego zaleca się, aby geometrycznie nieliniowa analiza była domyślnie aktywowana w programie.
   Komentarz IDEA StatiCa: W wersji 25.0 geometrycznie nieliniowa analiza jest dostępna dla każdego połączenia. W nadchodzącej aktualizacji zostanie dodane ostrzeżenie.
   
5. Rozmiar siatki odgrywa zasadniczą rolę w dokładności wyników. Potencjalnym podejściem do oszacowania wartości zbieżnej może być zautomatyzowany proces polegający na zmniejszeniu rozmiaru siatki o połowę i zastosowaniu ekstrapolacji Richardsona do nośności na moment zginający uzyskanej dla obu wartości.
   Komentarz IDEA StatiCa: Ekstrapolacja Richardsona jest możliwa przy wyznaczaniu nośności obciążeniowych. Nie jest jednak możliwa dla sprawdzeń zaliczonych/niezaliczonych. Dzięki wcześniej wspomnianym zmianom w wersji 25.0 domyślna siatka zapewnia już wystarczająco dokładne wyniki. 
6. Model materiału zaimplementowany przez IDEA StatiCa (ze współczynnikiem umocnienia E/1000) skutkuje średnim wzrostem nośności na moment zginający o 3% w porównaniu z wynikami uzyskanymi dla materiału sprężyście idealnie plastycznego.

Pełny raport znajduje się w załączniku.

Załączone pliki do pobrania

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)