Hegesztett portálkeret ereszcsatlakozás nyomatéki kapcsolata

Leírás

Ebben a fejezetben a hegesztett portálkeret ereszcsatlakozás nyomatéki kapcsolatára alkalmazott komponensalapú végeselem-módszer (CBFEM) ellenőrzése történik a komponensmódszerrel (CM). Egy nyitott szelvényű gerenda hegesztett egy nyitott szelvényű oszlophoz. Az oszlop két vízszintes merevítővel van merevítve, a gerendaövekkel szemben. A nyomott lemezek – pl. az oszlop vízszintes merevítői, az oszlop gerinc panele nyírásban, a nyomott gerendaöv – a kihajlás elkerülése érdekében legfeljebb 3^rd osztályúak lehetnek. A szarufát nyíróerő és hajlítónyomaték terheli.

Analitikai modell

A vizsgálatban öt komponenst elemzünk: a gerinc panelt nyírásban, az oszlop gerinclemezt keresztirányú nyomásban, az oszlop gerinclemezt keresztirányú húzásban, az oszlop övlemezt hajlításban, valamint a gerendaövet nyomásban. Minden komponens tervezése EN 1993-1-8:2005 szerint történik. A sarokvarratokat úgy tervezik, hogy ne legyenek a kapcsolat leggyengébb komponensei. A merevített gerenda–oszlop kapcsolatban lévő sarokvarrat ellenőrzési vizsgálata a 4.4. fejezetben található.

Gerinc panel nyírásban

Az oszlop gerinclemezenek vastagsága a stabilitási problémák elkerülése érdekében karcsúsági feltétellel korlátozott; lásd EN 1993‑1‑8:2005, 6.2.6.1(1) pont. A 4. osztályú oszlop gerinc panel nyírásban a 6.2. fejezetben kerül vizsgálatra. A teherbíráshoz két hozzájárulást veszünk figyelembe: az oszlop panel nyírási ellenállását és az oszlop övlemezek, valamint a vízszintes merevítők keretmechanizmusából eredő hozzájárulást; lásd EN 1993‑1‑8:2005, 6.2.6.1 pont (6.7 és 6.8).

Oszlop gerinc keresztirányú nyomásban

A nyíróterhelés kölcsönhatásának hatása figyelembe van véve; lásd EN 1993-1-8:2005, 6.2.6.2 pont, 6.3. táblázat. Az oszlop panelben lévő hosszirányú feszültség hatása figyelembe van véve; lásd EN 1993-1-8:2005, 6.2.6.2(2) pont. A vízszintes merevítők szerepelnek e komponens teherbírásában.

Oszlop gerinc keresztirányú húzásban

A nyíróterhelés kölcsönhatásának hatása figyelembe van véve; lásd EN 1993-1-8:2005, 6.2.6.2 pont, 6.3. táblázat. A vízszintes merevítők szerepelnek e komponens teherbírásában.

Oszlop övlemez hajlításban

A vízszintes merevítők megtámasztják az oszlop övlemezt; ez a komponens nem kerül figyelembevételre.

Gerendaöv nyomásban

A vízszintes gerenda tervezése legalább 3. osztályú keresztmetszettel történik a kihajlás elkerülése érdekében.

A vizsgált példák és az anyagjellemzők áttekintése a 9.1.1. táblázatban található. A kapcsolat geometriája méretekkel a 9.1.1. ábrán látható. A vizsgálatban figyelembe vett paraméterek: a gerenda keresztmetszete, az oszlop keresztmetszete és az oszlop gerinc panel vastagsága.

9.1.1. táblázat – Példák áttekintése

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

Numerikus modell

Az integrációs pont minden rétegében nemlineáris rugalmas-képlékeny anyagállapot kerül vizsgálatra. Az értékelés az EN 1993-1-5:2006 szerint meghatározott maximális alakváltozáson alapul, amelynek értéke 5%.

Globális viselkedés

A portálkeret nyomatéki kapcsolatának globális viselkedését nyomaték-elfordulás diagrammal írják le, amelynek összehasonlítása kerül bemutatásra. A nyomaték-elfordulás diagram főbb jellemzői: kezdeti merevség, rugalmas ellenállás és méretezési ellenállás. A példában egy nyitott szelvényű IPE 330 gerenda van hegesztve egy HEB 260 oszlophoz. A vízszintes merevítőkkel ellátott portálkeret nyomatéki kapcsolatát a komponensmódszer merev csukóként veszi figyelembe, ahol S_j,ini = ∞. Ezért az oszlopban vízszintes merevítők nélküli kapcsolatot elemzünk. A nyomaték-elfordulás diagram a 9.1.2. ábrán látható, az eredmények összefoglalása a 9.1.2. táblázatban található. Az eredmények nagyon jó egyezést mutatnak a kezdeti merevség és a kapcsolat globális viselkedése tekintetében.

9.1.2. táblázat – Portálkeret nyomatéki kapcsolatának forgási merevsége CBFEM és CM szerint

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

Ellenállás ellenőrzése

A CBFEM által számított eredményeket a CM-mel hasonlítják össze. Az összehasonlítás a méretezési ellenállásra és a kritikus komponensre összpontosít. A vizsgálatot három különböző paraméterre végzik el: a gerenda keresztmetszete, az oszlop keresztmetszete és az oszlop gerinc panel vastagsága.

A gerenda keresztmetszetét paraméterként vizsgáló példában nyitott szelvényű HEB 260 oszlopot alkalmaznak. Az oszlop két, 10 mm vastagságú vízszintes merevítővel van ellátva, a gerendaövekkel szemben. A merevítők szélessége megfelel a gerendaöv szélességének. A gerenda IPE szelvényei IPE 140-től IPE 500-ig kerülnek kiválasztásra. Az eredmények a 9.1.3. táblázatban láthatók. A gerenda keresztmetszetének hatása a hegesztett portálkeret nyomatéki kapcsolatának méretezési ellenállására a 9.1.4. ábrán látható. A CBFEM-ben a kritikus komponensek a gerendaövek, az oszlop övlemeze és az oszlop gerinclemeze voltak. A 9.1.3. ábra az egyik példa modelljét mutatja az övek megjelölésével.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

9.1.3. táblázat – Méretezési ellenállások és kritikus komponensek CBFEM és CM szerint

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

A gerenda keresztmetszetét paraméterként vizsgáló példában nyitott szelvényű IPE330 gerendát alkalmaznak. Az oszlop két, 10 mm vastagságú vízszintes merevítővel van ellátva, a gerendaövekkel szemben. A merevítők szélessége megfelel a gerendaöv szélességének. A merevítők együttes szélessége 160 mm. Az oszlop szelvényei HEB 160-tól HEB 500-ig kerülnek kiválasztásra. Az eredmények a 9.1.4. táblázatban láthatók. Az oszlop keresztmetszetének hatása a hegesztett portálkeret nyomatéki kapcsolatának méretezési ellenállására a 9.1.5. ábrán látható.

9.1.4. táblázat – Nyomatéki kapcsolat méretezési ellenállásai és kritikus komponensei CBFEM és CM szerint

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

A harmadik példa egy nyitott szelvényű IPE 330 gerendából és HEA 320 oszlopból álló portálkeret nyomatéki kapcsolatát mutatja be. A paraméter az oszlop gerinclemezenek vastagsága. Az oszlop két, 10 mm vastagságú és 160 mm szélességű vízszintes merevítővel van ellátva. Az oszlop gerinclemezenek vastagsága 4-től 16 mm-ig kerül kiválasztásra. Az eredmények összefoglalása a 9.1.5. táblázatban található. Az oszlop gerinclemezenek vastagságának hatása a hegesztett portálkeret nyomatéki kapcsolatának méretezési ellenállására a 9.1.6. ábrán látható.

9.1.5. táblázat – Nyomatéki kapcsolat méretezési ellenállásai és kritikus komponensei CBFEM és CM szerint

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

A CBFEM modell pontosságának szemléltetésére a paraméteres vizsgálatok eredményei egy diagramban kerülnek összefoglalásra, amely a CBFEM és a komponensmódszer ellenállásait hasonlítja össze; lásd 9.1.7. ábra. Az eredmények azt mutatják, hogy a két számítási módszer közötti eltérés kevesebb mint 5%, ami általánosan elfogadható érték. Az oszlop gerinclemezenek vastagságát paraméterként vizsgáló tanulmány a CBFEM modell esetén magasabb ellenállást ad a komponensmódszerhez képest. Ez az eltérés a hegesztett keresztmetszetek figyelembevételéből adódik. A nyíróterhelés átadása a komponensmódszerben csak a gerinclemezon keresztül kerül figyelembevételre, az övlemezek hozzájárulása elhanyagolt.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

Benchmark példa

Bemeneti adatok

Oszlop

• S235 acél
• HEB260

Gerenda

• S235 acél
• IPE330

Oszlop merevítők

• Vastagság t_s = 19 mm
• Szélesség 80 mm
• A gerendaövekkel szemben

Hegesztés

• Gerendaöv: sarokvarrat torokméret a_f  = 8 mm
• Gerenda gerinc: sarokvarrat torokméret a_w  = 8 mm
• Tompahegesztés a merevítők körül

Kimeneti adatok

• Hajlítási méretezési ellenállás M_Rd = 146 kNm
• Kritikus komponens: 1. gerendaöv

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]