Uniplanární T-styčník mezi RHS diagonálou a H/I pásem

Popis

Je studován uniplanární T-styčník obdélníkového dutého průřezu diagonály k otevřenému průřezu pásu, který je součástí příhradového nosníku. RHS diagonála je přivařena přímo na H nebo I pás z otevřených průřezů bez použití výztužných plechů. Predikce metodou konečných prvků na bázi komponent (CBFEM) je ověřena metodou poruchových módů (FM) implementovanou v EN 1993-1-8:2005.

Analytický model

V uniplanárním T-styčníku svařovaných obdélníkových dutých průřezů k otevřeným průřezům se vyskytují tři poruchové módy: lokální plastifikace diagonály, nazývaná porušení diagonály, porušení stojiny pásu a smyk pásu. Všechny tyto poruchové módy jsou v této studii zkoumány; viz obr. 7.4.1. Svary jsou navrženy tak, aby nebyly nejslabším prvkem styčníku podle EN 1993-1-8:2005. Prvky příhradových nosníků jsou zatíženy normálovými silami a ohybovými momenty. Místo působení vnitřních sil T-styčníku je popsáno takto:

Osově zatížený H/I pás

Normálové síly v pásu vpravo a vlevo od T-styčníku působí ve směru podélné osy pásu.

Ohybem zatížený H/I pás

V pásu jsou uvažovány ohybové momenty vpravo a vlevo od T-styčníku v rovině T-styčníku, přičemž tyto ohybové momenty rotují kolem jedné z os v rovině průřezu pásu pro rotaci v rovině T-styčníku.

Osově zatížená RHS diagonála

Normálová síla v diagonále T-styčníku působí ve směru podélné osy diagonály.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.1 Major failure modes a) chord web failure, b) chord shear (in case of gap), c) brace failure}}}$$

Únosnost stojiny pásu je stanovena metodou uvedenou v oddíle 7.6 normy EN 1993-1-8:2005, která je popsána v (Wardenier et al., 2010). Napětí z diagonály jsou přenášena přes pásnici pásu na účinnou plochu stojiny pásu. Tato plocha se nachází ve stojině pásu v místě, kde stěny diagonály kříží stojinu pásu. Návrhová osová únosnost styčníku je minimem z návrhových únosností:

Porušení stojiny pásu

$$N_{\mathrm{i,Rd}} = \frac{f_{\mathrm{y0}} \cdot t_{\mathrm{w}} \cdot b_{\mathrm{w}}}{\sin(\theta_{\mathrm{i}}) \cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Smyk pásu

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=\frac{f_\mathrm{y0}\,A_\mathrm{v}}{\sqrt{3}\,\sin\theta_\mathrm{i}\cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Porušení diagonály

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=2\,f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,p_{\mathrm{eff}}/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

kde

$$p_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

a $A_\mathrm{v}$ je účinná smyková plocha.

Návrhová ohybová únosnost styčníku je minimem z návrhových únosností:

Porušení stojiny pásu

$$M_{\mathrm{ip,Rd}} = \frac{0.5 \, f_{\mathrm{y0}} \, t_{\mathrm{w}} \, b_{\mathrm{w}} \, h_1}{\gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Porušení diagonály

$$M_{\mathrm{ip,Rd}}=f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,b_{\mathrm{eff}}\,(h_\mathrm{1}-t_\mathrm{1})/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

kde

$$b_{\mathrm{w}} = \frac{h_1}{\sin \theta_{\mathrm{i}}} + 5 \cdot t_{\mathrm{f,0}} + r \;\leq\; 2 \, t_{\mathrm{i}} + 10 \cdot (t_{\mathrm{f,0}} + r)$$

$$b_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

Přehled uvažovaných příkladů zatížených osovou silou je uveden v tab. 7.4.1. Přehled uvažovaných příkladů zatížených ohybovým momentem je uveden v tab. 7.4.2. Geometrie styčníku s rozměry je znázorněna na obr. 7.4.2.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.2 Joint geometry with dimensions}}}$$

Tab. 7.4.1 Příklady styčníků zatížených osovou silou 

Tab. 7.4.2 Příklady styčníků zatížených momentem v rovině

Ověření únosnosti

Studie byla zaměřena na porovnání poruchových módů a predikci návrhové únosnosti. Výsledky jsou uvedeny v tab. 7.4.3 a 7.4.4.

Tab. 7.4.3 Porovnání CBFEM a FM pro osovou sílu v diagonále

Tab. 7.4.4 Porovnání CBFEM a FM pro moment v rovině v diagonále

Citlivostní studie vykazuje dobrou shodu pro všechny uvažované zatěžovací případy. V metodě CBFEM je zaoblení stěny otevřeného průřezu zjednodušeno, což přináší konzervativní odhad napětí v připojené diagonále a předpoklad únosnosti až do 15 %. Pro ilustraci přesnosti modelu CBFEM jsou výsledky parametrických studií shrnuty v diagramu porovnávajícím návrhové únosnosti podle CBFEM a FM; viz obr. 7.4.3.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.4.3 Verification of CBFEM to FM for axial force and bending moment in the brace}}}$$

Rozsah platnosti

Rozsah platnosti, pro který je CBFEM ověřen pro T-styčníky mezi obdélníkovým dutým průřezem a otevřeným průřezem, je definován v tabulce 7.20 normy EN 1993-1-8:2005, viz tab. 7.4.5. V případě použití modelu CBFEM mimo rozsah platnosti FM by mělo být připraveno ověření na základě experimentů nebo verifikace na validovaném výzkumném modelu pro potvrzení kvality predikce.

Tab. 7.4.5 Rozsah platnosti T-styčníků

Vzorový příklad

Vstupy

Pás
• Ocel S235
• IPN280

Diagonála
• Ocel S235
• RHS 140×80×10

Velikost sítě
• 16 prvků na největší stěně obdélníkového dutého prvku

Výstupy

• Návrhová únosnost v tlaku/tahu F_c,Rd = 457 kN (Je třeba poznamenat, že únosnost byla vypočtena pomocí funkce „Stop at limit strain". V důsledku toho může být skutečná únosnost CBFEM mírně vyšší.)

• Poruchový mód je plastifikace pásu

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.4 Benchmark example for chord IPE270 and brace RHS 140×80×10}}}$$