Rezistența la moment a îmbinărilor metalice sudate grindă-stâlp cu secțiune deschisă pe axa puternică

Acest Raport a fost elaborat în cadrul unei colaborări între ISISE (Institutul pentru Sustenabilitate și Inovare în Ingineria Structurală) la Universitatea din Coimbra  și IDEA StatiCa. Acest proiect a fost finanțat în comun de ambele entități și redactat de:

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

Rezumat executiv

Acest raport prezintă o analiză detaliată a îmbinărilor metalice sudate grindă-stâlp, cu accent specific pe componenta inimii stâlpului la forfecare, utilizând modele 3D-MEF de înaltă calitate, validate corespunzător. Studiul cuprinde îmbinări sudate cu secțiune deschisă grindă-stâlp cu rezistență la moment pe axa puternică, cu și fără rigidizări transversale, acoperind îmbinări unilaterale și bilaterale situate fie la un nivel intermediar (interior), fie la ultimul nivel (acoperiș), iar pentru îmbinările interioare, cu diferite niveluri de forță axială în stâlp. Studiul acoperă o gamă largă de situații în ceea ce privește zveltețea stâlpului, raportul de aspect al îmbinării, configurația îmbinării, rigidizările, forța axială și raportul momentelor (pentru îmbinările bilaterale). Sunt luate în considerare și aspecte relevante pentru MEF, cum ar fi modelul de material, tipul de analiză, densitatea plasei, imperfecțiunile inițiale etc.

Acest studiu cuprinde un an de activitate în următoarele domenii:

1. Lista de cazuri include situații cu 30%, 50% și 70% forță axială.
2. Clasele de oțel includ S235, S275 și S355.
3. Sunt discutați stâlpi laminați, stâlpi cu suduri de colț și stâlpi cu suduri cap la cap.
4. A fost inclus un studiu cuprinzător privind diferențele dintre GMNA și MNA.
5. A fost inclus un studiu cuprinzător privind influența legii constitutive a materialului.
6. Este studiată influența sudurilor de colț asupra comportamentului îmbinării.

Obiective

Obiectivul acestui studiu este evaluarea rezistenței la moment încovoietor pe axa puternică a îmbinărilor sudate în configurații grindă-stâlp unilaterale și bilaterale cu elemente cu secțiune deschisă (grinzi și stâlpi), inclusiv influența rigidizărilor transversale, utilizând: i) regulile de proiectare europene, ii) MEF (elemente solide 3D) și iii) IDEA StatiCa; și compararea rezultatelor obținute prin fiecare metodă.

Metodologie

1. Evaluarea rezistenței de calcul a componentei panoului de inimă pentru o gamă largă de îmbinări sudate grindă-stâlp prin modele MEF 3D de înaltă calitate, utilizate ulterior ca cazuri de referință.
2. Compararea rezistenței îmbinării cu modele CBFEM (IDEA StatiCa), bazate pe elemente de tip placă.
3. Discutarea posibilității de îmbunătățire a funcționalităților și opțiunilor implicite oferite de IDEA StatiCa pentru a asigura obținerea unei valori de rezistență realiste și sigure.
4. Compararea rezistenței îmbinării cu rezultatele obținute din expresiile de calcul furnizate în Eurocode 3, versiunile actuale și viitoare.
5. Evaluarea diferențelor de rezistență la moment produse de criteriul deformației plastice echivalente de 5% adoptat de IDEA StatiCa pentru a defini „rezistența de calcul" pe curba moment-rotație, față de alte criterii uzuale (cum ar fi reducerea rigidității secante la 1/3 din rigiditatea inițială).

Întrebări abordate

• Care este dispersia rezultatelor?
• Care este influența diferiților parametri (zveltețe, raport de aspect, raportul momentelor încovoietoare, rigidizări transversale, forță axială etc.) asupra acestor rezultate?
• Care este influența componentelor inimii stâlpului asupra acestor rezultate?

Excluderi

Nu se efectuează nicio evaluare a fiabilității rezultatelor programului, deoarece aceasta depășește scopul prezentului studiu.

Rezumatul concluziilor

Analiza rezultatelor Abaqus a evidențiat următoarele concluzii:

1. Referitor la criteriul deformației plastice echivalente de 5%, s-a demonstrat că, pentru acest tip de îmbinare, acesta produce rezultate de rezistență similare cu cele obținute din același model numeric cu o reducere a rigidității secante la 1/3 din rigiditatea inițială.
2. Imperfecțiunile inițiale joacă un rol minor în comportamentul îmbinărilor analizate; cu toate acestea, neliniaritatea geometrică (analiza de ordinul 2) ar trebui inclusă, în special în cazurile în care este prezentă forța axială.
3. Includerea ecruisajului conduce la o creștere medie mică de 4% a rezistenței, însă are un efect semnificativ, de aproximativ 44% în medie, asupra rotației îmbinării.

Următoarele observații sunt relevante pentru implementarea în IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa, cu plasa implicită a programului (versiunea 23.1) și MNA (analiză material neliniară), furnizează rezistențe mai mari decât cele obținute cu Abaqus. În medie, cu 6% mai mari pentru stâlpi laminați cu suduri cap la cap și cu aproximativ 11% pentru stâlpi sudați cu suduri cap la cap sau de colț. Pentru stâlpi laminați cu suduri de colț, rezultatele sunt, în medie, identice cu cele din Abaqus. Abaterile maxime observate pentru un caz individual sunt de 22% (stâlpi laminați cu suduri cap la cap) și 53% (stâlpi sudați cu suduri cap la cap).
   Comentariu IDEA StatiCa: Această situație este remediată prin două modificări implementate în versiunea 25.0:
   - Analiza geometrică neliniară
   - Zona de distribuție a sudurii – redusă pentru sudurile cap la cap, adică rezistența stâlpilor sudați cap la cap este diminuată
   
2. IDEA StatiCa cu o plasă rafinată (înjumătățind dimensiunea plasei implicite) și GMNA (analiză geometrică și material neliniară) furnizează rezistențe în bună concordanță (în medie în limita ±5%) cu rezultatele Abaqus. Abaterile maxime observate pentru un caz individual sunt de 15% (stâlpi laminați cu suduri cap la cap), 5% (stâlpi laminați cu suduri de colț), 27% (stâlpi sudați cu suduri cap la cap) și 14% (stâlpi sudați cu suduri de colț).
   Comentariu IDEA StatiCa: Înjumătățirea plasei nu mai este necesară odată cu modificările menționate la punctul anterior.
   
3. Influența imperfecțiunilor inițiale a fost studiată pentru îmbinările interioare unilaterale și s-a constatat că este neglijabilă.
   Comentariu IDEA StatiCa: Aceasta înseamnă că GMNA este suficientă și GMNIA nu este necesară pentru gama de îmbinări investigată.
   
4. Analiza pur material neliniară fără efecte de ordinul 2 conduce la rezultate neconservatoare în cazul forței axiale pe stâlp. Prin urmare, se recomandă ca analiza geometrică neliniară să fie activată implicit în program.
   Comentariu IDEA StatiCa: În versiunea 25.0, analiza geometrică neliniară este disponibilă pentru fiecare îmbinare. În patch-ul următor, va fi furnizat un avertisment.
   
5. Dimensiunea plasei joacă un rol esențial în acuratețea rezultatelor. O abordare potențială pentru estimarea valorii convergente ar putea fi bazată pe un proces automatizat care înjumătățește dimensiunea plasei și aplică extrapolarea Richardson la rezistența la moment obținută cu ambele valori.
   Comentariu IDEA StatiCa: Extrapolarea Richardson este posibilă la determinarea rezistențelor la încărcare. Cu toate acestea, nu este posibilă pentru verificările admis/respins. Odată cu modificările menționate anterior din versiunea 25.0, plasa implicită furnizează deja rezultate suficient de precise. 
6. Modelul de material implementat de IDEA StatiCa (cu pantă de ecruisaj E/1000) conduce la o creștere medie de 3% a rezistenței la moment în comparație cu rezultatele obținute cu material elastic perfect plastic.

Citiți raportul complet în atașament.

Descărcări atașate

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