Îmbinări Lungi cu Șuruburi și Sudate (AISC)

Mark D. Denavit și Rick Mulholland au pregătit acest exemplu de verificare în cadrul unui proiect comun al Universității din Tennessee și IDEA StatiCa.

Descriere

În acest studiu este prezentată o comparație între rezultatele obținute prin metoda elementelor finite bazată pe componente (CBFEM) și metodele tradiționale de calcul utilizate în practica din SUA pentru îmbinările lungi cu șuruburi și sudate, încărcate la capete. Studiul se concentrează pe stările limită de forfecare a șuruburilor pentru îmbinările lungi cu șuruburi și de rupere a sudurii pentru îmbinările lungi sudate. O atenție deosebită este acordată efectului deformației diferențiale, care produce o distribuție neuniformă a încărcării între dispozitivele de fixare și o tensiune neuniformă în sudurile de colț lungi. Sunt prezentate, de asemenea, comparații cu rezultatele experimentale.

Calculele tradiționale sunt efectuate în conformitate cu prevederile pentru proiectarea pe baza factorului de încărcare și rezistență (LRFD) din Specificația AISC (AISC 2022). Rezultatele CBFEM au fost obținute din IDEA StatiCa versiunea 23.0. Încărcările maxime admise au fost determinate iterativ, ajustând valoarea încărcării aplicate la o valoare pe care programul o consideră sigură, dar dacă aceasta ar fi mărită cu o cantitate mică (0,1 kip), programul ar considera-o nesigură prin depășirea limitei de deformație plastică de 5% sau depășirea gradului de utilizare de 100% al șurubului sau sudurii. Analizele de tip DR pot ajuta la identificarea încărcărilor maxime admise. Cu toate acestea, se fac unele aproximări în evaluarea rezistenței de calcul a îmbinării, prin urmare toate rezultatele din acest raport se bazează pe analiza de tip EPS.

Cerințe pentru Îmbinările Lungi cu Șuruburi și Sudate în Specificația AISC

Experimentele și analizele îmbinărilor lungi cu șuruburi și sudate, încărcate la capete, au arătat că tensiunea în șuruburi și suduri nu este uniformă (Kulak et al. 2001, Miller 2003). Tensiunea în șuruburi și suduri din apropierea capetelor îmbinării este mai mare decât cea din zona mediană. Distribuția tensiunii de-a lungul lungimii depinde de rigiditatea șuruburilor sau sudurilor în raport cu rigiditatea materialelor îmbinate. Specificația AISC surprinde acest comportament prin reduceri simple ale rezistenței.

Îmbinări cu Șuruburi

Rezistența de calcul, \(\phi R_n\), pentru starea limită de forfecare a șurubului este definită în Secțiunea J3.7 a Specificației AISC astfel:

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

unde:

• \(\phi=0.75\)
• \(F_{nv}\) – tensiunea nominală de forfecare a șurubului
• \(A_b\) – aria nominală a corpului nefiletat al șurubului

Tabelul J3.2 din Specificația AISC listează valorile tensiunii nominale de forfecare a dispozitivelor de fixare și a pieselor filetate, F_nv. Nota de subsol [c] a tabelului precizează: „Pentru îmbinările încărcate la capete cu o lungime a modelului de dispozitive de fixare mai mare de 38 in. (950 mm), F_nv se reduce la 83,3% din valorile tabulate", și definește lungimea dispozitivului de fixare ca „distanța maximă paralelă cu direcția forței dintre axa șuruburilor care conectează două piese cu o singură suprafață de contact."

Tensiunea nominală de forfecare, F_nv, reprezintă un procent din tensiunea de rupere la întindere a șurubului, ­F_u, și se calculează conform comentariului la Specificația AISC astfel:

• Când filetele sunt excluse din planele de forfecare,

\[ F_{nv} = 0.563 F_u \]

• Când filetele nu sunt excluse din planul de forfecare,

\[ F_{nv} = 0.45 F_u \]

Factorul 0,563 este egal cu 0,625, raportul rezistență la forfecare/întindere, înmulțit cu 0,90, un factor de reducere pentru lungime. Factorul 0,45 reprezintă 80% din 0,563 și ține cont de aria redusă a porțiunii filetate. Factorul de reducere pentru lungime de 0,90 ține cont de deformația diferențială în îmbinările de până la 38 in., după care se aplică un factor suplimentar de reducere pentru lungime de 0,833, rezultând un factor de reducere combinat de 0,90 × 0,833 = 0,75 pentru efectele de lungime. Acești factori de reducere se bazează pe o analiză statistică a datelor de testare provenite din 79 de îmbinări cu șuruburi și nituri din 11 investigații experimentale diferite (Tide, 2010).

Îmbinări Sudate

Rezistența de calcul, \(\phi R_n\), pentru starea limită de rupere a sudurii este definită în Secțiunea J2.4 a Specificației AISC astfel:

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

unde:

• \(\phi\) – factor de rezistență
• \(F_{nw}\) – tensiunea nominală a metalului de sudură
• \(A_{we}\) – aria efectivă nominală a sudurii
• \(k_{ds}\) – factor de creștere a rezistenței direcționale

Factorul de creștere a rezistenței direcționale, k_ds, se calculează astfel:

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

unde \(\theta\) este unghiul dintre direcția forței solicitate și axa longitudinală a sudurii. Pentru îmbinările investigate în acest studiu, \(\theta = 0\) și, prin urmare, \(k_{ds} = 1\) pentru calculele tradiționale. În IDEA StatiCa, \(\theta\) este determinat din forțele rezultante în fiecare segment de sudură și poate varia față de zero (de exemplu, datorită efectului Poisson).

Tabelul J2.5 din Specificația AISC furnizează valorile \(\phi\) și F_nw pentru suduri solicitate la forfecare, respectiv 0,75 și 0,60F_EXX­, unde F­_EXX este rezistența de clasificare a metalului de adaos.

Aria efectivă nominală a sudurii, A_we, este definită pentru sudurile de colț în Secțiunea J2.2a a Specificației AISC ca lungimea efectivă înmulțită cu gâtul efectiv, unde gâtul efectiv este distanța cea mai scurtă de la rădăcina la fața sudurii, iar lungimea efectivă este lungimea axei sudurii de-a lungul centrului planului prin gât.

Secțiunea J2.2b(d) a Specificației AISC prevede următoarele limitări privind lungimea efectivă a sudurilor de colț încărcate la capete:

• Pentru sudurile de colț cu o lungime de până la 100 de ori dimensiunea sudurii, este permis să se considere lungimea efectivă egală cu lungimea reală
• Când lungimea sudurii de colț depășește 100 de ori dimensiunea sudurii, lungimea efectivă se determină prin înmulțirea lungimii reale cu factorul de reducere, β, determinat astfel:

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

unde:

\( l \) – lungimea reală a sudurii încărcate la capete

\(w\) – dimensiunea catetei sudurii

• Când lungimea sudurii depășește 300 de ori dimensiunea catetei, w, lungimea efectivă se consideră egală cu 180w.

Conform comentariului la Specificația AISC (AISC 2022), factorul de reducere β este o aproximare simplificată a formulelor exponențiale bazate pe mulți ani de teste și modele cu elemente finite și este echivalent cu reducerea prevăzută în Eurocode (CEN 2005).

Îmbinări Lungi cu Șuruburi

Pentru a investiga efectul deformației diferențiale asupra rezistenței globale a îmbinării pentru îmbinările lungi cu șuruburi, se utilizează o îmbinare simplă de eclisare la întindere. Îmbinarea constă dintr-o placă de testare prinsă cu șuruburi între două plăci de reacțiune, folosind un singur rând de șuruburi A325 cu diametrul de 3/4 in. în găuri standard, cu filetele neexcluse din planul de forfecare. Pentru a investiga efectul rigidității plăcii asupra distribuției forței pe șuruburile individuale, au fost analizate grosimi ale plăcii de testare de 1/2 in., 1 in. și 2 in. Grosimea fiecărei plăci de reacțiune a fost considerată ca jumătate din grosimea plăcii de testare. Lățimea tuturor plăcilor a fost de 12 in. O vedere tridimensională a îmbinării cu grosimea plăcii de testare egală cu 1 in. și lungimea îmbinării egală cu 27 in. este prezentată în Figura 1.

Figura 1 Vedere tridimensională a îmbinării de eclisare la întindere (grosimea plăcii de testare = 1 in., lungimea îmbinării = 27 in.)

Îmbinarea a fost proiectată să cedeze prin forfecarea șuruburilor. Pentru a se asigura că rezistența la forfecare a șurubului controlează față de curgerea la întindere și ruperea la întindere a plăcii, s-a utilizat un material de rezistență ridicată cu F_y = 100 ksi a fost selectat pentru plăci. Presiunea pe gaură și smulgerea la găurile de șurub au fost verificate, dar proiectate să nu fie determinante prin selecția materialelor și asigurarea unui spațiu suficient între șuruburi și a distanței față de margine. Distanța față de margine în direcția forței a fost de 2-1/2 in., iar spațierea șuruburilor a fost de 3 in. pentru toate îmbinările.

Au fost testate șaptesprezece îmbinări, cu lungimea crescând în incremente de 3 in. între 3 in. și 51 in. Dat fiind că spațierea șuruburilor a fost întotdeauna de 3 in., lungimea îmbinării corespunde numărului de șuruburi utilizate (de exemplu, îmbinările de 27 in. lungime au 10 șuruburi). O comparație a rezistenței față de lungimea îmbinării este prezentată în Figura 2, iar distribuțiile forței de forfecare a șuruburilor (în fiecare plan de forfecare) pentru lungimi ale îmbinării de 12 in., 24 in., 36 in. și 48 in. sunt prezentate în Figura 3.

Rezistența conform Specificației AISC crește liniar până la o lungime a îmbinării de 36 in., după care apare o scădere bruscă a rezistenței datorată factorului de reducere pentru lungime de 0,833. După acest punct, rezistența continuă din nou să crească liniar. Rezistențele IDEA StatiCa se aliniază bine cu rezistențele AISC pentru lungimi mai mici ale îmbinării, dar, spre deosebire de rezistențele AISC, creșterea rezistenței pentru îmbinările mai lungi în IDEA StatiCa este neliniară. Gradul de neliniaritate depinde de rigiditatea plăcii, deoarece rigiditatea șuruburilor și a plăcii este modelată realist în IDEA StatiCa, surprinzând distribuția neuniformă a forțelor în șuruburi.

Distribuțiile forței de forfecare din Figura 3 arată efectul deformației diferențiale asupra forței din șuruburile individuale, astfel cum este surprins de analizele IDEA StatiCa, și modul în care acest efect este influențat de rigiditatea plăcii. Forța din șuruburile de la capetele îmbinării este cea mai mare și scade pe măsură ce distanța de la capetele îmbinării la poziția șurubului crește. Acest efect este redus pentru plăci mai rigide. 

Prin modelarea explicită a rigidității șuruburilor și plăcilor în IDEA StatiCa, gradul de reducere a rezistenței datorat efectelor de lungime depinde de dimensiunea șuruburilor în raport cu dimensiunea plăcilor, pe lângă geometria îmbinării. Reducerea reală a rezistenței depinde, de asemenea, de acești parametri (Kulak et al. 2001). Reducerile simplificate din Specificația AISC depind doar de lungimea îmbinării. IDEA StatiCa prezintă reduceri mai mari decât cele specificate de Specificația AISC, după cum se arată pentru îmbinarea cu placa de testare de 1/2 in. grosime, și reduceri mai mici decât cele specificate de Specificația AISC, după cum se arată pentru îmbinările cu plăci de testare de 1 și 2 in. grosime, pentru un interval de lungimi ale îmbinării mai mari de 38 in. Din aceste rezultate este clar că IDEA StatiCa surprinde intenția reducerii efectului de lungime din Nota de subsol [c] a Tabelului J3.2 din Specificația AISC. De remarcat că factorul de reducere de 0,9 pentru efectele de lungime, încorporat în F_nv, este utilizat în mod conservativ în IDEA StatiCa. Astfel, pentru îmbinările cu lungimea mai mică de 38 in., efectele de lungime sunt practic numărate de două ori în IDEA StatiCa: o dată cu factorul de reducere de 0,9 și din nou prin modelarea explicită a distribuției neuniforme a forțelor în grupul de șuruburi. Cu toate acestea, factorul de reducere de 0,9 poate ține cont și de alte efecte și nu ar trebui exclus fără cercetări suplimentare.

Figura 2 Comparație a rezistenței față de lungimea îmbinării pentru o îmbinare de eclisare la întindere cu șuruburi

Figura 3 Distribuțiile forței de forfecare a șuruburilor pentru lungimi ale îmbinării de 12 in., 24 in., 36 in. și 48 in., pentru grosimi ale plăcii de testare de 1/2 in., 1 in. și 2 in.

Comparație cu Rezultatele Experimentale

Pentru a extinde investigația îmbinărilor lungi cu șuruburi, această secțiune include comparații cu rezultatele experimentale publicate anterior. Pentru aceste comparații, proprietățile măsurate ale materialelor și geometria raportate de experimentatori au fost utilizate în calcule și analize. Rezistența la forfecare a șurubului raportată de experimentatori a fost determinată prin testarea la forfecare a unui singur șurub preluat din același lot ca cel utilizat în epruvetele de testare. Prin urmare, pentru calculele tradiționale, F_nv este considerat egal cu 0,9 ori rezistența la forfecare a șurubului raportată, când lungimea îmbinării este mai mică sau egală cu 38 in., și egal cu 0,833 ori această valoare (adică 0,75 ori rezistența la forfecare a șurubului raportată) când lungimea îmbinării este mai mare de 38 in. Pentru analizele IDEA StatiCa, modelul este definit astfel încât valoarea F_nv utilizată în calculele de rezistență a șurubului să fie egală cu 0,9 ori rezistența la forfecare a șurubului raportată.

Pentru calculele tradiționale, factorii de rezistență nu au fost aplicați. Pentru analizele IDEA StatiCa, factorii de rezistență pentru material, șuruburi și suduri au fost setați la 1,0 în configurarea codului.

Bendigo et al. 1963

Bendigo et al. (1963) au efectuat teste de întindere pe îmbinări de eclisare cu șuruburi. Șaisprezece plăci de lățimi și grosimi variate au fost încărcate între două plăci de reacțiune la întindere prin două rânduri de șuruburi A325 cu diametrul de 7/8 in. în găuri standard cu diametrul de 15/16 in. Patru epruvete, D31, D41, D51 și D61, au cedat prin rupere la întindere a plăcii, iar restul au cedat prin forfecarea șuruburilor pentru cel puțin un șurub. Configurația tipică a îmbinării pentru epruvetele din studiu este prezentată în Figura 4(a), iar o vedere tridimensională a modelului IDEA StatiCa pentru epruveta D101 este prezentată în Figura 4(b). Proprietățile geometrice și de material ale epruvetelor de testare sunt prezentate în Tabelul 1.

Figura 4 (a) Configurația îmbinării pentru investigația experimentală Bendigo et al. (Bendigo et al., 1963); (b) vedere tridimensională a modelului IDEA StatiCa pentru epruveta D101

Cele șaisprezece epruvete au fost modelate în IDEA StatiCa. Rezistența fiecărei îmbinări a fost calculată, de asemenea, conform calculelor tradiționale folosind ecuațiile Specificației AISC cu proprietăți măsurate ale materialelor și geometrie, dar fără factori de rezistență. Rezultatele comparației dintre rezistența experimentală, P_exp, rezistența IDEA StatiCa, P_IDEA, și rezistența conform Specificației AISC, P_AISC, sunt prezentate în Tabelul 2 și Figura 5.

Limita de deformație plastică de 5% a controlat rezistențele IDEA StatiCa, iar curgerea la întindere a controlat rezistențele AISC pentru toate epruvetele. Atât rezistențele IDEA StatiCa, cât și cele AISC sunt semnificativ mai mici decât rezistențele experimentale. Aceasta se datorează faptului că în testele experimentale, modurile de cedare prin rupere la întindere și forfecare a șuruburilor au apărut la încărcări mult după ce a avut loc curgerea plăcii. Experimentele realizate de Bendigo et al. (1963) au fost incluse în analiza pentru dezvoltarea factorilor de reducere pentru efectele de lungime care apar în Specificația AISC (Tide 2010). Așa cum se observă în Figura 3, diferența de forță în șuruburi între șuruburile de la capete și cele din mijloc crește odată cu reducerea grosimii (adică reducerea rigidității plăcii). Epruvetele care prezintă cedarea șuruburilor mult după curgerea plăcii pot evidenția efecte de lungime exagerate.

Tabelul 1 Proprietățile geometrice și de material ale epruvetelor de testare pentru investigația experimentală Bendigo et al. (1963)

Tabelul 2 Comparație cu investigația experimentală Bendigo et al. (1963)

Figura 5 Comparație cu investigația experimentală Bendigo et al. (1963)

Kulak și Fisher 1968

Kulak și Fisher (1968) au efectuat teste de întindere pe îmbinări lungi de eclisare cu șuruburi, constând dintr-o placă de testare prinsă cu șuruburi între două plăci de reacțiune cu un rând de șuruburi A490 cu diametrul de 7/8 in. sau 1-1/8 in. Aceste teste au fost, de asemenea, incluse în analiza pentru dezvoltarea factorilor de reducere pentru efectele de lungime care apar în Specificația AISC (Tide 2010), dar, spre deosebire de testele realizate de Bendigo et al. (1963), au utilizat plăci de rezistență ridicată.

Cele opt epruvete de testare au fost dimensionate să cedeze fie prin forfecarea șuruburilor, fie prin ruperea plăcii. Epruvetele J071, J131 și J171 au cedat prin ruperea plăcii, iar epruvetele J072, J132, J172, J251 și J252 au cedat prin forfecarea șuruburilor. Configurația tipică a îmbinării pentru epruvetele din studiu este prezentată în Figura 6(a), iar o vedere tridimensională a modelului IDEA StatiCa pentru epruveta J171 este prezentată în Figura 6(b). Proprietățile geometrice și de material ale epruvetelor de testare sunt prezentate în Tabelul 3.

Figura 6 Configurația îmbinării pentru investigația experimentală Kulak și Fisher (Kulak și Fisher, 1968); (b) vedere tridimensională a modelului IDEA StatiCa pentru epruveta J171

Epruvetele au fost modelate în IDEA StatiCa. Rezistența fiecărei îmbinări a fost calculată, de asemenea, conform calculelor tradiționale folosind ecuațiile Specificației AISC cu proprietăți măsurate ale materialelor și geometrie. Rezultatele comparației dintre rezistența experimentală, P_exp, rezistența IDEA StatiCa, P_IDEA, și rezistența conform Specificației AISC, P_AISC, sunt prezentate în Tabelul 4 și Figura 7.

Rezistențele IDEA StatiCa sunt conservative în comparație cu testele experimentale pentru toate cazurile. Rezistențele IDEA StatiCa se aliniază bine cu rezistențele AISC pentru epruvetele J071, J072, J131 și J171, și sunt mai mari decât rezistențele AISC pentru epruvetele J132, J172, J251 și J252. Lungimea îmbinării este mai mică de 38 in. pentru epruvetele J071 și J072, astfel că reducerea de 83,3% a capacității de forfecare a șurubului nu se aplică. Pentru epruvetele J131 și J171, lungimea îmbinării este mai mare de 38 in., dar rigiditatea plăcii (adică aria secțiunii transversale) este relativ mică. Astfel, rezistențele IDEA StatiCa se aliniază cu sau sunt ușor mai mici decât rezistențele AISC pentru aceste cazuri. Pentru epruvetele J132, J172, J251 și J252, rezistențele IDEA StatiCa sunt mai mari decât rezistențele AISC deoarece plăcile sunt mai rigide (adică au arii ale secțiunii transversale mai mari).

Tabelul 3 Proprietățile geometrice și de material ale epruvetelor de testare pentru investigația experimentală Kulak și Fisher (1968)

Tabelul 4 Comparație cu investigația experimentală Kulak & Fisher (1968)

Figura 7 Comparație cu investigația experimentală Kulak și Fisher (1968)

Îmbinări Lungi Sudate

Pentru a investiga efectul distribuției neuniforme a tensiunilor de-a lungul lungimii îmbinării pentru o sudură solicitată la întindere, se utilizează o îmbinare simplă de eclisare sudată. Îmbinarea constă dintr-o placă de testare sudată între două plăci de reacțiune cu suduri de colț pe fiecare margine a plăcilor de reacțiune. Această configurație asigură un grup de suduri solicitat concentric, cu un total de patru linii de sudură în îmbinare. De remarcat că pentru evaluarea lungimii efective a sudurii, lungimea reală a sudurii îmbinării este egală cu lungimea unei singure linii de sudură din grup.

Au fost investigate dimensiuni ale sudurii de 3/16 in. (Îmbinarea A) și 3/8 in. (Îmbinarea B). Îmbinările au fost dimensionate și proprietățile materialelor au fost alese astfel încât starea limită de rupere a sudurii să controleze față de curgerea la întindere a plăcilor pentru calculele tradiționale. Proprietățile geometrice și de material utilizate pentru îmbinări sunt prezentate în Tabelul 5, iar o vedere tridimensională a Îmbinării A cu lungimea sudurii egală cu 18 in. este prezentată în Figura 8.

Tabelul 5 Proprietățile geometrice și de material pentru îmbinările sudate

Figura 8 Vedere tridimensională a unei îmbinări de eclisare sudate

Pentru Îmbinarea A, au fost testate paisprezece lungimi de sudură, crescând în incremente de 4 in. între 10 in. și 62 in. Pentru Îmbinarea B, au fost testate treisprezece lungimi de sudură, crescând în incremente de 10 in. între 10 in. și 130 in. O comparație a rezistenței față de lungimea sudurii este prezentată în Figura 9 pentru Îmbinarea A și Figura 11 pentru Îmbinarea B. Distribuțiile tensiunilor de-a lungul lungimii sudurii sunt prezentate pentru lungimi variate ale sudurii în Figura 10 pentru Îmbinarea A și Figura 12 pentru Îmbinarea B.

Îmbinările A și B prezintă un comportament similar. Pentru lungimi mai mici ale sudurii, rezistențele IDEA StatiCa se aliniază bine cu calculele tradiționale. Cu toate acestea, rezistențele IDEA StatiCa devin conservative în comparație cu calculele tradiționale pe măsură ce lungimea sudurii crește. Rezistențele din calculele tradiționale ating un platou la o lungime a sudurii de 300w, reprezentat printr-o linie verticală întreruptă în Figura 9 și Figura 11. Distribuția tensiunilor de-a lungul lungimii sudurii este neliniară deoarece IDEA StatiCa modelează explicit rigiditatea sudurii și a plăcii. Din această cauză și datorită relației sarcină-deformație relativ conservative utilizate în IDEA StatiCa pentru sudurile solicitate în direcție longitudinală, rezistențele IDEA StatiCa ating un platou la lungimi ale sudurii mult mai mici decât 300w. Așa cum se arată în Figura 10 și Figura 12, sudurile mai scurte au o distribuție relativ uniformă a tensiunilor, cu tensiuni ușor mai mari în segmentele de la capetele liniei de sudură. Pe măsură ce lungimea sudurii crește, distribuția tensiunilor de-a lungul liniei de sudură devine semnificativ mai neuniformă, cu tensiuni ridicate în segmentele de la capete și tensiuni minime în apropierea mijlocului. Schimbarea bruscă a distribuției tensiunilor observată în Figura 10 și Figura 12 pentru sudurile mai lungi se află la limita dintre segmentele de sudură care rămân elastice și segmentele de sudură care suferă deformații plastice. Limita IDEA StatiCa pentru rezistența sudurii este stabilită atunci când gradul de utilizare al segmentului de sudură cel mai solicitat atinge 100%. Prin urmare, pentru sudurile mai lungi, pot exista porțiuni mari ale liniei de sudură care prezintă tensiuni reduse la încărcarea asociată cu gradul de utilizare de 100% al segmentului de sudură cel mai solicitat. Profilul distribuției tensiunilor în verificarea conform codului IDEA StatiCa evidențiază acest comportament neliniar și ar trebui examinat atunci când se fac judecăți inginerești privind rezistența sudurii în IDEA StatiCa.

Figura 9 Rezistența față de lungimea sudurii pentru Îmbinarea A

Figura 10 Distribuțiile tensiunilor de-a lungul lungimii sudurii pentru Îmbinarea A cu lungimi ale sudurii de 18 in., 30 in., 42 in. și 54 in., Unități în ksi

Figura 11 Rezistența față de lungimea sudurii pentru Îmbinarea B

Figura 12 Distribuțiile tensiunilor de-a lungul lungimii sudurii pentru Îmbinarea B cu lungimi ale sudurii de 20 in., 40 in., 60 in. și 80 in., Unități în ksi

Rezumat

Acest studiu evaluează rezistența îmbinărilor lungi cu șuruburi și sudate prin metode tradiționale de calcul utilizate în practica din SUA și IDEA StatiCa. Observațiile cheie din studiu includ:

Pentru îmbinările cu șuruburi:

• IDEA StatiCa modelează explicit rigiditatea șuruburilor și plăcilor; astfel, efectele de lungime sunt surprinse în mod natural prin rezistențele solicitate diferite pentru fiecare șurub și nu prin aplicarea factorului de reducere simplu bazat doar pe lungimea îmbinării din Specificația AISC.
• Rezistența în IDEA StatiCa a fost găsită a fi conservativă în comparație cu rezistența prin calculele tradiționale pentru majoritatea cazurilor.
• Rezistența în IDEA StatiCa a fost găsită a fi mai mare decât rezistența prin calculele tradiționale pentru unele cazuri în care lungimea îmbinării a depășit 38 in. și au fost utilizate plăci mai groase.
• Rezistențele din IDEA StatiCa au fost găsite a fi conservative în comparație cu experimentele fizice efectuate de Bendigo et al. (1963) și Kulak și Fisher (1968).

Pentru îmbinările sudate:

• IDEA StatiCa modelează explicit rigiditatea sudurilor și plăcilor; astfel, efectele de lungime sunt surprinse în mod natural prin rezistențele solicitate diferite pentru fiecare segment de sudură și nu prin aplicarea factorilor de reducere simpli bazați doar pe raportul dintre lungimea sudurii și dimensiunea sudurii din Specificația AISC.
• Rezistența în IDEA StatiCa a fost găsită a fi conservativă în comparație cu rezistența prin calculele tradiționale pentru cazurile investigate.
• Rezistența în IDEA StatiCa a fost găsită a fi mai conservativă pentru lungimi mai mari ale sudurii datorită efectului distribuției nelineare a tensiunilor între segmentele de sudură și relației sarcină-deformație relativ conservative pentru sudurile solicitate longitudinal utilizate în analizele IDEA StatiCa.

Referințe

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.