Jest to wybrany rozdział z książki Component-based finite element design of steel connections autorstwa prof. Walda i in. Rozdział poświęcony jest weryfikacji płyty czołowej.
Opis
Model metody elementów skończonych opartej na komponentach (CBFEM) złącza belka-słup jest weryfikowany metodą komponentów (CM). Rozszerzona płyta czołowa z trzema rzędami śrub jest połączona z środnikiem słupa i obciążona momentem gnącym; patrz Rys. 5.3.1.
Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm
Model analityczny
Trzy komponenty decydujące o zachowaniu złącza to: płyta czołowa na zginanie, półka belki na rozciąganie i ściskanie oraz środnik słupa na zginanie. Płyta czołowa oraz półka belki na rozciąganie i ściskanie są projektowane zgodnie z EN 1993-1-8:2005. Zachowanie środnika słupa na zginanie jest przewidywane zgodnie z (Steenhuis i in. 1998). Wyniki badań doświadczalnych złączy belka-słup na osi słabej, np. (Lima i in. 2009), wykazują dobrą zgodność przewidywań dla tego typu złącza obciążonego w płaszczyźnie podłączonej belki.
Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone
Flocal.Rd=min(Fpunch.Rd;Fcomb.Rd)
Fpunch.Rd=n⋅π⋅dm⋅twc⋅fy/(3⋅γM0)bolted end plate
b=b0+0.9⋅dm
c=c0+0.9⋅dm
a=L−b
k=1 if (b+c)/L>0.5
k=0.7+0.6(b+c)/L if (b+c)/L≤0.5
bm=L1−0.82c2twc21+1+2.8twcLc22, but bm≥0
γM0 jest częściowym współczynnikiem bezpieczeństwa stali
γM0 jest częściowym współczynnikiem bezpieczeństwa stali
n liczba rzędów śrub w strefie rozciąganej
dm średnica przekątnej łba śruby
b0 pozioma odległość między śrubami
c0 pionowa odległość między śrubami
z ramię sił w złączu
Fpunch.Rd jest nośnością na przebicie
Fcomb.Rd jest nośnością na kombinowane przebicie, ścinanie i zginanie
Model numeryczny
Ocena opiera się na maksymalnym odkształceniu określonym zgodnie z EN 1993-1-5:2006 na poziomie 5 %. Szczegółowe informacje dotyczące modelu CBFEM zostały zebrane w Rozdziale 3.
Weryfikacja nośności
Badanie wrażliwości nośności złącza zostało przeprowadzone dla przekrojów słupów. Geometria złącza jest pokazana na Rys. 5.3.1. W Tab. 5.3.1 oraz na Rys. 5.3.3 zestawiono wyniki obliczeń dla przypadku powiększania płyty czołowej P18 względem przekroju słupa.
Tab. 5.3.1 Wyniki prognozowania nośności połączenia płytą czołową na osi słabej dla różnych krokwi
Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM
Zachowanie globalne
Zachowanie globalne jest przedstawione na krzywej siła-odkształcenie. Belka IPE 240 jest połączona ze słupem HEB 300 za pomocą sześciu śrub M16 8.8. Geometria płyty czołowej jest pokazana na Rys. 5.3.1 oraz w Tab. 5.3.1. Porównanie wyników obu metod przedstawiono na Rys. 5.3.4 oraz w Tab. 5.3.2. Obie metody przewidują podobną wartość obliczeniową nośności. CBFEM generalnie daje niższą sztywność początkową w porównaniu z CM.
Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM
Tab. 5.3.2 Główne charakterystyki zachowania globalnego
CM
CBFEM
CM/CBFEM
Sztywność początkowa
[kNm/rad]
16130
2232
7.23
Nośność obliczeniowa
[kNm]
31
30
1,03
Wyniki badań zostały zestawione na wykresie porównującym nośności uzyskane metodą CBFEM i metodą komponentów; patrz Rys. 5.3.5. Wyniki pokazują, że różnica między metodami wynosi do 14 %. CBFEM we wszystkich przypadkach przewiduje niższą nośność w porównaniu z CM, co wynika z uproszczeń przyjętych w (Steenhuis i in. 1998). Podobne wyniki można zaobserwować w pracy (Wang i Wang, 2012).
Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection
Przykład wzorcowy
Przykład wzorcowy został przygotowany dla połączenia płytą czołową na osi słabej zgodnie z Rys. 5.3.1 ze zmodyfikowaną geometrią zestawioną poniżej.
EN 1993-1-5, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-5: Plated Structural Elements, CEN, Brussels, 2005.
Steenhuis M., Jaspart J. P., Gomes F., Leino T. Application of the component method to steel joints, in Control of the Semi-rigid Behaviour of Civil Engineering Structural Connections Conference, COST C1, Liege, Belgium, 1998, 125-143.
Wang Z., Wang T. Experiment and finite element analysis for the end plate minor axis connection of semi-rigid steel frames, Tumu Gongcheng Xuebao/China Civil Engineering Journal, 45 (8), 2012, 83-89.