Stijfheidsanalyse en vervormingscapaciteit van stalen verbindingen

Verbindingen worden volgens stijfheid geclassificeerd als stijf, halfstijf en gepend. De ingenieur moet ervoor zorgen dat de stijfheid van de verbinding overeenkomt met de stijfheid die is ingesteld in de CAE-software. Het doel van de stijfheidsanalyse is het verkrijgen van de juiste verdeling van de belasting in staven en verbindingen en de juiste doorbuigingen van de staven en de totale constructie.

De CBFEM methode analyseert de stijfheid van de verbinding van individuele verbindingselementen. Voor de juiste stijfheidsanalyse moet voor elk geanalyseerd lid een apart rekenmodel worden gemaakt. Dan wordt de stijfheidsanalyse niet beïnvloed door de stijfheid van andere leden van de verbinding, maar alleen door het knooppunt zelf en de constructie van de verbinding van het geanalyseerde lid. Terwijl het dragende lid wordt ondersteund voor de sterkteberekening (lid SL in de onderstaande figuur), worden alle leden behalve het geanalyseerde lid ondersteund door de stijfheidsanalyse (zie twee figuren hieronder voor de stijfheidsanalyse van de leden B1 en B3). De uitzondering is de kolomvoet waar ondersteuning wordt geleverd door de betonnen fundering, alleen het geanalyseerde lid wordt belast en andere leden hebben alleen beperkingen volgens hun modeltype.

Steunen op staven voor sterkteberekening

Belastingen kunnen alleen worden toegepast op het geanalyseerde lid. Als buigmoment_My gedefinieerd is, wordt de rotatiestijfheid om de y-as geanalyseerd. Als buigmoment _Mz gedefinieerd is, wordt de rotatiestijfheid om de z-as geanalyseerd. Als axiale kracht N gedefinieerd is, wordt de axiale stijfheid van de verbinding geanalyseerd.

De moment-rotatie (of belasting-vervorming) curve wordt berekend voor twee modellen:

• Volledig verbindingsmodel - met staven, platen, bouten, lassen, etc. (materieel niet-lineaire analyse)
• Ledenmodel - met leden die alleen stijf verbonden zijn in het knooppunt (lineair-elastische analyse)

Het getoonde diagram wordt gemaakt door het Member-model af te trekken van het Full connection-model. Op deze manier wordt de elastische vervorming van staven, die al is opgenomen in het model van de totale constructie, uitgesloten.

Het programma genereert automatisch een volledig diagram; het wordt direct weergegeven in de GUI en kan worden toegevoegd aan het uitvoerrapport. Rotatie- of axiale stijfheid kan worden bestudeerd voor specifieke ontwerpbelastingen. IDEA StatiCa Connection kan ook omgaan met de interactie van andere interne krachten.

Diagram toont:

• Niveau van ontwerpbelasting_MEd
• Grenswaarde van capaciteit van verbinding voor 5% equivalente rek Mj_,Rd; grenswaarde voor plastische rek kan worden gewijzigd in Code setup
• De grenswaarde van de capaciteit van het verbonden lid (ook nuttig voor seismisch ontwerp)_Mc,Rd
• 2/3 van grenscapaciteit voor berekening van aanvangsstijfheid
• Waarde van aanvangsstijfheid_Sj,ini
• Waarde van secante stijfheid_Sjs
• Grenswaarden voor de classificatie van de verbinding - stijf en gependeld
• Rotatievervorming Φ
• Rotatiecapaciteit _Φc

Stijve gelaste verbinding

Halfharde boutverbinding

Na het bereiken van de 5% rek in het kolom lijfpaneel in afschuiving, breiden de plastische zones zich snel uit

De verbinding wordt op basis van de stijfheid ingedeeld in de categorie stijf, halfstijf of gepend volgens de relevante code. De theoretische lengte van het element kan worden ingesteld voor het geanalyseerde element:

Hoe worden de belastingen toegepast?

Slechts één staven wordt belast en onderzocht in de stijfheidsanalyse. Het geanalyseerde lid kan belast worden door:

• Normaalkracht N
• Schuifkrachten _Vy en _Vz
• Buigmomenten_My en _Mz
• Torsie _Mx

Alle belastingseffecten worden gelijktijdig toegepast. Als de toegepaste belastingen te klein zijn, worden ze allemaal verhoogd met een factor zodat de gewrichtsweerstand wordt bereikt (toegepaste krachten moeten groter zijn dan 1). Bij het maken van de moment-rotatie- of last-vervormingsdiagrammen worden alle belastingseffecten stapsgewijs evenredig verhoogd.

Bijvoorbeeld, het geanalyseerde element wordt belast door:

• Normaalkracht N = 50 kN
• Schuifkracht _Vz = -80 kN
• Buigmoment_My = 30 kNm

De weerstanden van de elementen zijn:

• Normale weerstand_NR = 2 111 kN
• Schuifweerstand Vz_,R = 763 kN
• Buigmomentweerstand_My,R = 226 kNm

De belastingen worden vermenigvuldigd met een factor:

\alpha = \textrm{min} \links \frac{N_R}{N}, \frac{M_{y,R}{M_y}, \frac{M_{z,R}{M_z} \rechts \} \]

Merk op dat als de dwarskracht niet wordt uitgeoefend in de knoop, d.w.z. dat deze werkt op een hefboomarm, het buigmoment wordt beïnvloed. Het buigmoment in de knoop, zoals te zien in een wireframemodel, wordt gebruikt als een ingestelde belasting.

In dit voorbeeld is de factor \alpha = 7,53 \. Ingestelde belastingen worden vermenigvuldigd en vervolgens in stappen toegepast en de resultaten worden uitgezet in het stijfheidsdiagram. De toegepaste belastingen worden verdeeld in 12 stappen en wanneer de verbinding zijn weerstand nadert, worden de stappen verder verfijnd. Het voorbeeld van de eerste drie stappen staat in de volgende tabel:

Vervormingscapaciteit

De vervormingscapaciteit/ vervormbaarheid _δCd behoort samen met de weerstand en de stijfheid tot de drie basisparameters die het gedrag van verbindingen beschrijven. Bij momentvaste verbindingen wordt de vervormbaarheid bereikt door een voldoende rotatiecapaciteit _δCd. De vervormings-/rotatiecapaciteit wordt voor elke verbinding in de verbinding afzonderlijk berekend.

De software schat de vervormingscapaciteit als een punt waar een van de volgende voorwaarden wordt bereikt:

• De weerstand van de bout of het anker in trek, afschuiving of trek-schuifinteractie is bereikt.
• Lasweerstand is bereikt
• Plastische rek in platen is 15%.

De schatting van de rotatiecapaciteit is belangrijk bij verbindingen die worden blootgesteld aan seismische belasting, zie Gioncu en Mazzolani (2002) en Grecea (2004) en extreme belasting, zie Sherbourne en Bahaari (1994 en 1996). De vervormingscapaciteit van componenten is vanaf het einde van de vorige eeuw bestudeerd (Foley en Vinnakota, 1995). Faella et al. (2000) voerden testen uit op T-stubs en leidden de analytische uitdrukkingen voor de vervormingscapaciteit af. Kuhlmann en Kuhnemund (2000) voerden proeven uit op het lijf van de kolom onderworpen aan dwarsdruk bij verschillende niveaus van axiale drukkracht in de kolom. Da Silva et al. (2002) voorspelden de vervormingscapaciteit bij verschillende niveaus van axiale kracht in de verbonden ligger. Op basis van de testresultaten in combinatie met FE-analyses zijn de vervormingscapaciteiten voor de basiscomponenten vastgesteld met analytische modellen door Beg et al. (2004). In dit werk worden de componenten voorgesteld door niet-lineaire veren en op de juiste manier gecombineerd om de rotatiecapaciteit van de verbinding te bepalen voor de eindplaatverbindingen, met een verlengde of verzonken eindplaat en gelaste verbindingen. Voor deze verbindingen werden de belangrijkste componenten die significant kunnen bijdragen aan de rotatiecapaciteit herkend als het lijf in druk, het lijf van de kolom in trek, het lijf van de kolom in afschuiving, de kolomflens in buiging en de eindplaat in buiging. Componenten gerelateerd aan het kolomlijf zijn alleen relevant als er geen verstijvers in de kolom zijn die druk-, trek- of dwarskrachten weerstaan. De aanwezigheid van een verstijving elimineert de corresponderende component en de bijdrage aan de rotatiecapaciteit van de verbinding kan daarom worden verwaarloosd. Eindplaten en kolomflenzen zijn alleen belangrijk voor eindplaatverbindingen waarbij de componenten als een T-stub werken, waarbij ook de vervormingscapaciteit van de bouten in trek wordt meegenomen. De vragen en grenzen van de vervormingscapaciteit van verbindingen van hogesterktestaal werden bestudeerd door Girao et al. (2004).