Erős tengelyű nyitott szelvényű gerenda-oszlop hegesztett acél kapcsolatok nyomatéki ellenállása

Ez a jelentés az ISISE (Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering) és a Coimbrai Egyetem  valamint az IDEA StatiCa közötti együttműködés keretében készült. A projektet mindkét szervezet közösen finanszírozta, szerzői:

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

Vezetői összefoglaló

Ez a jelentés átfogó elemzést mutat be hegesztett gerenda-oszlop acél kapcsolatokról, különös tekintettel az oszlopgerinc nyírási komponensére, megfelelően validált, kiváló minőségű 3D-FEM modellek alkalmazásával. A tanulmány erős tengelyű nyomatékálló hegesztett nyitott szelvényű gerenda-oszlop kapcsolatokat foglal magában, keresztirányú merevítőkkel és anélkül, egyoldalas és kétoldalas kapcsolatokat lefedve, amelyek közbülső (belső) vagy utolsó szinten (tető) helyezkednek el, belső kapcsolatok esetén pedig különböző szintű oszlop tengelyirányú terhelésekkel. A tanulmány az oszlop karcsúság, a kapcsolat arányai, a kapcsolat konfigurációja, a merevítők, a tengelyirányú erő és a nyomatékarány (kétoldalas kapcsolatoknál) tekintetében széles körű helyzeteket fed le. A végeselemes módszer szempontjából releváns szempontokat, mint az anyagmodell, az elemzés típusa, a hálósűrűség, a kezdeti tökéletlenségek stb., szintén figyelembe veszi.

Ez a tanulmány egy éves munkát foglal magában a következő területeken:

1. A vizsgálati lista 30%, 50% és 70% tengelyirányú terhelésű eseteket tartalmaz.
2. Az acélminőségek közé tartozik az S235, S275 és S355.
3. Hengerelt oszlopok, sarokhegesztett és tompahegesztéssel készült oszlopok kerülnek tárgyalásra.
4. Átfogó tanulmány készült a GMNA és az MNA közötti különbségekről.
5. Átfogó tanulmány készült az anyag alkotótörvényének hatásáról.
6. A sarokhegesztések hatását a kapcsolat viselkedésére megvizsgálták.

Célkitűzések

A tanulmány célja a hegesztett kapcsolatok erős tengelyű hajlítási nyomatéki ellenállásának értékelése egyoldalas és kétoldalas gerenda-oszlop konfigurációkban nyitott szelvényű elemekkel (gerendák és oszlopok), beleértve a keresztirányú merevítők hatását, a következők alkalmazásával: i) európai tervezési szabályok, ii) FEA (3D szilárd elemek) és iii) IDEA StatiCa; valamint az egyes módszerekkel kapott eredmények összehasonlítása.

Módszertan

1. A gerinclap komponens méretezési ellenállásának értékelése hegesztett gerenda-oszlop kapcsolatok széles körére kiváló minőségű 3D FEM modellek segítségével, amelyeket ezt követően referenciaként alkalmaznak.
2. A kapcsolat ellenállásának összehasonlítása CBFE modellekkel (IDEA StatiCa), héjelemek alapján.
3. Az IDEA StatiCa által kínált funkciók és alapértelmezett beállítások fejlesztési lehetőségeinek megvitatása annak érdekében, hogy reális és biztonságos ellenállási érték legyen elérhető.
4. A kapcsolat ellenállásának összehasonlítása az Eurocode 3 jelenlegi és közelgő verzióiban szereplő tervezési képletekből kapott eredményekkel.
5. Az IDEA StatiCa által a nyomaték-elfordulás görbén a „méretezési ellenállás" meghatározásához alkalmazott 5%-os egyenértékű képlékeny alakváltozási kritérium által előállított nyomatéki ellenállás különbségeinek értékelése más általános kritériumokhoz képest (mint például a szelantmerevség 1/3-ára való csökkentése a kezdeti merevséghez képest).

Vizsgált kérdések

• Mekkora az eredmények szórása?
• Milyen hatással vannak a különböző paraméterek (karcsúság, arányok, hajlítási nyomatékarány, keresztirányú merevítők, tengelyirányú erő stb.) ezekre az eredményekre?
• Milyen hatással vannak az oszlopgerinc komponensek ezekre az eredményekre?

Kizárások

A program eredményeinek megbízhatósági értékelése nem kerül elvégzésre, mivel az kívül esik a tanulmány hatókörén.

Következtetések összefoglalása

Az Abaqus eredmények elemzése a következő következtetéseket emelte ki:

1. Az 5%-os egyenértékű képlékeny alakváltozási kritériummal kapcsolatban megállapítást nyert, hogy az ilyen típusú kapcsolatoknál az ugyanazon numerikus modellből a szelantmerevség kezdeti merevség 1/3-ára való csökkentésével kapott eredményekhez hasonló ellenállási eredményeket produkál.
2. A kezdeti tökéletlenségek kisebb szerepet játszanak az elemzett kapcsolatok viselkedésében, azonban a geometriai nemlinearitást (másodrendű elemzés) figyelembe kell venni, különösen azokban az esetekben, ahol tengelyirányú terhelés is jelen van.
3. A deformációs keményedés figyelembevétele átlagosan kis mértékű, 4%-os ellenállás-növekedést eredményez, azonban nagy hatással van, átlagosan kb. 44%-kal, a kapcsolat elfordulására.

A következő megjegyzések relevánsak az IDEA StatiCa implementációja szempontjából:

1. Az IDEA StatiCa a program alapértelmezett hálójával (23.1-es verzió) és MNA-val (anyagi nemlineáris elemzés) nagyobb ellenállási értékeket ad, mint az Abaqus-szal kapottak. Átlagosan 6%-kal nagyobbat tompahegesztéses hengerelt oszlopok esetén, és kb. 11%-kal hegesztett oszlopok esetén tompahegesztéssel vagy sarokhegesztéssel. Sarokhegesztéses hengerelt oszlopok esetén az eredmények átlagosan azonosak az Abaqus eredményeivel. Az egyes esetekben megfigyelt maximális eltérések 22% (tompahegesztéses hengerelt oszlopok) és 53% (tompahegesztéses hegesztett oszlopok).
   IDEA StatiCa megjegyzés: Ezt a helyzetet a 25.0-s verzióban bevezetett két változtatás orvosolja:
   - Geometriailag nemlineáris elemzés
   - Hegesztési terjedési terület – tompahegesztések esetén csökkentve, azaz a tompahegesztéses oszlopok ellenállása csökken
   
2. Az IDEA StatiCa finomított hálóval (az alapértelmezett háló méretének felezésével) és GMNA-val (geometriailag és anyagilag nemlineáris elemzés) olyan ellenállási értékeket ad, amelyek jó egyezést mutatnak (átlagosan ±5%-on belül) az Abaqus eredményeivel. Az egyes esetekben megfigyelt maximális eltérések 15% (tompahegesztéses hengerelt oszlopok), 5% (sarokhegesztéses hengerelt oszlopok), 27% (tompahegesztéses hegesztett oszlopok) és 14% (sarokhegesztéses hegesztett oszlopok).
   IDEA StatiCa megjegyzés: A háló felezése az előző pontban említett változtatásokkal már nem szükséges.
   
3. A kezdeti tökéletlenségek hatását egyoldalas belső kapcsolatokra vizsgálták, és elhanyagolhatónak találták.
   IDEA StatiCa megjegyzés: Ez azt jelenti, hogy a vizsgált kapcsolatok tartományára a GMNA elegendő, és a GMNIA nem szükséges.
   
4. A tisztán anyagi nemlineáris elemzés 2^nd rendű hatások nélkül nem konzervatív eredményekhez vezet az oszlopon lévő tengelyirányú erő esetén. Ezért ajánlott, hogy a geometriailag nemlineáris elemzés alapértelmezés szerint aktiválva legyen a programban.
   IDEA StatiCa megjegyzés: A 25.0-s verzióban a geometriailag nemlineáris elemzés minden kapcsolatnál elérhetővé válik. A közelgő javítócsomagban figyelmeztetés kerül bevezetésre.
   
5. A hálóméret lényeges szerepet játszik az eredmények pontosságában. A konvergált érték becslésének lehetséges megközelítése egy automatizált folyamaton alapulhat, amely felezi a hálóméretet és Richardson-extrapolációt alkalmaz a mindkét értékkel kapott nyomatéki ellenállásra.
   IDEA StatiCa megjegyzés: A Richardson-extrapoláció lehetséges a teherbírások meghatározásakor. Azonban nem lehetséges megfelelt/nem felelt meg ellenőrzések esetén. A 25.0-s verzióban korábban említett változtatásokkal az alapértelmezett háló már kellően pontos eredményeket ad. 
6. Az IDEA StatiCa által alkalmazott anyagmodell (E/1000 deformációs keményedési meredekséggel) átlagosan 3%-os nyomatéki ellenállás-növekedést eredményez az ideálisan rugalmas-képlékeny anyaggal kapott eredményekhez képest.

Olvassa el a teljes jelentést a mellékletben.

Csatolt letöltések

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