Wstępnie kwalifikowane złącza do zastosowań sejsmicznych

12.1 Projekt EQUALJOINTS

Europejski projekt badawczy EQUALJOINTS dostarcza kryteria wstępnej kwalifikacji złączy stalowych do kolejnej wersji EN 1998-1. Działania badawcze obejmowały standaryzację procedur projektowania i wytwarzania dla zestawu typów połączeń śrubowych oraz spawanego zredukowanego przekroju belki z ciężkimi profilami, zaprojektowanych w celu spełnienia różnych poziomów wymagań. Opracowano również nowy protokół obciążeń do europejskiej wstępnej kwalifikacji, reprezentatywny dla europejskich wymagań sejsmicznych. Kampania eksperymentalna poświęcona cyklicznej charakteryzacji zarówno europejskiej stali węglowej łagodnej, jak i śrub wysokiej wytrzymałości osiągnęła wymagane zachowanie dla czterech typów wstępnie kwalifikowanych złączy: złączy śrubowych ze skosem, złączy śrubowych z nieusztywnioną wydłużoną płytą czołową, złączy śrubowych z usztywnioną wydłużoną płytą czołową oraz złączy ze spawanym zredukowanym przekrojem belki; patrz Rys. 12.1.1. Wyniki uzyskane eksperymentalnie w ramach projektu EQUALJOINTS zostały podsumowane w (Stratan et al. 2017) oraz (Tartaglia and D'Aniello, 2017).

Rys. 12.1.1 Złącza konstrukcyjne wstępnie kwalifikowane w projekcie EQUALJOINTS

12.2 Złącza z płytą czołową

Śrubowe połączenia z usztywnioną wydłużoną płytą czołową są najczęściej stosowane w europejskim przemyśle wytwarzania konstrukcji stalowych i są powszechnie używane w europejskiej praktyce jako złącza przenoszące momenty w stalowych ramach niskich i średniowysokich, dzięki prostocie i ekonomiczności wykonania i montażu. Kryteria projektowania i związane z nimi wymagania dla śrubowych złączy belka-słup z usztywnioną wydłużoną płytą czołową są szczegółowo badane i krytycznie omawiane, a obecnie skodyfikowane w EN 1998-1:2005 na podstawie analizy parametrycznej opartej na analizach metodą elementów skończonych. Niestety procedura projektowania na podstawie nośności została opracowana wyłącznie w ramach metody składnikowej. Uwzględnia ona również obecność żeber i jest w stanie kontrolować odpowiedź złącza dla różnych poziomów wymagań.

Złącza śrubowe z nieusztywnioną wydłużoną płytą czołową są powszechnie stosowane w budownictwie stalowym do łączenia stalowych belek dwuteowych lub H ze stalowymi słupami dwuteowymi lub H w przypadkach, gdy konieczne jest przeniesienie znacznych momentów gnących. Taka konfiguracja umożliwia łatwy montaż przez śrubowanie, podczas gdy przyspawanie płyty czołowej do belki jest zautomatyzowane w warsztacie. Nośność na zginanie połączenia jest zazwyczaj niższa niż nośność na zginanie łączonych elementów. Dlatego takie złącza są traktowane jako częściowo nośne. Osiągnięcie sytuacji równej nośności, w której plastyczna nośność złącza jest w przybliżeniu równa plastycznej nośności przekroju belki, może być osiągnięte poprzez odpowiednie projektowanie. Ich ciągliwość przy zginaniu zależy w dużej mierze od szczegółów złączy, które wpływają na postać zniszczenia (Jaspart, 1997). Jeśli składnik złącza decydujący o zniszczeniu jest ciągliwy, a nośność kruchych aktywnych składników jest znacznie wyższa, można uzyskać ciągliwą odpowiedź złącza. W przeciwnym przypadku nie należy polegać na zdolności złącza do tworzenia przegubów plastycznych i redystrybucji sił wewnętrznych w celu pochłaniania energii na obszarach sejsmicznych.

W przypadku spawanych połączeń przenoszących momenty ze zredukowanym przekrojem belki, zwanych również „psią kością", przyjęto dwie główne strategie: wzmocnienie połączenia lub osłabienie belki. Spośród tych dwóch opcji profilu redukcji przekroju, cięcie łukowe wykazuje stosunkowo bardziej ciągliwe zachowanie, opóźniając ostateczne pęknięcie (Jones et al. 2002). Jednak badania wykazały, że elementy ze zredukowanym przekrojem belki są bardziej podatne na zwichrzenie ze względu na zmniejszoną powierzchnię ich półek. Dalsze badania eksperymentalne i analityczne skupiające się na zastosowaniu głębokich słupów (Zhang and Ricles, 2006) wykazały, że obecność kompozytowej płyty stropowej może znacznie zmniejszyć ilość skręcania rozwijającego się w słupie, ponieważ zapewnia ona stężenie belki i zmniejsza boczne przemieszczenie dolnej półki.

Zgodnie z procedurą projektowania opracowaną w ramach projektu EQUALJOINTS, złącze składa się z trzech makroskładników: panelu środnika słupa, strefy połączenia oraz strefy belki; patrz Rys. 12.2.1. Każdy makroskładnik jest projektowany indywidualnie zgodnie ze szczegółowymi założeniami, a następnie stosowane są kryteria projektowania na podstawie nośności w celu uzyskania trzech różnych celów projektowych zdefiniowanych do oceny złącza: złączy pełnonośnych, złączy o równej nośności i złączy częściowo nośnych. Złącza pełnonośne są projektowane w celu zapewnienia powstawania wszystkich odkształceń plastycznych w belce, co jest zgodne z zasadami projektowania na podstawie nośności EN 1998-1:2005 – silny słup – słaba belka. Złącza o równej nośności są teoretycznie charakteryzowane przez jednoczesne uplastycznienie wszystkich makroskładników, tj. połączenia, panelu środnika i belki. Złącza częściowo nośne są projektowane tak, aby odkształcenie plastyczne rozwijało się wyłącznie w połączeniu lub panelu środnika słupa. Zgodnie z nośnością makroskładników połączenia i panelu środnika słupa, zarówno dla złączy o równej nośności, jak i częściowo nośnych, można wprowadzić dodatkową klasyfikację. Dla silnego panelu środnika, zapotrzebowanie plastyczne koncentruje się w połączeniu dla złącza częściowo nośnego lub w połączeniu i belce dla złącza o równej nośności. Dla zrównoważonego panelu środnika, zapotrzebowanie plastyczne jest rozłożone między połączenie a panel środnika słupa dla złącza częściowo nośnego oraz w połączeniu, panelu środnika i belce dla złącza o równej nośności. Dla słabego panelu środnika, zapotrzebowanie plastyczne koncentruje się w panelu środnika słupa dla złącza częściowo nośnego lub w panelu środnika i belce dla złącza o równej nośności.

Rys. 12.2.1 Podział złącza na makroskładniki

Ciągliwość złącza zależy od rodzaju postaci zniszczenia i odpowiadającej jej zdolności do odkształceń plastycznych aktywowanego składnika. Zdolność do odkształceń może być w przybliżeniu przewidziana przez spełnienie opracowanych kryteriów dla metody składnikowej lub dokładniej obliczona metodą CBFEM. Poniżej przedstawiono przykłady projektowania dwóch wstępnie kwalifikowanych konfiguracji złączy opisanych w materiałach projektu EQUALJOINTS oraz w normie ANSI/AISC358-16, z uwzględnieniem zachowania makroskładników oddzielnie.

12.2.1 Walidacja

Modele CBFEM sztywności, nośności i zdolności do odkształceń wstępnie kwalifikowanych złączy zostały zwalidowane przez Montenegro (2017) na zestawie eksperymentów dostępnych z projektu EQUALJOINTS. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych przedstawiono na Rys. 12.2.2. Wyniki walidacji postaci zniszczenia pokazano na Rys. 12.2.3. Podsumowanie walidacji nośności i zdolności do odkształceń dla odkształcenia 15 % przedstawiono na Rys. 12.2.4 i 12.2.5.

Rys. 12.2.2 Złącza użyte do walidacji i weryfikacji a) EH2-TS-35-M i EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M i ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M i E2-TS-E-M

Rys. 12.2.3 Walidacja postaci zniszczenia CBFEM na złączach z wydłużoną płytą czołową ze skosem E1-TS-F-C2 (Tartaglia and D'Aniello, 2017)

Rys. 12.2.4 Walidacja nośności CBFEM na eksperymentach z projektu EQUALJOINTS

Rys. 12.2.5 Walidacja zdolności obrotowej CBFEM na eksperymentach z projektu EQUALJOINTS

12.2.2 Weryfikacja

Model CBFEM został zweryfikowany względem metody składnikowej zgodnie z Rozdz. 6 EN 1993-1-8:2006. Wybrane wyniki przedstawiono w Tab. 12.2.1 i na Rys. 12.2.6. Wyniki pokazują utratę dokładności metody składnikowej dla większych złączy, gdzie przybliżone założenie ramienia sił decyduje o dokładności.

Tab. 12.2.1 Weryfikacja CBFEM względem metody składnikowej

Rys. 12.2.6 Weryfikacja nośności CBFEM względem metody składnikowej

Trzy jednostronne złącza ze skosem opisano bardziej szczegółowo w (Landolfo et al. 2017) oraz (Equaljoints application). Złącza są obciążone zarówno dodatnimi, jak i ujemnymi momentami gnącymi oraz odpowiadającymi siłami poprzecznymi. Środniki słupów są wzmocnione blachami uzupełniającymi, więc decydującymi składnikami są zastępcze teowniki płyty czołowej lub półki słupa. Osie obrotu przyjmuje się w środku górnej półki belki dla dodatniego momentu gnącego oraz w środku skosu dla ujemnego momentu gnącego. Położenie przegubu plastycznego przyjmuje się na licu blachy usztywniającej na końcu skosu. Moment gnący na licu słupa, używany do sprawdzenia połączenia, jest zwiększony o odpowiednią siłę poprzeczną; patrz Rys. 12.2.7.

Rys. 12.2.7 Położenie przegubu plastycznego, przebieg momentu gnącego w złączu ze skosem

Tab. 12.2.2 Nośność składników metodą składnikową dla złączy ze skosem

Współczynnik umocnienia odkształceniowego przyjęto równy 1,2 zgodnie z zaleceniem EN 1993-1-8:2006 oraz raportem końcowym projektu Equaljoints (EN 1998-1:2005 sugeruje wartość 1,1). Współczynnik nadwytrzymałości przyjęto równy 1,25 (Landolfo et al. 2017). Cała stal była gatunku S355. Nośności poszczególnych składników zestawiono w Tab. 12.2.2. Sprawdzenia zaznaczone pogrubieniem nie są spełnione. Należy zauważyć, że nośność skosu jest plastyczną nośnością przekroju belki ze skosem przy płycie czołowej. Wytrzymałość belki przyjmuje się jako zwiększoną o współczynnik nadwytrzymałości w miejscu przegubu plastycznego, ale nie przy płycie czołowej. Gdyby współczynnik nadwytrzymałości był zastosowany również przy płycie czołowej, ta nośność byłaby wyższa. Dlatego przyjęto, że kolejna najniższa nośność, zastępczy teownik – płyta czołowa, decyduje o nośności złącza nr 267. Żadne z badanych złączy nie spełnia wymagania dla złącza pełnonośnego. Jednak nośność jest bardzo zbliżona i złącza są złączami o równej nośności. Panel środnika słupa jest we wszystkich przypadkach silny.

Decydująca postać zniszczenia według CBFEM to zniszczenie śrub z uplastycznieniem blach, głównie płyty czołowej, półki słupa i skosu. Według CBFEM, złącza nr 4.2 i nr 264 są pełnonośne, a złącze nr 267 jest złączem o równej nośności. Panele środnika słupa są we wszystkich przypadkach silne.

Rys. 12.2.8 Odkształcenia przy nośności dla a) całego złącza, b) wyłącznie makroskładnika – śrubowego połączenia z płytą czołową, c) wyłącznie makroskładnika – panelu środnika słupa na ścinanie z blachami uzupełniającymi, d) wyłącznie makroskładnika – belki

12.2.3 Złącza z nieusztywnioną wydłużoną płytą czołową

Do analizy wrażliwości wybrano wstępnie kwalifikowane złącze z nieusztywnioną wydłużoną płytą czołową. Belka IPE 450 jest połączona ze słupem HEB 300 za pomocą wydłużonej płyty czołowej o grubości 25 mm z dwunastoma śrubami M30 10.9, z blachą uzupełniającą środnika o grubości 10 mm i bez niej. Do wszystkich blach zastosowano stal gatunku S 355. W celu określenia udziału każdego makroskładnika oddzielnie, diagram materiałowy wybranego makroskładnika był sprężysto-plastyczny, podczas gdy pozostała część złącza miała wyłącznie sprężysty diagram materiałowy. Odkształcenia przy nośności całego złącza, panelu środnika słupa na ścinanie wyłącznie z blachami uzupełniającymi oraz wyłącznie śrubowego połączenia z płytą czołową są porównane z wyłącznie makroskładnikiem belki na Rys. 12.2.8. Wpływ każdego makroskładnika na zachowanie złącza przedstawiono na Rys. 12.2.9, gdzie pokazano panel środnika słupa z blachami uzupełniającymi i bez nich. Zachowanie złącza wskazuje na wyższą nośność makroskładnika połączenia.

Rys. 12.2.9 Wpływ makroskładników – panelu środnika słupa z blachami uzupełniającymi na ścinanie, śrubowego połączenia z płytą czołową i belki – na zachowanie całego złącza

12.2.4 Położenie środka ściskania

Dla złączy z płytą czołową, EN 1993-1-8:2006 określa, że środek ściskania znajduje się w środku grubości półki belki lub na końcu skosu w przypadku złączy ze skosem. Wyniki eksperymentalne i numeryczne wykazały, że położenie środka ściskania zależy zarówno od typu złącza, jak i od zapotrzebowania na obrót, wynikającego z powstawania postaci plastycznych z różnym zaangażowaniem każdego składnika złącza (Landolfo et al. 2017). Zgodnie z proponowaną procedurą projektowania metodą składnikową i na podstawie wyników zarówno eksperymentalnych, jak i numerycznych, oczekuje się kontaktu w pobliżu środka ciężkości przekroju utworzonego przez półkę belki i żebra usztywniające dla złączy z usztywnioną płytą czołową lub w pobliżu 0,5 wysokości skosu w przypadku złączy ze skosem. To przybliżone założenie jest uściślane przez procedurę CBFEM, która podaje prawidłowe wartości podczas obciążania i początkowego uplastycznienia części złącza.

Przedstawione wyniki wskazują na dobrą dokładność CBFEM zweryfikowanego względem ROFEM, zwalidowanego na eksperymentach EQUALJOINTS i metodzie składnikowej. Stwarza to możliwość oddzielnego rozpatrywania zachowania makroskładników oraz dokładnego wyznaczania położenia osi obojętnych zgodnie z obciążeniem/uplastycznieniem.

12.3 Złącze ze spawanym zredukowanym przekrojem belki

Do niniejszego badania wybrano wstępnie kwalifikowane złącze ze spawanym zredukowanym przekrojem belki zgodnie z ANSI/AISC 358-16. Belka IPE 450 jest połączona ze słupem HEB 300 za pomocą spoin czołowych na półkach i płytki żebrowej o grubości 12 mm z trzema wstępnie sprężonymi śrubami M30 10.9, z blachą uzupełniającą środnika o grubości 10 mm i bez niej; patrz Rys. 12.3.1. Cała zastosowana stal jest gatunku S355.

Odkształcenia przy granicznej nośności całego złącza oraz makroskładnika – panelu środnika słupa na ścinanie wyłącznie z blachami uzupełniającymi – przedstawiono na Rys. 12.3.2. Wpływ każdego makroskładnika na zachowanie złącza przedstawiono na Rys. 12.3.3, gdzie pokazano panel środnika słupa z blachami uzupełniającymi i bez nich. Złącze wykazuje, że nośności makroskładników złącza są dobrze zoptymalizowane.

Rys. 12.3.1 Złącze ze zredukowanym przekrojem belki, a) belka ze zredukowanym przekrojem, b) panel środnika słupa z blachami uzupełniającymi na ścinanie, śrubowe połączenie z płytą czołową,

Rys. 12.3.2 Odkształcenia przy nośności dla a) całego złącza i b) wyłącznie makroskładnika – panelu środnika słupa z blachami uzupełniającymi na ścinanie

Rys. 12.3.3 Wpływ makroskładników na zachowanie całego złącza na wykresie M-φ

Literatura

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.