Când inginerii concurează - 6 moduri de a proiecta o îmbinare metalică

Echipele erau formate din ingineri structuriști din firme de proiectare și fabricanți de structuri metalice, fiecare echipă fiind ghidată de un proiectant experimentat de îmbinări. După ce grupurile și-au prezentat proiectele, noi, cei de la IDEA StatiCa, am avut oportunitatea de a modela îmbinările cu aplicația Connection. Astfel, am putut analiza rezultatele imediat și le-am discutat împreună.

Explicăm proiectele și rezultatele în detaliu mai jos. Articolul este împărțit în două părți, câte una pentru fiecare provocare de proiectare a îmbinărilor metalice.

1 - Proiectarea unei îmbinări complexe stâlp-grindă cu grinzi de margine

În prima provocare de proiectare, ne-am concentrat pe un nod care conectează patru elemente. Forțele interioare și profilurile au făcut din aceasta o sarcină de proiectare dificilă, după cum o demonstrează varietatea soluțiilor: fiecare dintre cele șase echipe a adoptat o abordare diferită. Tocmai aceasta face această profesie atât de fascinantă: nu există niciodată o singură soluție corectă.

Cea mai mare provocare a apărut la îmbinarea grinzilor de margine. Două secțiuni tubulare rectangulare (180/180/6) trebuiau conectate la un stâlp (HEA160) sau la grinda principală (IPE400). Combinat cu încărcările impuse, aceasta a creat o situație de proiectare dificilă.

Mai jos este o prezentare generală a îmbinărilor, schițelor și modelelor elaborate în software-ul pentru îmbinări metalice IDEA StatiCa. Discutăm apoi fiecare îmbinare și evidențiem concluziile cheie din discuții și rezultate.

Grupa A

Grupa A a ales să prelungească stâlpul și să conecteze grinda principală (IPE400) cu o placă de capăt. Provocarea a constat în principal în conectarea grinzilor de margine din secțiuni tubulare rectangulare la stâlpul HEA160. Pentru aceasta, s-a propus o îmbinare cu placă de nod și două șuruburi M36. La modelarea în IDEA StatiCa, însă, a devenit rapid evident că nu există spațiu suficient pentru această dimensiune de șurub. Așa cum au subliniat experții în cadrul atelierului, este esențial să desenezi la scară pentru a înțelege fabricabilitatea unei îmbinări.

În loc de o îmbinare sudată directă, grupul a ales să prelungească placa de conectare printr-un slot în inima stâlpului pentru a transfera mai bine forțele și a reduce tensiunile în inima stâlpului.

La calculul îmbinării în IDEA StatiCa, apar deformații plastice mari la îmbinarea grinzilor de margine. Datorită forței axiale de compresiune ridicate de 400 kN în grinzile de margine și a unei excentricități în placa de nod, apare un moment încovoietor în îmbinare. Utilizând un instrument de analiză cu elemente finite precum IDEA StatiCa, acest lucru devine rapid vizibil prin deformațiile care apar.

Prin mărirea grosimilor plăcilor, îmbinarea poate îndeplini cerințele. Cu o placă continuă de 35 mm și 2x șuruburi M33 8.8, se obține rezistență și rigiditate suficiente.

Deși soluția este satisfăcătoare, evitarea excentricității merită luată în considerare și este probabil mai eficientă din punct de vedere structural.

Grupa B

Grupa B a avut o îmbinare similară, dar aici grinda principală a fost prelungită. Alegerea unei îmbinări simetrice a grinzilor din secțiuni tubulare pătrate (SHS) evită momentul încovoietor suplimentar. Cu grosimile de placă prescrise, deformația plastică este chiar sub limita de 5%.

Prin îngroșarea plăcilor și asigurarea unor suduri suficiente, combinația de compresiune axială și forfecare orizontală poate fi preluată, menținând deformația plastică sub 5%.

Doar șuruburile nu sunt încă satisfăcătoare la utilizarea a 4x M24 8.8. Cu toate acestea, simpla consolidare a șuruburilor nu rezolvă problema, deoarece verificarea conform codului este limitată de rezistența la presiune pe gaură. O soluție alternativă este creșterea clasei de oțel a plăcilor de îmbinare la S355. Aceasta permite obținerea unor rezultate optime cu creșteri minime ale grosimii plăcilor și dimensiunii șuruburilor.

Grupa C

Grupa C are o îmbinare similară, dar spre deosebire de grupele A și B, aceasta este mai potrivită pentru încărcări orizontale deoarece placa de nod este rotită cu un sfert de tură. Ne confruntăm din nou cu o excentricitate și întâlnim aceleași probleme ca la Grupa A. Utilizarea a patru șuruburi în loc de două face rostul mai rigid, dar observăm în continuare deformații plastice și deformări ridicate. Sudarea plăcii de nod la elementul de rigidizare și mărirea grosimilor plăcilor ajută la rigidizarea rostului, dar excentricitatea va fi întotdeauna prezentă.

Prin mărirea grosimilor plăcilor de la 15 mm la 30 mm, rostul poate îndeplini cerințele de proiectare cu 4x șuruburi M24 8.8.

Acest tip de rost funcționează cel mai sigur fără excentricități. Dacă o excentricitate este inevitabilă din motive practice, îmbinarea va fi deosebit de potrivită pentru transferul unei forțe transversale într-o singură direcție, în direcția în care îmbinarea este cea mai rigidă. Combinația unei excentricități cu o forță normală de compresiune mare și o forță transversală în direcția slabă a îmbinării va provoca flambajul elementului și riscul de flambaj.

Analiza la flambaj

Pentru a evalua corect acest risc, are sens să se efectueze o analiză suplimentară la flambaj. Cu IDEA StatiCa, se poate efectua o analiză liniară la flambaj, care arată că pentru plăci cu grosime insuficientă poate apărea o formă de flambaj asemănătoare flambajului global. Pe baza factorului de flambaj corespunzător, aceasta poate fi interpretată ca o cedare prin flambaj.

Mai multe informații despre aceasta și despre modul în care IDEA StatiCa efectuează analiza liniară la flambaj pot fi găsite în următorul articol Flambaj global vs. flambaj local. Ce înseamnă?

Grupa D

Grupa D adoptă o abordare diferită și problemele observate la primele trei grupe sunt evitate direct prin continuarea grinzilor de margine. IPE400 este conectat la stâlpul parțial continuu cu o placă de capăt și la grinda de margine cu o mică placă de buză. Rezultatele arată că îmbinarea se comportă bine constructiv și forțele sunt transmise eficient.

Deoarece este o îmbinare la forfecare, grupul recomandă utilizarea unui orificiu alungit în placa de inimă pentru a preveni transmiterea unei forțe excesive prin șurub în timpul rotației grinzii. Aceasta evită tensiunile ridicate în placa de buză și peretele secțiunii tubulare rectangulare. Această considerație de proiectare afectează, de asemenea, rigiditatea la rotație a rostului.

Analiza rigidității

Pentru a determina rigiditatea exactă a rostului, analiza rigidității poate fi efectuată cu IDEA StatiCa. Diagrama moment-rotație este generată și, pe baza Eurocodului, rostul poate fi clasificat ca complet rigid, semi-rigid sau articulat.

Analizând îmbinarea grinzii de acoperiș pentru Grupa D, IDEA StatiCa oferă o rigiditate la rotație considerată Semi-rigidă. Această rigiditate poate fi reprezentată în modelul structural global utilizând o rigiditate de arc la rotație.

Cu toate acestea, dacă este necesară o îmbinare simplă, detaliul trebuie modificat astfel încât îmbinarea să fie clasificată efectiv ca Articulată. Așa cum se arată în figura de mai jos, în situația (2) o articulație a fost realizată prin coborârea rândului superior de șuruburi. 

Grupa E

Grupa E a prelungit grinda de acoperiș și a plasat-o deasupra stâlpului. Grinzile de margine au fost atașate la grinda de acoperiș cu plăci de capăt, asigurând că forțele sunt transmise corespunzător în nod.

Pentru a permite montarea șuruburilor, grupul a propus o decupare în peretele secțiunii tubulare. O soluție bine gândită, deoarece practicabilitatea este o preocupare majoră. Decuparea creează o distribuție diferită a tensiunilor în crestătură, dar prin aplicarea unei decupări rotunde, concentrările de tensiuni rămân limitate.

Grupa F

După cum am văzut, îmbinarea grinzilor de margine creează provocări de proiectare. Grupa F le rezolvă înlocuind grinzile de margine cu secțiuni HEA160. Aceasta facilitează conectarea grinzilor la stâlp și oferă spațiu suficient pentru montarea șuruburilor. Îmbinarea se comportă bine la compresiune, iar plăcile de capăt canalizează eficient forțele prin stâlp.

Cu toate acestea, grinzile de margine pot fi supuse și unei forțe de întindere de 400 kN. În acest caz de încărcare, îmbinarea nu este satisfăcătoare. Prin mărirea grosimii plăcilor de capăt de la 15 mm la 20 mm, cerințele de rezistență sunt îndeplinite și îmbinarea este adecvată pentru încărcări de întindere și compresiune.

Connection Library

Nu știți cum să modelați un anumit nod metalic? Connection Library din IDEA StatiCa vă oferă acces instant la zeci de exemple practice, ajutându-vă să găsiți soluția potrivită mai rapid. Este o resursă valoroasă pe care mulți ingineri structuriști o folosesc ca sursă de inspirație la proiectarea îmbinărilor metalice.

2 - Proiectarea unei îmbinări placă de bază de stâlp cu contravântuire

A doua provocare de proiectare implică o îmbinare cu placă de bază de stâlp. Contravântuirea diagonală poate fi realizată din trei profile diferite și este încărcată cu o forță de compresiune de 500 kN. Stâlpul însuși este supus unei forțe de compresiune semnificative de 2000 kN.

Accentul se pune pe îmbinarea dintre diagonală și stâlp, precum și pe proiectarea plăcii de bază, inclusiv ancorele și fundația. Pe baza schițelor și prezentărilor depuse, îmbinările au fost modelate și analizate în IDEA StatiCa. Din nou, acest proiect arată că sunt posibile mai multe soluții de îmbinare: nu există un singur răspuns corect. Mai jos, prezentăm o imagine de ansamblu a diferitelor proiecte, inclusiv rezultatele din IDEA StatiCa. Discutăm apoi principalele considerații de proiectare, abordând grupele colectiv, nu individual.

Îmbinarea contravântuirii la stâlp

Pentru îmbinarea contravântuirii, trei grupe (A, C, E) au ales o îmbinare cu placă de capăt și tronson scurt, iar celelalte trei grupe (B, D, F) au ales o îmbinare cu placă de nod și șuruburi.

Proiectul cu tronson scurt asigură transferul direct al forței de compresiune fără complicații în îmbinare. Optând pentru un profil HEA, montarea șuruburilor este ușor realizabilă, iar inima elementului diagonal este aliniată cu inima stâlpului. Ca urmare, tensiunile sunt bine transmise în stâlp, după cum se vede în soluțiile grupelor A, C și E (vezi figura).

În contrast, grupele B, D și F au ales o îmbinare cu placă de nod. Aceasta a presupus rotirea stâlpului cu un sfert de tură, astfel încât contravântuirea să poată fi conectată în interiorul stâlpului fără a ocupa prea mult spațiu. Cu toate acestea, în acest caz, placa de nod este conectată direct, dar transversal, la inima stâlpului, iar din cauza forțelor de compresiune ridicate, pot apărea tensiuni de vârf în inima stâlpului. Calculele în IDEA StatiCa arată că proiectul se încadrează la limita acceptabilă, dar inginerul structurist trebuie să rămână prudent. Dacă inima începe să se deformeze plastic, este recomandabil să se rotească stâlpul, să se mărească grosimea inimii sau să se adauge elemente de rigidizare.

În proiectele cu îmbinare cu placă de nod, este avantajos să se realizeze îmbinarea simetrică și să nu se lase plăcile să iasă prea mult în afară, din aceleași motive discutate în prima provocare de proiectare. Îmbinarea B prezintă o configurație asimetrică, dar placa de 20 mm grosime și utilizarea a șase șuruburi rezistă eficient momentului rezultat, menținând tensiunile în limite acceptabile.

Proiectarea plăcii de bază a stâlpului

Există, de asemenea, considerații importante în proiectarea plăcii de bază și a fundației din beton. Datorită forțelor de compresiune ridicate, este esențial ca tensiunile să fie bine distribuite prin placa de bază în beton. Aceasta poate fi realizată alegând o placă mai groasă și mai lată decât profilul stâlpului, astfel încât tensiunile să fie mai bine distribuite.

Figura de mai jos compară tensiunile în placa de bază și tensiunile de contact în beton pentru o placă de bază de 40 mm și respectiv 10 mm grosime. Dacă placa de bază este prea subțire, tensiunile se concentrează în jurul profilului stâlpului în loc să fie distribuite eficient. Ca urmare, suprafața de contact efectivă pe beton devine prea mică, ducând la tensiuni de compresiune care depășesc limita admisă.

Fundația stâlpului

Observăm soluții diferite de fundație, cu sau fără rost de mortar, și ancore cu sau fără plăci tip șaibă. Ancorele utilizate variază de la M20 la M30.

Calculele în IDEA StatiCa arată că niciuna dintre îmbinări nu este satisfăcătoare pentru verificarea ancorelor. În mod implicit, forțele tăietoare sunt setate să fie transmise prin ancore. Ancorele M20 se dovedesc a fi insuficient de rezistente și nu pot prelua forțele tăietoare. În contrast, ancorele M30 8.8, în combinație cu o placă tip șaibă, sunt suficient de rezistente pentru a transfera forțele tăietoare. Cu toate acestea, verificarea conform codului nu este încă satisfăcătoare, deoarece problema nu mai este în oțel, ci în cedarea betonului.

Forțele tăietoare pe ancore provoacă cedarea marginii betonului, ancorele smulgând betonul. IDEA StatiCa Connection calculează cu beton simplu, astfel că cedarea betonului la forțe mai mari este inevitabilă.

Dacă forțele nu pot fi reduse, rămân patru soluții posibile.

1. Optimizarea transferului forței tăietoare prin adăugarea unui pivot de forfecare. Astfel, toată forța tăietoare este transferată prin cheia de forfecare și se evită cedarea ancorelor și smulgerea betonului.
2. Transferul forțelor tăietoare prin frecare, nu prin ancore. Forța de compresiune ridicată din stâlp asigură o rezistență la frecare suficientă. 
3. Modificarea blocului de beton. Prin mărirea distanței față de margine sau a clasei betonului, probabilitatea de smulgere a betonului este redusă.
4. Proiectarea armăturii suplimentare în blocul de beton. Astfel, armătura din oțel preia forțele de întindere și previne smulgerea betonului. Această soluție poate fi modelată și analizată utilizând IDEA StatiCa 3D Detail.

După cum se arată în schițele proiectanților, doar Grupa E a inclus armătură în proiectul lor. Prin adăugarea armăturii din oțel în elementul de beton, mecanismele de cedare precum smulgerea conului de beton și cedarea marginii betonului pot fi prevenite.

Curioși cum să economisiți timp în proiectarea armăturii fără a compromite siguranța?

• Urmăriți acest webinar despre utilizarea armăturii în proiectarea ancorelor
• Sau consultați acest tutorial IDEA StatiCa despre ancorarea încărcată excentric în Detail.

Cuvânt final

Îmbinările metalice au fost proiectate de 6 grupe, modelate în IDEA StatiCa și discutate cu ingineri structuriști experimentați. Utilizând IDEA StatiCa, am putut analiza rezultatele în detaliu și identifica și discuta considerații importante de proiectare. Acest atelier arată că multe îmbinări pot fi proiectate într-un număr infinit de moduri și că nu există niciodată o singură soluție corectă. Am experimentat importanța desenului la scară și urmăririi traseului forțelor în îmbinare. Analizarea rigidităților și vizualizarea modului în care rostul se va deforma este un experiment mental util pentru a înțelege cum se va comporta un nod.

"Imaginația este mai importantă decât cunoașterea" a spus odată un om pe nume Albert Einstein. Și acest lucru se aplică cu siguranță și în proiectarea îmbinărilor metalice. Oricine poate imagina cum arată un nod, cum va fi realizat, dacă proporțiile sunt corecte, cum vor circula forțele și cum se va deforma îmbinarea este deja cu un pas mai aproape de a deveni cel mai bun proiectant de îmbinări metalice.