Jednopłaszczyznowe złącze T między krzyżulcem RHS a pasem H/I

Opis

Analizowane jest jednopłaszczyznowe złącze T krzyżulca z prostokątnego przekroju rurowego (RHS) z pasem z przekroju otwartego, zlokalizowane w kratownicy. Krzyżulec RHS jest spawany bezpośrednio do pasa H lub I (przekrojów otwartych) bez stosowania blach wzmacniających. Prognoza metodą elementów skończonych opartą na komponentach (CBFEM) jest weryfikowana metodą trybów zniszczenia (FM) zaimplementowaną w EN 1993-1-8:2005.

Model analityczny

W jednopłaszczyznowym złączu T spawanych prostokątnych przekrojów rurowych z przekrojami otwartymi występują trzy tryby zniszczenia: lokalne uplastycznienie krzyżulca (zniszczenie krzyżulca), zniszczenie środnika pasa oraz ścinanie pasa. Wszystkie te tryby zniszczenia są analizowane w niniejszym opracowaniu; patrz Rys. 7.4.1. Spoiny są zaprojektowane tak, aby nie stanowiły najsłabszego komponentu złącza zgodnie z EN 1993-1-8:2005. Elementy kratownic są obciążone siłami normalnymi i momentami gnącymi. Punkt przyłożenia sił wewnętrznych złącza T jest opisany następująco:

Pas H/I obciążony osiowo

Siły normalne w pasie po prawej i lewej stronie złącza T działają w kierunku osi podłużnej pasa.

Pas H/I obciążony dyfrakcyjnie

W pasie uwzględniane są momenty gnące po prawej i lewej stronie złącza T w płaszczyźnie złącza T, a momenty te obracają się wokół jednej z osi w płaszczyźnie przekroju poprzecznego pasa dla obrotu w płaszczyźnie złącza T.

Krzyżulec RHS obciążony osiowo

Siła normalna w krzyżulcu złącza T działa w kierunku osi podłużnej krzyżulca.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.1 Major failure modes a) chord web failure, b) chord shear (in case of gap), c) brace failure}}}$$

Nośność środnika pasa jest wyznaczana metodą podaną w punkcie 7.6 normy EN 1993-1-8:2005, opisaną w (Wardenier et al., 2010). Naprężenia od krzyżulca są przenoszone przez półkę pasa na efektywny obszar środnika pasa. Obszar ten jest zlokalizowany w środniku pasa w miejscu, gdzie ścianki krzyżulca przecinają środnik pasa. Obliczeniowa nośność osiowa złącza jest minimum z obliczeniowych nośności:

Zniszczenie środnika pasa

$$N_{\mathrm{i,Rd}} = \frac{f_{\mathrm{y0}} \cdot t_{\mathrm{w}} \cdot b_{\mathrm{w}}}{\sin(\theta_{\mathrm{i}}) \cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Ścinanie pasa

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=\frac{f_\mathrm{y0}\,A_\mathrm{v}}{\sqrt{3}\,\sin\theta_\mathrm{i}\cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Zniszczenie krzyżulca

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=2\,f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,p_{\mathrm{eff}}/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

gdzie

$$p_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

oraz $A_\mathrm{v}$ jest efektywnym polem powierzchni ścinania.

Obliczeniowa nośność na zginanie złącza jest minimum z obliczeniowych nośności:

Zniszczenie środnika pasa

$$M_{\mathrm{ip,Rd}} = \frac{0.5 \, f_{\mathrm{y0}} \, t_{\mathrm{w}} \, b_{\mathrm{w}} \, h_1}{\gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Zniszczenie krzyżulca

$$M_{\mathrm{ip,Rd}}=f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,b_{\mathrm{eff}}\,(h_\mathrm{1}-t_\mathrm{1})/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

gdzie

$$b_{\mathrm{w}} = \frac{h_1}{\sin \theta_{\mathrm{i}}} + 5 \cdot t_{\mathrm{f,0}} + r \;\leq\; 2 \, t_{\mathrm{i}} + 10 \cdot (t_{\mathrm{f,0}} + r)$$

$$b_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

Przegląd rozważanych przykładów obciążonych siłą osiową opisano w Tab. 7.4.1. Przegląd rozważanych przykładów obciążonych momentem gnącym opisano w Tab. 7.4.2. Geometria złącza z wymiarami przedstawiona jest na Rys. 7.4.2.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.2 Joint geometry with dimensions}}}$$

Tab. 7.4.1 Przykłady złączy obciążonych siłą osiową 

Tab. 7.4.2 Przykłady złączy obciążonych momentem w płaszczyźnie

Weryfikacja nośności

Badanie skupiało się na porównaniu modeli zniszczenia i prognozy obliczeniowej nośności. Wyniki przedstawiono w Tab. 7.4.3 i 7.4.4.

Tab. 7.4.3 Porównanie CBFEM i FM dla siły osiowej w krzyżulcu

Tab. 7.4.4 Porównanie CBFEM i FM dla momentu w płaszczyźnie w krzyżulcu

Analiza wrażliwości wykazuje dobrą zgodność dla wszystkich zastosowanych przypadków obciążeń. W metodzie CBFEM zaokrąglenie ścianki otwartego przekroju poprzecznego jest uproszczone, co daje konserwatywną ocenę naprężeń w połączonym krzyżulcu i założenie nośności do 15%. Aby zilustrować dokładność modelu CBFEM, wyniki badań parametrycznych podsumowano na wykresie porównującym obliczeniowe nośności według CBFEM i FM; patrz Rys. 7.4.3.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.4.3 Verification of CBFEM to FM for axial force and bending moment in the brace}}}$$

Zakres stosowalności

Zakres stosowalności, dla którego zweryfikowano CBFEM dla złączy T między prostokątnym przekrojem rurowym a przekrojem otwartym, jest zdefiniowany w Tabeli 7.20 normy EN 1993-1-8:2005, patrz Tab. 7.4.5. W przypadku zastosowania modelu CBFEM poza zakresem stosowalności FM, należy przeprowadzić walidację na podstawie badań doświadczalnych lub weryfikację z użyciem zwalidowanego modelu badawczego w celu potwierdzenia jakości prognozy.

Tab. 7.4.5 Zakres stosowalności złączy T

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

Pas
• Stal S235
• IPN280

Krzyżulec
• Stal S235
• RHS 140×80×10

Rozmiar siatki
• 16 elementów na największej ściance prostokątnego elementu rurowego

Wyniki

• Obliczeniowa nośność na ściskanie/rozciąganie F_c,Rd = 457 kN (Należy zauważyć, że nośność została obliczona z użyciem funkcji „Zatrzymaj przy granicznym odkształceniu". W związku z tym rzeczywista nośność CBFEM może być nieznacznie wyższa.)

• Tryb zniszczenia to uplastycznienie pasa

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.4 Benchmark example for chord IPE270 and brace RHS 140×80×10}}}$$