Prostokątne przekroje rurowe

Opis

W tym rozdziale weryfikowane są jednopłaszczyznowe spawane złącza T, X i K z przerwą z prostokątnych, kwadratowych i rurowych przekrojów drążonych, przewidywane metodą CBFEM. Króciec z kwadratowego przekroju rurowego (SHS) jest spawany bezpośrednio do pasa z RHS bez użycia płyt wzmacniających. Złącza są obciążone siłą osiową. W metodzie CBFEM nośność obliczeniowa jest ograniczona przez 5 % odkształcenia lub siłę odpowiadającą deformacji złącza 0,03b₀ oraz w metodzie FMM ogólnie przez ugięcie płyty poza płaszczyzną 0,03b₀, gdzie b₀ jest wysokością pasa RHS; patrz Lu i in. (1994).

Metoda form zniszczenia

W przypadku osiowo obciążonych złączy T, Y, X lub K z przerwą ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych może wystąpić pięć form zniszczenia. Są to: zniszczenie ściany czołowej pasa, plastyfikacja pasa, zniszczenie ściany bocznej pasa, zniszczenie środnika pasa, zniszczenie na ścinanie pasa, zniszczenie na przebicie oraz zniszczenie krócca. W niniejszym opracowaniu badane są: zniszczenie ściany czołowej pasa, zniszczenie krócca i zniszczenie na przebicie dla złączy T, Y i X, a dla złącza K z przerwą: zniszczenie ściany czołowej pasa, zniszczenie na ścinanie pasa, zniszczenie krócca i zniszczenie na przebicie; patrz Rys. 7.2.1. Spoiny zaprojektowane zgodnie z EN 1993-1-8:2005 nie są najsłabszymi elementami złącza.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.1 Examined failure modes: a) Chord face failure, b) Chord shear failure, c) Brace failure, and d) Punching shear failure}}}\]

Zniszczenie ściany czołowej pasa

Nośność obliczeniowa ściany czołowej pasa RHS jest wyznaczana metodą FMM zgodnie z punktem 9.5 normy EN 1993‑1-8:2020. Metoda ta jest również podana w ISO/FDIS 14346 i szczegółowo opisana w Wardenier i in. (2010). Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza T, Y lub X ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0^2}{\sin{\theta_i}} \left ( \frac{2 \eta}{(1-\beta) \sin{\theta_i}} + \frac{4}{\sqrt{1-\beta}} \right ) Q_f / \gamma_{M5} \]

Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza K z przerwą ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = 8.9 C_f \beta \gamma^{0.5} \frac{f_{y,0} t_0^2}{\sin{\theta_i}} Q_f / \gamma_{M5} \]

gdzie C_f jest współczynnikiem materiałowym, f_y0 jest granicą plastyczności pasa, t₀ jest grubością ścianki pasa, η jest stosunkiem wysokości krócca do szerokości pasa, β jest stosunkiem szerokości krócca do szerokości pasa, q_i jest kątem zawartym między króccem i a pasem (i = 1, 2), Q_f jest funkcją naprężeń w pasie, a γ jest wskaźnikiem smukłości pasa.

Zniszczenie krócca

Nośność obliczeniowa ściany czołowej pasa RHS może być wyznaczona metodą FMM zgodnie z punktem 9.5 normy EN 1993-1-8:2020. Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza T, Y lub X ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = C_f f_{yi} t_i (2 h_i - 4 t_i + 2 b_{eff} ) / \gamma_{M5} \]

Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza K z przerwą ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = C_f f_{yi} t_i (2 h_i - 4 t_i + b_i + b_{eff} ) / \gamma_{M5} \]

gdzie C_f jest współczynnikiem materiałowym, f_yi jest granicą plastyczności krócca i (i = 1, 2), t_i jest grubością ścianki krócca i, h_i jest wysokością krócca i, b_i jest szerokością krócca i, b_eff jest efektywną szerokością krócca.

Przebicie

Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza T, Y lub X ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}} \left( \frac{2h_i}{\sin{\theta_i}} + 2b_{e,p} \right ) / \gamma_{M5} \]

Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza K z przerwą ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}} \left( \frac{2h_i}{\sin{\theta_i}} + b_i+b_{e,p} \right ) / \gamma_{M5} \]

gdzie C_f jest współczynnikiem materiałowym, f_y0 jest granicą plastyczności pasa, t₀ jest grubością ścianki pasa, q_i jest kątem zawartym między króccem i a pasem (i = 1, 2), h_i jest wysokością krócca i, b_i jest szerokością krócca i oraz b_e,p jest efektywną szerokością dla przebicia.

Zniszczenie na ścinanie pasa

Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego złącza K z przerwą ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych wynosi

\[ N_{i,Rd} = \frac{f_{y0}A_{V,0,gap}}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}}/\gamma_{M5} \]

gdzie f_y0 jest granicą plastyczności pasa, A_v,0,gap jest efektywnym polem przekroju dla zniszczenia na ścinanie pasa, a q_i jest kątem zawartym między króccem i a pasem (i = 1, 2).

Zakres stosowalności

Metoda CBFEM została zweryfikowana dla typowych złączy T, Y, X i K z przerwą ze spawanych prostokątnych przekrojów rurowych. Zakres stosowalności dla tych złączy jest określony w Tabeli 9.2 normy prEN 1993-1-8:2020; patrz Tab. 7.2.1. Ten sam zakres stosowalności jest stosowany do modelu CBFEM. Poza zakresem stosowalności metody FMM należy przeprowadzić badanie eksperymentalne w celu walidacji lub weryfikacji zgodnie z zatwierdzonym modelem badawczym.

Tab. 7.2.1 Zakres stosowalności metody form zniszczenia, Tabela 9.2 normy EN 1993-1-8:2020

7.2.2 Jednopłaszczyznowe złącze T i Y-SHS

Przegląd rozpatrywanych przykładów podano w Tab. 7.2.2. Wybrane przypadki obejmują szeroki zakres geometrycznych wskaźników złączy. Geometria złączy z wymiarami jest pokazana na Rys. 7.2.2. Wybrane złącza uległy zniszczeniu zgodnie z metodą FMM przez zniszczenie ściany czołowej pasa lub zniszczenie krócca.

Tab. 7.2.2 Przegląd przykładów

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.2 Dimensions of T-joint}}}\]

Weryfikacja nośności

Wyniki metody FMM są porównywane z wynikami metody CBFEM. Porównanie dotyczy nośności i obliczeniowej formy zniszczenia. Wyniki przedstawiono w Tab. 7.2.3.

Tab. 7.2.3 Porównanie wyników nośności obliczeniowych na rozciąganie/ściskanie przewidywanych przez CBFEM i FMM

Badanie wykazuje dobrą zgodność dla zastosowanych przypadków obciążeń. Wyniki są podsumowane na wykresie porównującym nośności obliczeniowe CBFEM i FMM; patrz Rys. 7.2.3. Wyniki pokazują, że różnica między dwiema metodami obliczeniowymi we wszystkich przypadkach jest mniejsza niż 10 %.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.3 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS T and Y-joint}}}\]

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

Pas

• Stal S355
• Przekrój SHS 200×200×6.3

Króciec

• Stal S355
• Przekrój SHS 90×90×8.0
• Kąt między króccem a pasem 90°

Spoina

• Spoina czołowa

Rozmiar siatki

• 16 elementów na największej ściance prostokątnego przekroju rurowego

Obciążenie

• Siłą przyłożoną do krócca na ściskanie/rozciąganie

Wyniki

• Nośność obliczeniowa na ściskanie/rozciąganie wynosi N_Rd = 92,6 kN
• Obliczeniowa forma zniszczenia to zniszczenie ściany czołowej pasa

Jednopłaszczyznowe złącze X-SHS

Przegląd rozpatrywanych przykładów podano w Tab. 7.2.4. Wybrane przypadki obejmują szeroki zakres geometrycznych wskaźników złączy. Wybrane złącza uległy zniszczeniu zgodnie z metodą FMM przez zniszczenie ściany czołowej pasa lub zniszczenie krócca.

Tab. 7.2.4 Przegląd przykładów

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.4 Dimensions of X-joint}}}\]

Weryfikacja nośności

Wyniki metody opartej na formach zniszczenia (FMM) są porównywane z wynikami metody CBFEM. Porównanie dotyczy nośności i obliczeniowej formy zniszczenia; patrz Tab. 7.2.5.

Tab. 7.2.5 Porównanie wyników przewidywania nośności przez CBFEM i FMM

Badanie wykazuje dobrą zgodność dla zastosowanych przypadków obciążeń. Wyniki są podsumowane na wykresie porównującym nośności obliczeniowe CBFEM i FMM; patrz Rys. 7.2.4. Wyniki pokazują, że różnica między dwiema metodami obliczeniowymi we wszystkich przypadkach jest mniejsza niż 13 %.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.5 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS X-joint}}}\]

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

Pas

• Stal S355
• Przekrój SHS 200×200×6,3

Krócce

• Stal S355
• Przekroje SHS 140×140×12,5
• Kąt między króccem a pasem 90°

Spoiny

• Spoiny czołowe

Rozmiar siatki

• 16 elementów na największej ściance prostokątnego przekroju rurowego

Obciążenie

• Siłą przyłożoną do krócca na ściskanie/rozciąganie

Wyniki

• Nośność obliczeniowa na ściskanie/rozciąganie wynosi N_Rd = 152,4 kN
• Obliczeniowa forma zniszczenia to zniszczenie ściany czołowej pasa

7.2.4 Jednopłaszczyznowe złącze K-SHS

Przegląd rozpatrywanych przykładów podano w Tab. 7.2.6. Wybrane przypadki obejmują szeroki zakres geometrycznych wskaźników złączy. Wybrane złącza uległy zniszczeniu zgodnie z metodą FMM przez zniszczenie ściany czołowej pasa lub zniszczenie krócca.

Tab. 7.2.6 Przegląd przykładów

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.6 Dimensions of K-joint}}}\]

Weryfikacja

Wyniki metody CBFEM są porównywane z wynikami metody FMM. Porównanie dotyczy nośności i obliczeniowej formy zniszczenia. Wyniki przedstawiono w Tab. 7.2.7.

Tab. 7.2.7 Porównanie wyników przewidywania nośności przez CBFEM i FMM

Badanie wykazuje dobrą zgodność dla zastosowanych przypadków obciążeń. Wyniki są podsumowane na wykresie porównującym nośności obliczeniowe CBFEM i FMM; patrz Rys. 7.2.5. Wyniki pokazują, że metoda CBFEM jest zachowawcza we wszystkich przypadkach w porównaniu z metodą FMM.

\[ \Fig. 7.2.7 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS K-joint}}}\]

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

Pas

• Stal S355
• Przekrój SHS 180×180×10,0

Krócce

• Stal S355
• Przekroje SHS 70×70×3,0
• Kąt między króccem a pasem 45°

Spoiny

• Spoiny czołowe

Rozmiar siatki

• 16 elementów na największej ściance prostokątnego przekroju rurowego

Obciążenie

• Siłą przyłożoną do krócca na ściskanie/rozciąganie

Wyniki

• Nośność obliczeniowa na ściskanie/rozciąganie wynosi N_Rd = 257,5 kN
• Obliczeniowa forma zniszczenia to zniszczenie ściany czołowej pasa