CBFEM Validierung: Blockscherverhalten

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Die Blockscherung von Schraubenverbindungen wird durch Finite-Elemente-Analyse ermittelt und durch eine plastische Grenzdehnung von 5% nachgewiesen. Die Blockscherfestigkeit in CBFEM hängt nur von der Streckgrenze und dem Widerstandsfaktor der Platte ab.

Die Blockscherfestigkeit wird in jeder Norm etwas anders berechnet. In diesem Beispiel wird die Blockscherfestigkeit von CBFEM mit dem experimentellen Programm verglichen, das in einem ausführlichen Bericht beschrieben ist, der an der University of Alberta in Kanada erstellt wurde.

Material und Geometrie

Plattenmaterial: 350W (\(f_y = 350\,\textrm{MPa},\,f_u = 450\,\textrm{MPa}\))

Widerstandsfaktor des Stahls: \(\phi=0,9\)

Die realen Materialeigenschaften liegen überraschend unter den Nennwerten (Tabelle ist dem Bericht entnommen). Bei der CBFEM werden die Nennwerte mit dem Widerstandsfaktor verwendet.

Plattendicke: 6,4 mm

Schrauben: 1/2 Zoll Durchmesser, Klasse A325, Durchmesser des Schraubenlochs = Schraubendurchmesser

Der Prüfaufbau besteht aus einem verstärkten Anschluss (oberer Teil) und einer Testverbindung (unterer Teil). In der CBFEM wird nur die Testverbindung modelliert. Die folgende Abbildung ist dem Bericht entnommen.

Es gab zwei Varianten der Geometrie:

  • Schrauben nah beieinander (Abstand 51 mm; Proben T1A, T1B und T1C)
  • Schrauben mit größerem Abstand, 152 mm (Muster T2B und T2C)

Ergebnisse

Die Verformung der CBFEM wird von ähnlichen Stellen wie im Experiment im Entwicklermodus abgelesen, wo Verschiebungen sichtbar gemacht werden können. Die Werte werden an der Skala abgelesen, daher sind die Verformungen nicht ganz genau.

Die Last-Verformungs-Kurven entsprechen ziemlich genau den experimentellen Diagrammen aus dem Bericht. Die Unterschiede liegen in den verwendeten Nennwerten und dem Widerstandsfaktor in der CBFEM. Das Modell verwendet auch nur ein bilineares Materialdiagramm mit unbedeutender Wiederverfestigung. Darüber hinaus entspricht die durch CBFEM verformte Form gut dem Experiment, und die plastische Dehnung konzentriert sich auf den oberen Teil zwischen den Schrauben, was darauf hindeutet, dass der Zugversagen vor dem Scherversagen an den Seiten auftritt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die plastische Grenzdehnung von 5% (orangefarbener Punkt in den folgenden Grafiken) bei sehr geringer Verformung und lange vor einem Bruch erreicht wird. Das Zugversagen tritt bei 45% bzw. 42% plastischer Dehnung für die Geometrie T1 bzw. T2B/C auf. Die Scherflächen sind noch duktiler, aber der Lastwiderstand ist bereits deutlich verringert.

Fazit

In der CBFEM wird die Blockscherfestigkeit einer Schraubengruppe durch Finite-Elemente-Analyse bestimmt und durch 5% plastische Grenzdehnung überprüft. Dieser Vergleich mit experimentellen Ergebnissen aus dem Forschungsbericht zeigt, dass das Last-Verformungs-Diagramm gut passt, obwohl in der CBFEM ein relativ grobes Netz und ein vereinfachtes Materialmodell verwendet werden. Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass die plastische Grenzdehnung von 5% schon bei einer sehr kleinen Verformung lange vor einem Bruch erreicht wird.

Die CBFEM soll den Bemessungswiderstand und nicht das reale Verhalten von Verbindungen perfekt ermitteln. Obwohl die plastische Dehngrenze von 5% in diesen beiden Fällen der Blockscherfestigkeit sehr sicher ist, sollten Nutzer diese Grenze nicht erhöhen.

Verweise:

Huns, Bino Baljit Singh, Grondin, Gilbert Y., Driver, Robert G. Block shear behaviour of bolted gusset plates, Structural engineering report SER 248 | SER-ID SER248, University of Alberta, 2002. Verfügbar bei: https://era.library.ualberta.ca/items/cf9bf338-36ca-4557-9bb2-ee198954bd00

Beispieldateien

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