Hosszú csavaros és hegesztett kapcsolatok (AISC)

Mark D. Denavit és Rick Mulholland készítette ezt az ellenőrzési példát a Tennesse-i Egyetem és az IDEA StatiCa közös projektjeként.

Leírás

Ez a tanulmány összehasonlítást mutat be a komponens alapú végeselem-módszer (CBFEM) és az amerikai gyakorlatban alkalmazott hagyományos számítási módszerek eredményei között, hosszú, végükön terhelt csavaros és hegesztett kapcsolatok esetén. A tanulmány fókuszában a csavar nyírásának határállapota áll a hosszú csavaros kapcsolatoknál, valamint a varrat szakadása a hosszú hegesztett kapcsolatoknál. Különös figyelmet fordítunk a differenciális alakváltozás hatására, amely egyenetlen terheléseloszlást okoz a kötőelemek között, és egyenetlen feszültséget a hosszú sarokvarratokban. Az összehasonlítás kísérleti eredményekkel is kiegészül.

A hagyományos számítások az AISC Specification (AISC 2022) terhelési és ellenállási tényezős tervezési (LRFD) előírásaival összhangban készültek. A CBFEM eredményeket az IDEA StatiCa 23.0-ás verziójával nyertük. A maximálisan megengedett terheléseket iteratív módon határoztuk meg, az alkalmazott terhelési bemenetet olyan értékre állítva, amelyet a program biztonságosnak ítél, de ha kis mértékben (0,1 kip) növeljük, a program nem biztonságosnak minősíti, mert meghaladja az 5%-os képlékeny alakváltozási határt, vagy a 100%-os csavar- vagy varrat-kihasználtságot. A DR típusú elemzések segíthetnek a maximálisan megengedett terhelések azonosításában. Azonban a csomópont tervezési ellenállásának értékelésénél bizonyos közelítések alkalmazandók, ezért a jelen jelentésben szereplő összes eredmény EPS típusú elemzésen alapul.

Az AISC Specification hosszú csavaros és hegesztett kapcsolatokra vonatkozó követelményei

A hosszú, végükön terhelt csavaros és hegesztett kapcsolatok kísérletei és elemzései kimutatták, hogy a csavarok és varratokban lévő feszültség nem egyenletes (Kulak et al. 2001, Miller 2003). A kapcsolat végeihez közel lévő csavarok és varratokban a feszültség nagyobb, mint a középső részen. A feszültség hossz menti eloszlása a csavarok vagy varratokban lévő merevségtől függ a csatlakoztatott anyagok merevségéhez képest. Az AISC Specification ezt a viselkedést egyszerű teherbírás-csökkentésekkel veszi figyelembe.

Csavaros kapcsolatok

A tervezési teherbírás, \(\phi R_n\), a csavar nyírásának határállapotára az AISC Specification J3.7 szakaszában a következőképpen van meghatározva:

\[ \phi R_n = \phi F_{nv} A_{b} \]

ahol:

• \(\phi=0.75\)
• \(F_{nv}\) – a csavar névleges nyírófeszültsége
• \(A_b\) – a csavar névleges menetmentes keresztmetszeti területe

Az AISC Specification J3.2 táblázata felsorolja a kötőelemek és menetes részek névleges nyírófeszültségének értékeit, F_nv. A táblázat [c] lábjegyzete kimondja: „A 38 in. (950 mm) hosszúságot meghaladó kötőelem-elrendezésű, végükön terhelt kapcsolatoknál az F_nv értékét a táblázatban szereplő értékek 83,3%-ára kell csökkenteni", és a kötőelem hosszát „a két részt egy érintkezési felülettel összekötő csavarok tengelyvonala között, az erő irányával párhuzamos maximális távolságként" határozza meg.

A névleges nyírófeszültség, F_nv, a csavar végső húzófeszültségének, ­F_u-nak egy százaléka, és az AISC Specification kommentárja szerint a következőképpen számítható:

• Ha a menetek ki vannak zárva a nyírási síkokból,

\[ F_{nv} = 0.563 F_u \]

• Ha a menetek nincsenek kizárva a nyírási síkból,

\[ F_{nv} = 0.45 F_u \]

A 0,563-as tényező egyenlő 0,625-tel, a nyírás/húzás teherbírási aránnyal, szorozva 0,90-nel, a hosszcsökkentési tényezővel. A 0,45-ös tényező a 0,563 80%-a, és figyelembe veszi a menetes rész csökkentett keresztmetszetét. A 0,90-es hosszcsökkentési tényező a 38 in.-ig terjedő kapcsolatokban fellépő differenciális alakváltozást veszi figyelembe, amely felett a további 0,833-as hosszcsökkentési tényező is alkalmazandó, így a hosszhatásokra vonatkozó kombinált csökkentési tényező 0,90 × 0,833 = 0,75. Ezek a csökkentési tényezők 11 különböző kísérleti vizsgálatból származó, 79 csavaros és szegecses kapcsolat tesztadatainak statisztikai elemzésén alapulnak (Tide, 2010).

Hegesztett kapcsolatok

A tervezési teherbírás, \(\phi R_n\), a varrat szakadásának határállapotára az AISC Specification J2.4 szakaszában a következőképpen van meghatározva:

\[ \phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} k_{ds} \]

ahol:

• \(\phi\) – ellenállási tényező
• \(F_{nw}\) – a varratfém névleges feszültsége
• \(A_{we}\) – a varrat névleges hatékony területe
• \(k_{ds}\) – irányfüggő teherbírás-növelő tényező

Az irányfüggő teherbírás-növelő tényező, k_ds, kiszámítása a következőképpen történik:

\[ k_{ds} = (1.0+0.5 \sin^{1.5} \theta ) \]

ahol \(\theta\) a szükséges erő hatásvonala és a varrat hossztengelye közötti szög. A jelen tanulmányban vizsgált kapcsolatoknál \(\theta = 0\) és így \(k_{ds} = 1\) a hagyományos számításoknál. Az IDEA StatiCa-ban \(\theta\) az egyes varratsegmensekben lévő eredő erőkből kerül meghatározásra, és nullától eltérhet (például a Poisson-hatás miatt).

Az AISC Specification J2.5 táblázata a nyírásnak kitett varratokra vonatkozó \(\phi\) és F_nw értékeket rendre 0,75-ként és 0,60F_EXX­-ként adja meg, ahol F­_EXX a töltőfém osztályozási szilárdsága.

A varrat névleges hatékony területe, A_we, sarokvarratokra az AISC Specification J2.2a szakaszában a hatékony hossz és a hatékony torok szorzataként van meghatározva, ahol a hatékony torok a varrat gyökerétől a varrat felszínéig mért legrövidebb távolság, a hatékony hossz pedig a varrat tengelyvonalának hossza a torkon átmenő sík középvonala mentén.

Az AISC Specification J2.2b(d) szakasza a következő korlátozásokat írja elő a végükön terhelt sarokvarratokra vonatkozó hatékony hosszra:

• A varrat méretének 100-szorosáig terjedő hosszúságú sarokvarratoknál megengedett a hatékony hosszt a tényleges hosszal egyenlőnek venni
• Ha a sarokvarrat hossza meghaladja a varrat méretének 100-szorosát, a hatékony hosszt a tényleges hossz és a β csökkentési tényező szorzataként kell meghatározni, amelyet a következőképpen számítanak:

\[ \beta = 1.2-0.002 (l/w) \le 1.0 \]

ahol:

\( l \) – a végükön terhelt varrat tényleges hossza

\(w\) – a varrat szárának mérete

• Ha a varrat hossza meghaladja a szárméret, w, 300-szorosát, a hatékony hosszt 180w-ként kell figyelembe venni.

Az AISC Specification kommentárja (AISC 2022) szerint a β csökkentési tényező sok éves kísérlet és végeselem-modellek alapján készült exponenciális képletek egyszerűsített közelítése, és egyenértékű az Eurocode-ban (CEN 2005) megadott csökkentéssel.

Hosszú csavaros kapcsolatok

A differenciális alakváltozás hosszú csavaros kapcsolatok összesített kapcsolati teherbírására gyakorolthatásának vizsgálatához egy egyszerű húzott toldott kapcsolatot alkalmazunk. A kapcsolat egy próbalemezből áll, amelyet két reakciólemez közé csavaroztak egyetlen sor 3/4 in. átmérőjű A325 csavar segítségével szabványos lyukakban, a menetekkel nem kizárva a nyírási síkból. Az egyes csavarokra ható erőeloszlásra gyakorolt lemezmerevség-hatás vizsgálatához 1/2 in., 1 in. és 2 in. vastagságú próbalemezeket elemeztek. Minden reakciólemez vastagsága a próbalemez vastagságának fele volt. Az összes lemez szélessége 12 in. volt. Az 1 in. vastagságú próbalemézt és 27 in. kapcsolati hosszt tartalmazó kapcsolat háromdimenziós nézete az 1. ábrán látható.

1. ábra A húzott toldott kapcsolat háromdimenziós nézete (próbalemez vastagsága = 1 in., kapcsolati hossz = 27 in.)

A kapcsolatot úgy tervezték, hogy csavar nyírásban menjen tönkre. Annak biztosítása érdekében, hogy a csavar nyírási teherbírása meghatározó legyen a lemez húzási folyása és húzási szakadása felett, nagy szilárdságú anyagot alkalmaztak F_y = 100 ksi értékű nagy szilárdságú anyagot választottak a lemezekhez. A csavarlyukaknál fellépő nyomást és kiszakadást ellenőrizték, de az anyagok megválasztásával, valamint megfelelő csavartávolság és peremtávolság biztosításával gondoskodtak arról, hogy ezek ne legyenek méretadók. Az erő irányában mért peremtávolság 2-1/2 in. volt, a csavartávolság pedig minden kapcsolatnál 3 in. volt.

Tizenhét kapcsolatot vizsgáltak, amelyek hossza 3 in.-től 51 in.-ig 3 in.-es lépésekben növekedett. Mivel a csavartávolság mindig 3 in. volt, a kapcsolat hossza megfelel a felhasznált csavarok számának (pl. a 27 in. hosszú kapcsolatokban 10 csavar van). A teherbírás és a kapcsolati hossz összehasonlítása a 2. ábrán látható, a 12 in., 24 in., 36 in. és 48 in. kapcsolati hosszakhoz tartozó csavar nyírási erő eloszlások pedig a 3. ábrán.

Az AISC Specification szerinti teherbírás lineárisan növekszik 36 in. kapcsolati hosszig, amely felett a 0,833-as hosszcsökkentési tényező miatt hirtelen csökkenés következik be. Ezen a ponton túl a teherbírás ismét lineárisan növekszik. Az IDEA StatiCa teherbírási értékei rövidebb kapcsolati hosszaknál jól egyeznek az AISC értékeivel, de az AISC értékekkel ellentétben a hosszabb kapcsolatoknál az IDEA StatiCa-ban a teherbírás növekedése nemlineáris. A nemlinearitás mértéke a lemez merevségétől függ, mivel a csavarok és a lemez merevsége az IDEA StatiCa-ban realisztikusan van modellezve, megragadva a csavarerők egyenetlen eloszlását.

A 3. ábrán látható nyírási erő eloszlások az IDEA StatiCa elemzések által megragadott differenciális alakváltozás hatását mutatják az egyes csavarok erőire, és azt, hogy ezt a hatást hogyan befolyásolja a lemez merevsége. A kapcsolat végeinél lévő csavarok ereje a legnagyobb, és csökken, ahogy a kapcsolat végeitől a csavar helyéig mért távolság növekszik. Ez a hatás merevebb lemezeknél csökken. 

Az IDEA StatiCa-ban a csavar és lemez merevségének explicit modellezésével a hosszhatások miatti teherbírás-csökkentés mértéke a kapcsolat geometriáján túl a csavarok méretétől a lemezek méretéhez viszonyítva is függ. A tényleges teherbírás-csökkentés szintén ezektől a paraméterektől függ (Kulak et al. 2001). Az AISC Specification egyszerűsített csökkentései csak a kapcsolati hossztól függnek. Az IDEA StatiCa az AISC Specification által meghatározottnál nagyobb csökkentést mutat az 1/2 in. vastag próbalemézt tartalmazó kapcsolatnál, és kisebb csökkentést az 1 és 2 in. vastag próbalemézt tartalmazó kapcsolatoknál a 38 in.-nél nagyobb kapcsolati hosszak tartományában. Ezekből az eredményekből egyértelműen látható, hogy az IDEA StatiCa megragadja az AISC Specification J3.2 táblázat[c] lábjegyzetének hosszhatás-csökkentési szándékát. Megjegyzendő, hogy az F_nv-be beépített 0,9-es hosszhatás-csökkentési tényezőt az IDEA StatiCa konzervatívan alkalmazza. Így a 38 in.-nél rövidebb kapcsolatoknál a hosszhatások lényegében kétszeresen kerülnek figyelembevételre az IDEA StatiCa-ban: egyszer a 0,9-es csökkentési tényezővel, és egyszer a csavarcsoport egyenetlen erőeloszlásának explicit modellezésével. A 0,9-es csökkentési tényező azonban más hatásokat is figyelembe vehet, és további kutatások nélkül nem zárható ki.

2. ábra A teherbírás és a kapcsolati hossz összehasonlítása csavaros húzott toldott kapcsolatnál

3. ábra Csavar nyírási erő eloszlások 12 in., 24 in., 36 in. és 48 in. kapcsolati hosszakra, 1/2 in., 1 in. és 2 in. próbalemez-vastagságokra.

Összehasonlítás kísérleti eredményekkel

A hosszú csavaros kapcsolatok vizsgálatának kiterjesztéseként ez a szakasz korábban publikált kísérleti eredményekkel való összehasonlításokat tartalmaz. Ezekhez az összehasonlításokhoz a kísérletezők által közölt mért anyag- és geometriai tulajdonságokat használták a számításokban és elemzésekben. A kísérletezők által közölt csavar nyírási teherbírást a vizsgálati mintákban felhasznált csavarokkal azonos tételből vett egyetlen csavar nyírási vizsgálatával határozták meg. Ezért a hagyományos számításoknál az F_nv értékét a közölt csavar nyírási teherbírás 0,9-szeresével egyenlőnek veszik, ha a kapcsolati hossz kisebb vagy egyenlő 38 in.-nél, és ennek az értéknek a 0,833-szorosával (azaz a közölt csavar nyírási teherbírás 0,75-szörösével) egyenlőnek veszik, ha a kapcsolati hossz nagyobb 38 in.-nél. Az IDEA StatiCa elemzéseknél a modell úgy van meghatározva, hogy az F_nv a csavar teherbírási számításokban használt értéke a közölt csavar nyírási teherbírás 0,9-szeresével egyenlő.

A hagyományos számításoknál ellenállási tényezőket nem alkalmaztak. Az IDEA StatiCa elemzéseknél az anyag, csavarok és varratokra vonatkozó ellenállási tényezőket 1,0-ra állították be a kódbeállításokban.

Bendigo et al. 1963

Bendigo et al. (1963) csavaros toldott kapcsolatok húzási vizsgálatait végezte el. Tizenhat, különböző szélességű és vastagságú lemezt két reakciólemez között húzásnak vetettek alá két sor 7/8 in. átmérőjű A325 csavar segítségével, 15/16 in. átmérőjű szabványos lyukakban. Négy próbatest, D31, D41, D51 és D61, a lemez húzási szakadásával ment tönkre, a többi legalább egy csavarnál csavar nyírással. A tanulmányban szereplő próbatestekre jellemző kapcsolati konfiguráció a 4(a) ábrán látható, az IDEA StatiCa modell háromdimenziós nézete a D101 próbatesthez pedig a 4(b) ábrán. A vizsgálati próbatestek geometriai és anyagtulajdonságai az 1. táblázatban találhatók.

4. ábra (a) Kapcsolati konfiguráció a Bendigo et al. kísérleti vizsgálathoz (Bendigo et al., 1963); (b) az IDEA StatiCa modell háromdimenziós nézete a D101 próbatesthez

A tizenhat próbatestet az IDEA StatiCa-ban modellezték. Minden kapcsolat teherbírását hagyományos számításokkal is meghatározták az AISC Specification egyenletei alapján, mért anyag- és geometriai tulajdonságokkal, de ellenállási tényezők nélkül. A kísérleti teherbírás, P_exp, az IDEA StatiCa teherbírás, P_IDEA, és az AISC Specification teherbírás, P_AISC, összehasonlításának eredményei a 2. táblázatban és az 5. ábrán láthatók.

Az 5%-os képlékeny alakváltozási határt az IDEA StatiCa teherbírások, a húzási folyást pedig az AISC teherbírások határozták meg minden próbatestnél. Mind az IDEA StatiCa, mind az AISC teherbírások lényegesen alacsonyabbak a kísérleti teherbírásoknál. Ennek oka, hogy a kísérleti vizsgálatoknál a húzási szakadás és a csavar nyírás tönkremeneteli módjai jóval a lemez folyása után bekövetkező terheléseknél léptek fel. A Bendigo et al. (1963) által végzett kísérleteket az AISC Specification-ben szereplő hosszhatás-csökkentési tényezők kidolgozásához szükséges elemzésbe is bevonták (Tide 2010). Ahogy a 3. ábrán látható, a végső csavarok és a középső csavarok közötti csavarerő-különbség a vastagság csökkentésével (azaz a lemezmerevség csökkentésével) növekszik. Azok a próbatestek, amelyeknél a csavar tönkremenetele jóval a lemez folyása után következik be, eltúlzott hosszhatásokat mutathatnak.

1. táblázat A Bendigo et al. (1963) kísérleti vizsgálat próbatestjeinek geometriai és anyagtulajdonságai

2. táblázat Összehasonlítás a Bendigo et al. (1963) kísérleti vizsgálattal

5. ábra Összehasonlítás a Bendigo et al. (1963) kísérleti vizsgálattal

Kulak és Fisher 1968

Kulak és Fisher (1968) hosszú csavaros toldott kapcsolatok húzási vizsgálatait végezte el, amelyek egy próbalemezből álltak, amelyet két reakciólemez közé csavaroztak egy sor A490 csavar segítségével, 7/8 in. vagy 1-1/8 in. átmérőben. Ezeket a vizsgálatokat szintén bevonták az AISC Specification-ben szereplő hosszhatás-csökkentési tényezők kidolgozásához szükséges elemzésbe (Tide 2010), de a Bendigo et al. (1963) vizsgálataitól eltérően nagy szilárdságú lemezt alkalmaztak.

A nyolc vizsgálati próbatestet úgy méretezték, hogy csavar nyírásban vagy lemez szakadásban menjenek tönkre. A J071, J131 és J171 próbatestek lemez szakadással, a J072, J132, J172, J251 és J252 próbatestek csavar nyírással mentek tönkre. A tanulmányban szereplő próbatestekre jellemző kapcsolati konfiguráció a 6(a) ábrán látható, az IDEA StatiCa modell háromdimenziós nézete a J171 próbatesthez pedig a 6(b) ábrán. A vizsgálati próbatestek geometriai és anyagtulajdonságai a 3. táblázatban találhatók.

6. ábra Kapcsolati konfiguráció a Kulak és Fisher kísérleti vizsgálathoz (Kulak és Fisher, 1968); (b) az IDEA StatiCa modell háromdimenziós nézete a J171 próbatesthez

A próbatesteket az IDEA StatiCa-ban modellezték. Minden kapcsolat teherbírását hagyományos számításokkal is meghatározták az AISC Specification egyenletei alapján, mért anyag- és geometriai tulajdonságokkal. A kísérleti teherbírás, P_exp, az IDEA StatiCa teherbírás, P_IDEA, és az AISC Specification teherbírás, P_AISC, összehasonlításának eredményei a 4. táblázatban és a 7. ábrán láthatók.

Az IDEA StatiCa teherbírások minden esetben konzervatívak a kísérleti vizsgálatokhoz képest. Az IDEA StatiCa teherbírások jól egyeznek az AISC teherbírásokkal a J071, J072, J131 és J171 próbatesteknél, és nagyobbak az AISC teherbírásoknál a J132, J172, J251 és J252 próbatesteknél. A kapcsolati hossz rövidebb 38 in.-nél a J071 és J072 próbatesteknél, így a csavar nyírási kapacitás 83,3%-os csökkentése nem kerül alkalmazásra. A J131 és J171 próbatesteknél a kapcsolati hossz nagyobb 38 in.-nél, de a lemez merevsége (azaz a keresztmetszeti terület) viszonylag kicsi. Így az IDEA StatiCa teherbírások ezekben az esetekben egyeznek az AISC teherbírásokkal vagy kissé alatta maradnak. A J132, J172, J251 és J252 próbatesteknél az IDEA StatiCa teherbírások nagyobbak az AISC teherbírásoknál, mivel a lemezek merevebbek (azaz nagyobb keresztmetszeti területűek).

3. táblázat A Kulak és Fisher (1968) kísérleti vizsgálat próbatestjeinek geometriai és anyagtulajdonságai

4. táblázat Összehasonlítás a Kulak & Fisher (1968) kísérleti vizsgálattal

7. ábra Összehasonlítás a Kulak és Fisher (1968) kísérleti vizsgálattal

Hosszú hegesztett kapcsolatok

A húzásnak kitett varrat mentén fellépő egyenetlen feszültségeloszlás hatásának vizsgálatához egy egyszerű hegesztett toldott kapcsolatot alkalmazunk. A kapcsolat egy próbalemezből áll, amelyet két reakciólemez közé hegesztettek sarokvarratokkal a reakciólemezek minden élén. Ez a konfiguráció egy koncentrikusan terhelt varratcsoportot biztosít, összesen négy varratvonallal a kapcsolatban. Megjegyzendő, hogy a hatékony varrathossz értékeléséhez a kapcsolat tényleges varrathossza egyenlő a csoportban lévő egyetlen varratvonal hosszával.

3/16 in. (A kapcsolat) és 3/8 in. (B kapcsolat) varratméreteket vizsgáltak. A kapcsolatokat úgy méretezték és az anyagtulajdonságokat úgy választották meg, hogy a varrat szakadásának határállapota meghatározó legyen a lemezek húzási folyásával szemben a hagyományos számításoknál. A kapcsolatokhoz használt geometriai és anyagtulajdonságok az 5. táblázatban találhatók, az A kapcsolat háromdimenziós nézete 18 in. varrathosszal a 8. ábrán látható.

5. táblázat A hegesztett kapcsolatok geometriai és anyagtulajdonságai

8. ábra Hegesztett toldott kapcsolat háromdimenziós nézete

Az A kapcsolatnál tizennégy varrathosszt vizsgáltak, 10 in.-től 62 in.-ig 4 in.-es lépésekben növekedve. A B kapcsolatnál tizenhárom varrathosszt vizsgáltak, 10 in.-től 130 in.-ig 10 in.-es lépésekben növekedve. A teherbírás és a varrathossz összehasonlítása a 9. ábrán látható az A kapcsolatnál és a 11. ábrán a B kapcsolatnál. A varrat hossza mentén fellépő feszültségeloszlások különböző varrathosszakra a 10. ábrán láthatók az A kapcsolatnál és a 12. ábrán a B kapcsolatnál.

Az A és B kapcsolatok hasonló viselkedést mutatnak. Rövidebb varrathosszaknál az IDEA StatiCa teherbírások jól egyeznek a hagyományos számításokkal. Azonban az IDEA StatiCa teherbírások konzervatívvá válnak a hagyományos számításokhoz képest, ahogy a varrathossz növekszik. A hagyományos számításokból kapott teherbírások 300w varrathossznál tetőznek, amelyet egy függőleges szaggatott vonal jelöl a 9. és 11. ábrán. A varrat hossza mentén fellépő feszültségeloszlás nemlineáris, mivel az IDEA StatiCa explicit módon modellezi a varrat és a lemez merevségét. Emiatt, valamint az IDEA StatiCa-ban a hosszirányban terhelt varratokra alkalmazott viszonylag konzervatív terhelés-alakváltozás összefüggés miatt az IDEA StatiCa teherbírások jóval 300w-nél rövidebb varrathosszaknál tetőznek. Ahogy a 10. és 12. ábrán látható, a rövidebb varratoknál viszonylag egyenletes a feszültségeloszlás, kissé magasabb feszültségekkel a varratvonal végein lévő szegmensekben. Ahogy a varrathossz növekszik, a varratvonal mentén a feszültségeloszlás lényegesen egyenetlenebbé válik, magas feszültségekkel a végső szegmensekben és minimális feszültségekkel a közép közelében. A 10. és 12. ábrán a hosszabb varratoknál látható hirtelen változás a feszültségeloszlásban a rugalmasan maradó varratszegmensek és a képlékeny alakváltozást elszenvedő varratszegmensek határán van. Az IDEA StatiCa varrat teherbírási korlátja akkor áll fenn, amikor a legjobban igénybevett varratszegmens kihasználtsága eléri a 100%-ot. Ezért hosszabb varratoknál a varratvonal nagy részei alacsony feszültséget tapasztalhatnak a legjobban igénybevett varratszegmens 100%-os kihasználtságához tartozó terhelésnél. Az IDEA StatiCa szabványellenőrzésben látható feszültségeloszlási profil ezt a nemlineáris viselkedést mutatja, és meg kell vizsgálni, amikor mérnöki ítéletet hozunk az IDEA StatiCa-ban a varrat teherbírásával kapcsolatban.

9. ábra Teherbírás és varrathossz összehasonlítása az A kapcsolatnál

10. ábra Feszültségeloszlások a varrat hossza mentén az A kapcsolatnál 18 in., 30 in., 42 in. és 54 in. varrathosszakra, egységek ksi-ban

11. ábra Teherbírás és varrathossz összehasonlítása a B kapcsolatnál

12. ábra Feszültségeloszlások a varrat hossza mentén a B kapcsolatnál 20 in., 40 in., 60 in. és 80 in. varrathosszakra, egységek ksi-ban

Összefoglalás

Ez a tanulmány az amerikai gyakorlatban alkalmazott hagyományos számítási módszerekkel és az IDEA StatiCa segítségével értékeli a hosszú csavaros és hegesztett kapcsolatok teherbírását. A tanulmány főbb megállapításai a következők:

Csavaros kapcsolatok esetén:

• Az IDEA StatiCa explicit módon modellezi a csavarok és lemezek merevségét; így a hosszhatásokat természetes módon ragadja meg az egyes csavarok eltérő szükséges teherbírása révén, nem pedig az AISC Specification-ben csak a kapcsolati hosszon alapuló egyszerű csökkentési tényező alkalmazásával.
• Az IDEA StatiCa-ban kapott teherbírás a legtöbb esetben konzervatívnak bizonyult a hagyományos számításokkal kapott teherbíráshoz képest.
• Az IDEA StatiCa-ban kapott teherbírás egyes esetekben magasabbnak bizonyult a hagyományos számításokkal kapott teherbírásnál, ahol a kapcsolati hossz meghaladta a 38 in.-t és vastagabb lemezeket alkalmaztak.
• Az IDEA StatiCa-ból kapott teherbírások konzervatívnak bizonyultak a Bendigo et al. (1963) és Kulak és Fisher (1968) által végzett fizikai kísérletekhez képest.

Hegesztett kapcsolatok esetén:

• Az IDEA StatiCa explicit módon modellezi a varratokés lemezek merevségét; így a hosszhatásokat természetes módon ragadja meg a varrat egyes szegmenseinek eltérő szükséges teherbírása révén, nem pedig az AISC Specification-ben csak a varrathossz és varratméret arányán alapuló egyszerű csökkentési tényezők alkalmazásával.
• Az IDEA StatiCa-ban kapott teherbírás a vizsgált esetekben konzervatívnak bizonyult a hagyományos számításokkal kapott teherbíráshoz képest.
• Az IDEA StatiCa-ban kapott teherbírás hosszabb varrathosszaknál konzervatívabbnak bizonyult a varratszegmensek közötti nemlineáris feszültségeloszlás hatása és az IDEA StatiCa elemzésekben alkalmazott hosszirányban terhelt varratokra vonatkozó viszonylag konzervatív terhelés-alakváltozás összefüggés miatt.

Hivatkozások

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bendigo, R. A., Hansen, R. M., and Rumpf, J. L. (1963). "Long Bolted Joints." Journal of the Structural Division, ASCE, 89(6), 187–213.

CEN (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures, Comité Européen de Normalisation, Brussels, Belgium.

Kulak, G. L. and Fisher, J. W. (1968). "A514 Steel Joints Fastened by A490 Bolts." Journal of the Structural Division, ASCE, 94(10), 2303-2324.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., Struik, J. H. A. (2001) "Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints" Second Edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Miller, D. K. (2003). "Fillet Welds that are 'Too Long.'" Modern Steel Construction, március.

Tide, R. H. (2010). "Bolt Shear Design Considerations." Engineering Journal, AISC, 47(1), 47-63.