Spawane połączenie momentowe okapu ramy portalowej

Opis

W niniejszym rozdziale metoda elementów skończonych oparta na składnikach (CBFEM) dla spawanego połączenia momentowego okapu ramy portalowej jest weryfikowana z metodą składnikową (CM). Belka o przekroju otwartym jest spawana do słupa o przekroju otwartym. Słup jest usztywniony dwoma poziomymi usztywnieniami naprzeciwko pasów belki. Płyty ściskane, np. poziome usztywnienia słupa, środnik słupa w strefie ścinania, ściskany pas belki, są ograniczone do klasy 3^rd, aby uniknąć wyboczenia. Krokiew jest obciążona siłą poprzeczną i momentem gnącym.

Model analityczny

W badaniu analizowanych jest pięć składników: środnik w strefie ścinania, środnik słupa na poprzeczne ściskanie, środnik słupa na poprzeczne rozciąganie, pas słupa na zginanie oraz pas belki na ściskanie. Wszystkie składniki są projektowane zgodnie z EN 1993-1-8:2005. Spoiny pachwinowe są projektowane tak, aby nie były najsłabszym składnikiem złącza. Badanie weryfikacyjne spoiny pachwinowej w usztywnianym złączu belka-słup znajduje się w rozdziale 4.4.

Środnik w strefie ścinania

Grubość środnika słupa jest ograniczona smukłością w celu uniknięcia problemów ze statecznością; patrz EN 1993‑1‑8:2005, pkt 6.2.6.1(1). Środnik słupa klasy 4 w strefie ścinania jest analizowany w rozdziale 6.2. Uwzględniane są dwa wkłady w nośność: nośność panelu słupa na ścinanie oraz wkład mechanizmu ramowego pasów słupa i poziomych usztywnień; patrz EN 1993‑1‑8:2005, pkt 6.2.6.1 (6.7 i 6.8).

Środnik słupa na poprzeczne ściskanie

Uwzględniany jest efekt interakcji z obciążeniem ścinającym; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.2, Tab. 6.3. Uwzględniany jest wpływ naprężeń podłużnych w panelu słupa; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.2(2). Poziome usztywnienia są uwzględnione w nośności tego składnika.

Środnik słupa na poprzeczne rozciąganie

Uwzględniany jest efekt interakcji z obciążeniem ścinającym; patrz EN 1993-1-8:2005, pkt 6.2.6.2, Tab. 6.3. Poziome usztywnienia są uwzględnione w nośności tego składnika.

Pas słupa na zginanie

Poziome usztywnienia usztywniają pas słupa; ten składnik nie jest uwzględniany.

Pas belki na ściskanie

Pozioma belka jest projektowana jako przekrój klasy 3 lub wyższej, aby uniknąć wyboczenia.

Przegląd rozważanych przykładów i materiałów podano w Tab. 9.1.1. Geometria złącza z wymiarami przedstawiona jest na Rys. 9.1.1. Rozważane parametry w badaniu to przekrój poprzeczny belki, przekrój poprzeczny słupa oraz grubość panelu środnika słupa.

Tab. 9.1.1 Przegląd przykładów

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

Model numeryczny

W każdej warstwie punktu całkowania badany jest nieliniowy sprężysto-plastyczny stan materiału. Ocena opiera się na maksymalnym odkształceniu określonym zgodnie z EN 1993-1-5:2006 na poziomie 5%. 

Zachowanie globalne

Przedstawiono porównanie globalnego zachowania połączenia momentowego ramy portalowej, opisanego wykresem moment-obrót. Główne charakterystyki wykresu moment-obrót to sztywność początkowa, nośność sprężysta i wartość obliczeniowa nośności. W przykładzie belka o przekroju otwartym IPE 330 jest spawana do słupa HEB 260. Połączenie momentowe ramy portalowej z poziomymi usztywnieniami w słupie jest traktowane zgodnie z metodą składnikową jako złącze sztywne z S_j,ini = ∞. Dlatego analizowane jest złącze bez poziomych usztywnień w słupie. Wykres moment-obrót przedstawiono na Rys. 9.1.2, a wyniki zestawiono w Tab. 9.1.2. Wyniki wykazują bardzo dobrą zgodność w zakresie sztywności początkowej i globalnego zachowania złącza.

Tab. 9.1.2 Sztywność obrotowa połączenia momentowego ramy portalowej w CBFEM i CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

Weryfikacja nośności

Wyniki obliczone metodą CBFEM są porównywane z metodą składnikową CM. Porównanie skupia się na wartości obliczeniowej nośności i składniku krytycznym. Badanie przeprowadzono dla trzech różnych parametrów: przekroju poprzecznego belki, przekroju poprzecznego słupa oraz grubości panelu środnika słupa.

W przykładzie, w którym parametrem jest przekrój poprzeczny belki, zastosowano słup o przekroju otwartym HEB 260. Słup jest usztywniony dwoma poziomymi usztywnieniami słupa o grubości 10 mm naprzeciwko pasów belki. Szerokość usztywnień odpowiada szerokości pasa belki. Przekroje IPE belki dobierane są od IPE 140 do IPE 500. Wyniki przedstawiono w Tab. 9.1.3. Wpływ przekroju poprzecznego belki na wartość obliczeniową nośności spawanego połączenia momentowego ramy portalowej pokazano na Rys. 9.1.4. Składnikami krytycznymi w CBFEM były pasy belki, pas słupa i środnik słupa. Rys. 9.1.3 przedstawia model jednego z przykładów z opisem pasów. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

Tab. 9.1.3 Wartości obliczeniowe nośności i składniki krytyczne w CBFEM i CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

W przykładzie, w którym parametrem jest przekrój poprzeczny słupa, zastosowano belkę o przekroju otwartym IPE330. Słup jest usztywniony dwoma poziomymi usztywnieniami słupa o grubości 10 mm naprzeciwko pasów belki. Szerokość usztywnień odpowiada szerokości pasa belki. Łączna szerokość usztywnień wynosi 160 mm. Przekroje słupa dobierane są od HEB 160 do HEB 500. Wyniki przedstawiono w Tab. 9.1.4. Wpływ przekroju poprzecznego słupa na wartość obliczeniową nośności spawanego połączenia momentowego ramy portalowej pokazano na Rys. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Wartości obliczeniowe nośności i składniki krytyczne połączenia momentowego w CBFEM i CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

Trzeci przykład przedstawia połączenie momentowe ramy portalowej wykonane z belki o przekroju otwartym IPE 330 i słupa HEA 320. Parametrem jest grubość środnika słupa. Słup jest usztywniony dwoma poziomymi usztywnieniami słupa o grubości 10 mm i szerokości 160 mm. Grubość środnika słupa dobierana jest od 4 do 16 mm. Wyniki zestawiono w Tab. 9.1.5. Wpływ grubości środnika słupa na wartość obliczeniową nośności spawanego połączenia momentowego ramy portalowej pokazano na Rys. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Wartości obliczeniowe nośności i składniki krytyczne połączenia momentowego w CBFEM i CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

Aby zilustrować dokładność modelu CBFEM, wyniki badań parametrycznych zestawiono na wykresie porównującym nośności metody CBFEM i metody składnikowej; patrz Rys. 9.1.7. Wyniki pokazują, że różnica między dwiema metodami obliczeniowymi jest mniejsza niż 5%, co jest ogólnie akceptowalną wartością. Badanie z parametrem grubości środnika słupa daje wyższą nośność dla modelu CBFEM w porównaniu z metodą składnikową. Różnica ta wynika z uwzględnienia spawanych przekrojów poprzecznych. Przenoszenie obciążenia ścinającego jest w metodzie składnikowej uwzględniane wyłącznie w środniku, a wkład pasów jest pomijany.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

Słup

• Stal S235
• HEB260

Belka

• Stal S235
• IPE330

Usztywnienia słupa

• Grubość t_s = 19 mm
• Szerokość 80 mm
• Naprzeciwko pasów belki

Spoina

• Pas belki: grubość spoiny pachwinowej a_f  = 8 mm
• Środnik belki: grubość spoiny pachwinowej a_w  = 8 mm
• Spoina czołowa wokół usztywnień

Wyniki

• Wartość obliczeniowa nośności na zginanie M_Rd = 146 kNm
• Składnik krytyczny: Pas belki 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]