Előminősített csomópontok szeizmikus alkalmazásokhoz

12.1 EQUALJOINTS projekt

Az EQUALJOINTS európai kutatási projekt előminősítési kritériumokat biztosít az acél csomópontokhoz az EN 1998-1 következő verziójához. A kutatási tevékenység kiterjedt a csavaros csomóponttípusok egy csoportjának és a különböző teljesítményszintek teljesítésére tervezett nehéz profilokkal készült hegesztett csökkentett gerendakeresztmetszetnek a tervezési és gyártási eljárásainak szabványosítására. Emellett kidolgoztak egy új terhelési protokollt az európai előminősítéshez, amely reprezentatív az európai szeizmikus igényekre. Az európai alacsony szénacél és a nagyszilárdságú csavarok ciklikus jellemzésére irányuló kísérleti kampány elérte a szükséges viselkedést négy típusú előminősített csomópontnál: vállalt csavaros csomópontok, merevítetlen kinyújtott homloklemezzel ellátott csavaros csomópontok, merevített kinyújtott homloklemezzel ellátott csavaros csomópontok és hegesztett csökkentett gerendakeresztmetszetű csomópontok; lásd 12.1.1. ábra. Az EQUALJOINTS projekten belül kísérletileg elért eredményeket (Stratan et al. 2017) és (Tartaglia and D'Aniello, 2017) foglalja össze.

12.1.1. ábra Az EQUALJOINTS projektben előminősített szerkezeti csomópontok

12.2 Homloklemezzel ellátott csomópontok

A kinyújtott merevített homloklemezzel ellátott csavaros kapcsolatok a leggyakoribbak az európai acélszerkezet-gyártó iparban, és széles körben alkalmazzák őket az európai gyakorlatban momentumálló csomópontokként alacsony és közepes magasságú acélvázas épületekben, köszönhetően a gyártás és szerelés egyszerűségének és gazdaságosságának. A csavaros kinyújtott merevített homloklemezzel ellátott gerenda-oszlop csomópontok tervezési kritériumait és kapcsolódó követelményeit alaposan megvizsgálták és kritikusan megvitatták, és jelenleg az EN 1998-1:2005 szabványban kodifikálták, végeselem-elemzéseken alapuló parametrikus tanulmány alapján. Sajnos a kapacitástervezési eljárást csak a komponensmódszer keretein belül dolgozták ki. Ez figyelembe veszi a bordák jelenlétét is, és képes szabályozni a csomópont viselkedését különböző teljesítményszinteken.

A merevítetlen kinyújtott homloklemezzel ellátott csomópontokat általánosan alkalmazzák az acélszerkezetekben acél I vagy H gerenda és acél I vagy H oszlop összekötésére olyan esetekben, amikor jelentős hajlítónyomatékokat kell átvinni. Ez a kialakítás lehetővé teszi az egyszerű szerelést csavarozással, miközben a homloklemez gerendához való hegesztése automatizált a műhelyben. A kapcsolat hajlítási ellenállása általában kisebb, mint a csatlakoztatott elemek hajlítási ellenállása. Ezért az ilyen csomópontokat részleges szilárdságúnak tekintik. Az egyenlő szilárdságú helyzet elérése, amelyben a csomópont képlékeny ellenállása nagyjából egyenlő a gerendakeresztmetszet képlékeny ellenállásával, megfelelő tervezéssel érhető el. Hajlítási duktilitásuk nagymértékben függ a csomópontok részletezésétől, amely befolyásolja a tönkremeneteli módot (Jaspart, 1997). Ha a tönkremenetelt meghatározó csomóponti komponens duktilis, és ha a rideg aktív komponensek ellenállása lényegesen nagyobb, duktilis csomóponti viselkedés érhető el. Ellenkező esetben nem szabad támaszkodni a csomópont képlékeny csuklók kialakítására és a belső erők újraelosztására vonatkozó képességére a szeizmikus területeken való energiaelnyelés érdekében.

A hegesztett csökkentett gerendakeresztmetszetű momentumálló kapcsolatoknál, amelyeket kutyacsontnak is neveznek, két fő stratégiát alkalmaztak: a kapcsolat megerősítését vagy a gerenda gyengítését. E két lehetőség közül a keresztmetszet-csökkentés profiljára vonatkozóan a sugárral vágott változat viszonylag duktilisabb viselkedést mutat, késleltetve a végső törést (Jones et al. 2002). Azonban a munka kimutatta, hogy a csökkentett gerendakeresztmetszetű elemek hajlamosabbak a kifordulásra az övlemezeik csökkentett területe miatt. A mély oszlopok alkalmazására összpontosító további kísérleti és analitikai kutatások (Zhang és Ricles, 2006) azt jelezték,hogy az összetett padlólemez jelenléte nagymértékben csökkentheti az oszlopban kialakuló csavarodás mértékét, mivel merevítést biztosít a gerendának és csökkenti az alsó övlemez oldalirányú elmozdulását.

Az EQUALJOINTS projekten belül kidolgozott tervezési eljárás szerint a csomópont három makro-komponensből áll: az oszlop gerinclemezes paneljéből, a kapcsolati zónából és a gerenda zónájából; lásd 12.2.1. ábra. Minden makro-komponenst egyedileg terveznek meg specifikus feltételezések szerint, majd kapacitástervezési kritériumokat alkalmaznak a csomópont értékelésére meghatározott három különböző tervezési cél elérése érdekében: teljes szilárdságú, egyenlő szilárdságú és részleges szilárdságú csomópontok. A teljes szilárdságú csomópontokat úgy tervezik, hogy biztosítsák az összes képlékeny alakváltozás kialakulását a gerendában, ami összhangban van az EN 1998-1:2005 erős oszlop – gyenge gerenda kapacitástervezési szabályaival. Az egyenlő szilárdságú csomópontokat elméletileg az összes makro-komponens egyidejű folyása jellemzi, azaz a kapcsolat, a gerinclemezes panel és a gerenda. A részleges szilárdságú csomópontokat úgy tervezik, hogy a képlékeny alakváltozás csak a kapcsolatban vagy az oszlop gerinclemezes paneljében alakuljon ki. A kapcsolat és az oszlop gerinclemezes panel makro-komponenseinek ellenállása alapján mind az egyenlő, mind a részleges szilárdságú csomópontoknál további osztályozás vezethető be. Erős gerinclemezes panel esetén a képlékeny igény a kapcsolatban koncentrálódik részleges szilárdságú csomópontnál, vagy a kapcsolatban és a gerendában egyenlő szilárdságú csomópontnál. Kiegyensúlyozott gerinclemezes panel esetén a képlékeny igény megoszlik a kapcsolat és az oszlop gerinclemezes panelje között részleges szilárdságú csomópontnál, illetve a kapcsolatban, a gerinclemezes panelben és a gerendában egyenlő szilárdságú csomópontnál. Gyenge gerinclemezes panel esetén a képlékeny igény az oszlop gerinclemezes paneljében koncentrálódik részleges szilárdságú csomópontnál, vagy a gerinclemezes panelben és a gerendában egyenlő szilárdságú csomópontnál.

12.2.1. ábra A csomópont felosztása makro-komponensekre

A csomópont duktilitása a tönkremeneteli mód típusától és az aktivált komponens megfelelő képlékeny alakváltozási kapacitásától függ. Az alakváltozási kapacitás nagyjából megjósolható a CM-re kidolgozott kritériumok teljesítésével, vagy pontosabban kiszámítható a CBFEM segítségével. Az alábbiakban az EQUALJOINTS projekt anyagaiban és az ANSI/AISC358-16 szabványban leírt két előminősített csomóponti konfiguráció tervezési példái kerülnek bemutatásra, a makro-komponensek viselkedését külön-külön figyelembe véve.

12.2.1 Validálás

Az előminősített csomópontok merevségének, teherbírásának és alakváltozási kapacitásának CBFEM modelljeit Montenegro (2017) validálta az EQUALJOINTS projektből rendelkezésre álló kísérletek alapján. A szerkezeti megoldások példái a 12.2.2. ábrán láthatók. A tönkremeneteli mód validálásának eredményei a 12.2.3. ábrán láthatók. A 15 %-os alakváltozásra vonatkozó ellenállás és alakváltozási kapacitás validálásának összefoglalója a 12.2.4. és 12.2.5. ábrákon látható.

12.2.2. ábra Validáláshoz és ellenőrzéshez használt csomópontok: a) EH2-TS-35-M és EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M és ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M és E2-TS-E-M

12.2.3. ábra A CBFEM tönkremeneteli módjának validálása a vállalt kinyújtott homloklemezzel ellátott csomópontokon E1-TS-F-C2 (Tartaglia és D'Aniello, 2017)

12.2.4. ábra A CBFEM ellenállásának validálása az EQUALJOINTS projekt kísérletei alapján

12.2.5. ábra A CBFEM forgási kapacitásának validálása az EQUALJOINTS projekt kísérletei alapján

12.2.2 Ellenőrzés

A CBFEM modellt az EN 1993-1-8:2006 6. fejezete szerintCM-hez validálták. Az eredmények kiválasztása a 12.2.1. táblázatban és a 12.2.6. ábrán látható. Az eredmények a CM pontosságának csökkenését mutatják nagyobb csomópontoknál, ahol a karemelő durva feltételezése vezérli a pontosságot.

12.2.1. táblázat A CBFEM ellenőrzése CM-hez képest

12.2.6. ábra A CBFEM ellenállásának ellenőrzése CM-hez képest

Három egyoldalas vállalt csomópontot részletesebben ismertetnek (Landolfo et al. 2017) és az (Equaljoints alkalmazás). A csomópontokat mind pozitív, mind negatív hajlítónyomatékok és a megfelelő nyíróterhelés terheli. Az oszlop gerinclemezeit megkettőzőkkel erősítik meg, így a meghatározó komponensek a homloklemez vagy az oszlop övlemezének T-csonkjai. A forgástengelyeket a felső gerendaövlemez középpontjában feltételezik pozitív hajlítónyomaték esetén, és a váll közepén negatív hajlítónyomaték esetén. A képlékeny csukló helyzetét a váll végén lévő merevítőlemez felületénél feltételezik. Az oszlop felületénél a kapcsolat ellenőrzéséhez használt hajlítónyomatékot a megfelelő nyíróterheléssel növelik; lásd 12.2.7. ábra.

12.2.7. ábra A képlékeny csukló helyzete, a hajlítónyomaték menete a vállalt csomópontban

12.2.2. táblázat A komponensek ellenállása CM szerint vállalt csomópontokhoz

Az alakváltozási keményedési tényezőt 1,2-re választották, ahogyan azt az EN 1993-1-8:2006 és az Equaljoints projekt zárójelentése javasolja (az EN 1998-1:2005 az 1,1 értéket javasolja). A túlszilárdság tényezőjét 1,25-nek feltételezték (Landolfo et al. 2017). Minden acél S355 minőségű volt. Az egyes komponensek ellenállásait a 12.2.2. táblázat foglalja össze. A félkövérrel szedett ellenőrzések nem teljesülnek. Megjegyzendő, hogy a váll ellenállása a gerendakeresztmetszet képlékeny ellenállása a homloklemelnél lévő váll figyelembevételével. A gerenda szilárdságát a képlékeny csukló helyén a túlszilárdság tényezőjével megnöveltnek feltételezik, de a homloklemelnél nem. Ha a túlszilárdság tényezőjét a homloklemelnél is alkalmazták volna, ez az ellenállás magasabb lenne. Ezért a következő legalacsonyabb ellenállást, a T-csonk – homloklemez ellenállást feltételezték a 267. sz. csomópont csomóponti ellenállásának meghatározójaként. A vizsgált csomópontok egyike sem teljesíti a teljes szilárdságú csomópont követelményét. Az ellenállás azonban nagyon közel van, és a csomópontok egyenlő szilárdságúak. Az oszlop gerinclemezes panelje minden esetben erős.

A CBFEM szerinti meghatározó tönkremeneteli mód a csavarok tönkremenetele a lemezek folyásával, főként a homloklemez, az oszlop övlemeze és a váll esetében. A CBFEM szerint a 4.2. sz. és a 264. sz. csomópontok teljes szilárdságúak, a 267. sz. csomópont pedig egyenlő szilárdságú. Az oszlop gerinclemezes panelje minden esetben erős.

12.2.8. ábra Az alakváltozások az ellenállásnál: a) a teljes csomópont, b) csak a csavaros homloklemezzel ellátott kapcsolat makro-komponens, c) csak a gerinclemezes panel nyírásban megkettőzőkkel makro-komponens, d) csak a gerenda makro-komponens

12.2.3 Merevítetlen kinyújtott homloklemezzel ellátott csomópontok

Az érzékenységi vizsgálathoz egy előminősített merevítetlen kinyújtott homloklemezzel ellátott csomópontot választottak. Az IPE 450 gerenda HEB 300 oszlophoz csatlakozik 25 mm vastag kinyújtott homloklemezzel, tizenkét M30 10.9 csavarral, gerinclemezes megkettőzővel és anélkül (10 mm vastag). Minden lemezhez S 355 acélminőséget alkalmaztak. Az egyes makro-komponensek hozzájárulásának külön-külön történő meghatározásához a kiválasztott makro-komponens anyagdiagramja rugalmas-képlékeny volt, míg a csomópont többi részénél csak rugalmas anyagdiagramot alkalmaztak. A teljes csomópont, a csak megkettőzőkkel ellátott gerinclemezes panel nyírásban és a csak csavaros homloklemezzel ellátott kapcsolat ellenállásánál fellépő alakváltozásokat a csak gerenda makro-komponenssel hasonlítják össze a 12.2.8. ábrán. Az egyes makro-komponensek csomóponti viselkedésre gyakorolt hatása a 12.2.9. ábrán látható, ahol az oszlop gerinclemezes panelje megkettőzőkkel és anélkül is látható. A csomópont viselkedése a kapcsolat makro-komponens magasabb ellenállását mutatja.

12.2.9. ábra A makro-komponensek hatása: az oszlop gerinclemezes panelje megkettőzőkkel nyírásban,
a csavaros homloklemezzel ellátott kapcsolat és a gerenda a teljes csomópont viselkedésére

12.2.4 A nyomási centrum helyzete

A homloklemezzel ellátott csomópontoknál az EN 1993-1-8:2006 előírja, hogy a nyomási centrum a gerendaövlemez vastagságának közepén helyezkedik el, vagy vállalt csomópontok esetén a váll csúcsánál. A kísérleti és numerikus eredmények azt mutatták, hogy a nyomási centrum helyzete mind a csomópont típusától, mind a forgási igénytől függ, az egyes csomóponti komponensek különböző mértékű bevonásával járó képlékeny módok kialakulása miatt (Landolfo et al. 2017). A javasolt CM tervezési eljárás szerint, valamint a kísérleti és numerikus eredmények alapján, a merevített homloklemezzel ellátott csomópontoknál a gerendaövlemez és a bordamerevítők által alkotott keresztmetszet súlypontjánál, vállalt csomópontoknál pedig a váll magasságának kb. 0,5-énél várható érintkezés. Ezt a durva feltételezést a CBFEM eljárás pontosítja, amely helyes értékeket ad a terhelés és a csomópont részeinek kezdeti folyása során.

A bemutatott eredmények a CBFEM jó pontosságát mutatják, amelyet azROFEM-hez ellenőriztek és az EQUALJOINTS kísérletekhez és CM-hez validáltak. Lehetőséget biztosít a makro-komponensek viselkedésének külön-külön történő figyelembevételére és a semleges tengelyek helyzetének pontos meghatározására a terhelés/képlékenyedés szerint.

12.3 Hegesztett csökkentett gerendakeresztmetszetű csomópont

Az ANSI/AISC 358-16 szerint előminősített hegesztett csökkentett gerendakeresztmetszetű csomópontot választottak ehhez a vizsgálathoz. Az IPE 450 gerenda HEB 300 oszlophoz csatlakozik tompahegesztéssel az övlemezeknél és 12 mm vastag hevederlemezzel három előfeszített M30 10.9 csavarral, gerinclemezes megkettőzővel és anélkül (10 mm vastag); lásd 12.3.1. ábra. Minden felhasznált acél S355 minőségű.

A teljes csomópont és a csak megkettőzőkkel ellátott gerinclemezes panel nyírásban makro-komponens végső ellenállásánál fellépő alakváltozások a 12.3.2. ábrán láthatók. Az egyes makro-komponensek csomóponti viselkedésre gyakorolt hatása a 12.3.3. ábrán látható, ahol az oszlop gerinclemezes panelje megkettőzőkkel és anélkül is látható. A csomópont azt mutatja, hogy a csomóponti makro-komponensek ellenállásai jól optimalizáltak.

12.3.1. ábra Csökkentett gerendakeresztmetszetű csomópont: a) csökkentett keresztmetszetű gerenda, b) az oszlop gerinclemezes panelje megkettőzőkkel nyírásban, a csavaros homloklemezzel ellátott kapcsolat,

12.3.2. ábra Az alakváltozások az ellenállásnál: a) a teljes csomópont és b) csak a gerinclemezes panel megkettőzőkkel nyírásban makro-komponens 

12.3.3. ábra A makro-komponensek hatása a teljes csomópont viselkedésére M-φ diagramon

Hivatkozások

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Acélszerkezetek tervezése – 1-8. rész: Csomópontok tervezése, CEN, Brüsszel, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Ciklikusan terhelt csökkentett gerendakeresztmetszetű momentumálló kapcsolatok kísérleti értékelése. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Acélszerkezetek tervezése szeizmikus területeken lévő épületekhez, ECCS Eurocode tervezési kézikönyv. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Vállalt csavaros kinyújtott homloklemezzel ellátott gerenda-oszlop kapcsolatok kísérleti előminősítése. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Kinyújtott merevített homloklemezzel ellátott csavaros gerenda-oszlop csomópontok nemlineáris teljesítménye oszlopeltávolítás esetén. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Csökkentett gerendakeresztmetszetű kapcsolatok kísérleti értékelése mély oszlopokhoz. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.