Dit is een geselecteerd hoofdstuk uit het boek Component-based finite element design of steel connections van prof. Wald et al. Het hoofdstuk is gericht op de verificatie van de kopplaat.
Beschrijving
Het Component-based Eindige Elementen Methode (CBFEM) model van de balk-kolomverbinding wordt geverifieerd met de Componentenmethode (CM). De verlengde kopplaat met drie boutrijen is verbonden met het kolomlijf en belast door een buigend moment; zie Fig. 5.3.1.
Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm
Analytisch model
Drie componenten die het gedrag bepalen zijn de kopplaat op buiging, de balkflens op trek en op druk, en het kolomlijf op buiging. De kopplaat en de balkflens op trek en op druk worden ontworpen volgens EN 1993-1-8:2005. Het gedrag van het kolomlijf op buiging wordt voorspeld volgens (Steenhuis et al. 1998). De resultaten van experimenten met balk-kolom zwakke-asverbindingen, bijv. (Lima et al. 2009), tonen een goede voorspelling van dit type verbinding belast in het vlak van de aangesloten balk.
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
Fcomb.Rd is de weerstand tegen gecombineerde ponsing, afschuiving en buiging
Numeriek model
De beoordeling is gebaseerd op de maximale rek conform EN 1993-1-5:2006 met een waarde van 5 %. Gedetailleerde informatie over het CBFEM-model is samengevat in Hoofdstuk 3.
Verificatie van de weerstand
De gevoeligheidsstudie van de verbindingsweerstand is uitgevoerd voor kolomdoorsneden. De verbindingsgeometrie is weergegeven in Fig. 5.3.1. In Tab. 5.3.1 en in Fig. 5.3.3 zijn de resultaten van berekeningen samengevat voor het geval van een vergrote kopplaat P18 ten opzichte van de kolomdoorsnede.
Tab. 5.3.1 Resultaten van de voorspelling van de kopplaat zwakke-asverbinding voor verschillende spanten
Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM
Globaal gedrag
Het globale gedrag wordt gepresenteerd aan de hand van een kracht-vervormingscurve. Balk IPE 240 is verbonden met kolom HEB 300 met zes bouten M16 8.8. De kopplaatgeometrie is weergegeven in Fig. 5.3.1 en in Tab. 5.3.1. Een vergelijking van de resultaten van beide methoden is gepresenteerd in Fig. 5.3.4 en in Tab. 5.3.2. Beide methoden voorspellen een vergelijkbare rekenwaarde van de weerstand. CBFEM geeft over het algemeen een lagere beginstarheid in vergelijking met CM.
Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM
Tab. 5.3.2 Belangrijkste kenmerken voor globaal gedrag
CM
CBFEM
CM/CBFEM
Beginstarheid
[kNm/rad]
16130
2232
7.23
Rekenwaarde weerstand
[kNm]
31
30
1,03
De resultaten van de studies zijn samengevat in de grafiek die de weerstanden vergelijkt volgens CBFEM en de componentenmethode; zie Fig. 5.3.5. De resultaten tonen dat het verschil tussen de methoden tot 14 % bedraagt. CBFEM voorspelt in alle gevallen een lagere weerstand in vergelijking met CM, wat gebaseerd is op de vereenvoudiging in (Steenhuis et al. 1998). Vergelijkbare resultaten zijn te vinden in het werk van (Wang en Wang, 2012).
Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection
Benchmarkvoorbeeld
Het benchmarkgeval is opgesteld voor de kopplaat zwakke-asverbinding conform Fig. 5.3.1 met gewijzigde geometrie zoals hieronder samengevat.
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.