Îmbinare cu moment la streașina unui cadru portal cu șuruburi

Descriere

Obiectivul acestui studiu este verificarea îmbinării cu moment la streașina unui cadru portal cu șuruburi, așa cum se arată în Fig. 9.2.1. Căpriorul este prins cu șuruburi prin placă de capăt pe talpa stâlpului. Stâlpul este rigidizat cu două elemente de rigidizare orizontale la nivelul tălpilor grinzii. Plăcile comprimate, de ex. elementele de rigidizare orizontale ale stâlpului, panoul inimii la forfecare sau compresiune și talpa comprimată a grinzii, sunt proiectate ca secțiuni transversale de clasa 3. Grinda orizontală are 6 m lungime și este încărcată cu o încărcare continuă pe întreaga lungime.

Fig. 9.2.1 Îmbinare cu moment la streașina unui cadru portal cu șuruburi

Model analitic

Sunt examinate opt componente: sudură de colț, panoul inimii la forfecare, inima stâlpului la compresiune transversală, inima stâlpului la întindere transversală, talpa grinzii la compresiune și întindere, talpa stâlpului la încovoiere, placa de capăt la încovoiere și șuruburi. Toate componentele sunt proiectate conform EN 1993-1-8:2005. Valorile de calcul ale încărcărilor pe componente depind de poziție. Panoul inimii la forfecare este încărcat cu valorile de calcul ale încărcărilor pe axa verticală a stâlpului. Celelalte componente sunt încărcate cu valorile de calcul reduse ale încărcărilor în talpa stâlpului la care este conectată grinda orizontală.

Sudură de colț

Sudura este continuă pe întregul perimetru al secțiunii transversale a grinzii. Grosimea sudurii pe tălpi poate diferi de grosimea sudurii pe inimă. Forța tăietoare verticală este transferată numai prin sudurile de pe inimă, considerându-se o distribuție plastică a tensiunilor. Momentul încovoietor este transferat prin întreaga formă a sudurii, considerându-se o distribuție elastică a tensiunilor. Se ia în considerare lățimea efectivă a sudurii în funcție de rigiditatea orizontală a stâlpului (datorită încovoierii tălpii nestifenizate a stâlpului). Proiectarea sudurii se face conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 4.5.3.2(6). Verificarea se efectuează în două puncte principale: pe muchia superioară sau inferioară a tălpii (tensiune maximă de încovoiere) și la intersecția tălpii cu inima (combinație de tensiuni din forță tăietoare și moment încovoietor).

Panoul inimii la forfecare

Grosimea inimii stâlpului este proiectată să fie cel mult de clasa a treia; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1(1). Se iau în considerare două contribuții la capacitatea portantă: rezistența peretelui stâlpului la forfecare și contribuția din comportarea de cadru a tălpilor stâlpului și a elementelor de rigidizare orizontale; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 și 6.8).

Inima stâlpului la compresiune sau întindere transversală

Se ia în considerare efectul interacțiunii cu încărcarea de forfecare; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2 și Tab. 6.3. Se ia în considerare influența tensiunii longitudinale din peretele stâlpului; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Elementele de rigidizare orizontale previn flambajul și sunt incluse în capacitatea portantă a acestei componente cu aria efectivă.

Talpa grinzii la compresiune

Grinda orizontală este proiectată să fie cel mult de clasa a treia.

Talpa stâlpului sau placa de capăt la încovoiere

Lungimile efective pentru cedările circulare și necirculare sunt considerate conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6. Sunt considerate trei moduri de cedare conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.4.1.

Șuruburi

Șuruburile sunt proiectate conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 3.6.1. Rezistența de calcul ia în considerare rezistența la forfecare prin poansonare și ruperea șurubului.

Model numeric de calcul

Grinda T este modelată cu elemente de tip placă cu 4 noduri, așa cum este descris în Capitolul 3 și rezumat în continuare. Fiecare nod are 6 grade de libertate. Deformațiile elementului constau din contribuții membranare și de încovoiere. Starea elastoplastică neliniară a materialului este investigată în fiecare strat al punctului de integrare. Verificarea se bazează pe deformația maximă dată conform EN 1993-1-5:2006 prin valoarea de 5 %. Șuruburile sunt împărțite în trei sub-componente. Prima este tija șurubului, modelată ca un arc neliniar care preia numai întindere. A doua sub-componentă transmite forța de întindere în tălpi. A treia sub-componentă rezolvă transmiterea forței tăietoare.

Comportare globală

S-a realizat compararea comportării globale a îmbinării, descrisă prin diagrame moment-rotație pentru ambele proceduri de calcul menționate mai sus. Atenția a fost concentrată pe caracteristicile principale ale diagramei moment-rotație: rigiditate inițială, rezistență de calcul și capacitate de deformare. Grinda IPE 330 este conectată la stâlpul HEB 300 prin placă de capăt extinsă cu 5 rânduri de șuruburi M24 8.8. Rezultatele ambelor proceduri de calcul sunt prezentate în graficul din Fig. 9.2.2 și în Tab. 9.2.1. Metoda componentelor (CM) oferă în general o rigiditate inițială mai mare comparativ cu CBFEM. CBFEM oferă o rezistență de calcul ușor mai mare comparativ cu CM în toate cazurile, așa cum se arată în Capitolul 9.2.5. Diferența este de până la 10%. Capacitatea de deformare este de asemenea comparată. Capacitatea de deformare a fost calculată conform (Beg et al. 2004), deoarece EC3 oferă o bază limitată pentru capacitatea de deformare a îmbinărilor cu placă de capăt.

Fig. 9.2.2 Diagramă moment-rotație

Tab. 9.2.1 Prezentare generală a comportării globale

Verificarea rezistenței

Rezistența de calcul calculată prin CBFEM a fost comparată cu rezultatele metodei componentelor în etapa următoare. Comparația s-a concentrat atât pe rezistență, cât și pe componenta critică. Studiul a fost realizat pentru parametrul secțiunii transversale a stâlpului. Grinda IPE 330 este conectată la stâlp prin placă de capăt extinsă cu 5 rânduri de șuruburi. Se utilizează șuruburi M24 8.8. Dimensiunile plăcii de capăt P15 cu distanțele marginale și spațierile șuruburilor în milimetri sunt: înălțimea 450 (50-103-75-75-75-73) și lățimea 200 (50-100-50). Muchia exterioară a tălpii superioare se află la 91 mm de marginea plăcii de capăt. Tălpile grinzii sunt conectate la placa de capăt cu suduri cu grosimea de gât de 8 mm. Inima grinzii este conectată cu grosimea de gât a sudurii de 5 mm. Stâlpul este rigidizat cu elemente de rigidizare orizontale în dreptul tălpilor grinzii. Elementele de rigidizare au grosimea de 15 mm, iar lățimea lor corespunde lățimii stâlpului. Grosimea elementului de rigidizare al plăcii de capăt este de 10 mm, iar lățimea sa este de 90 mm. Rezultatele sunt prezentate în Tab. 9.2.2 și Fig. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Rezistența de calcul pentru parametru – profil stâlp

Fig. 9.2.3 Rezistența de calcul în funcție de secțiunea transversală a stâlpului

Pentru a ilustra acuratețea modelului CBFEM, rezultatele studiilor parametrice sunt rezumate în graficul care compară rezistențele estimate de CBFEM și de CM; a se vedea Fig. 9.2.4. Rezultatele arată că CBFEM oferă o rezistență de calcul ușor mai mare comparativ cu CM în aproape toate cazurile. Diferența dintre cele două metode este de până la 10%.

Fig. 9.2.4 Verificarea CBFEM față de CM

Exemplu de referință

Date de intrare

• Oțel S235
• Grindă IPE 330
• Stâlp HEB 300
• Înălțimea plăcii de capăt h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Lățimea plăcii de capăt b_p = 200 (50-100-50) mm
• Placă de capăt P15
• Elemente de rigidizare ale stâlpului cu grosimea de 15 mm și lățimea de 300 mm
• Element de rigidizare al plăcii de capăt cu grosimea de 10 mm, lățimea și înălțimea de 90 mm, muchii teșite de 20 mm 
• Grosimea de gât a sudurii tălpii a_f = 8 mm
• Grosimea de gât a sudurii inimii și a elementului de rigidizare al plăcii de capăt a_w = 5 mm
• Șuruburi M24 8.8

Rezultate

• Rezistența de calcul la încovoiere M_Rd = 206 kNm
• Forța tăietoare verticală corespunzătoare V_Ed= –206 kN
• Mod de cedare: curgerea elementului de rigidizare al grinzii pe talpa superioară
• Gradul de utilizare al șuruburilor 90,2 %
• Gradul de utilizare al sudurilor 99,0 %