Momentová odolnost ocelových svařovaných spojů nosníku s otevřeným průřezem v silné ose.

Tato zpráva byla vypracována v rámci spolupráce mezi ISISE (Institut pro udržitelnost a inovace ve stavebním inženýrství) na Univerzitě v Coimbře a IDEA StatiCa. Tento projekt byl financován společně oběma subjekty a jeho autory jsou:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Shrnutí

Tato zpráva představuje důkladnou analýzu ocelových svařovaných spojů nosníku se sloupem se zvláštním zaměřením na pásnici sloupu ve smyku s použitím řádně ověřených, vysoce kvalitních 3D-FEM modelů. Studie zahrnuje silové momentově odolné svařované spoje nosníku se sloupem otevřeného průřezu s příčnými výztuhami a bez nich, zahrnující jednostranné a oboustranné spoje umístěné buď v mezipatře (vnitřní), nebo v posledním podlaží (střecha), a u vnitřních spojů s různými úrovněmi osového zatížení sloupu. Studie zahrnuje širokou škálu situací z hlediska štíhlosti sloupu, poměru stran kloubu, konfigurace kloubu, výztuh, osové síly a poměru momentu (u oboustranných kloubů). Zohledněny jsou rovněž aspekty související s FE, jako je materiálový model, typ analýzy, hustota sítě, počáteční imperfekce atd.

Tato studie zahrnuje roční práci v následujících oblastech:

1. Seznam souborů zahrnuje případy s 30%, 50% a 70% osovým zatížením.
2. Třídy oceli zahrnují S235, S275 a S355.
3. Probírají se válcované sloupy, sloupy svařované na kužel a na tupo.
4. Byla zahrnuta obsáhlá studie o rozdílech mezi GMNA a MNA.
5. Byla zahrnuta komplexní studie o vlivu materiálového konstitutivního zákona.
6. Je studován vliv koutových svarů na chování spoje.

Cíle

Cílem této studie je posouzení odolnosti svarových spojů v silné ose proti ohybovému momentu v jednostranných a oboustranných konfiguracích nosník-sloup s pruty otevřeného průřezu (nosníky a sloupy), včetně vlivu příčných ztužidel, pomocí: i) evropských návrhových pravidel, ii) metody konečných prvků (3D pevné prvky) a iii) IDEA StatiCa; a porovnání výsledků získaných jednotlivými metodami.

Metodika

1. Posouzení návrhové odolnosti prvku pásového panelu pro širokou škálu svařovaných spojů nosníku se sloupem pomocí vysoce kvalitních 3D modelů MKP, které se následně použijí jako referenční případy.
2. Porovnání odolnosti spoje s modely CBFE (IDEA StatiCa) založenými na skořepinových prvcích.
3. Diskutujte o možnosti zlepšení funkcí a výchozích možností, které nabízí IDEA StatiCa, aby bylo zajištěno získání realistické a bezpečné hodnoty odolnosti.
4. Porovnejte odolnost spár s výsledky získanými z návrhových výrazů uvedených v Eurokódu 3, aktuální a připravované verzi.
5. Posoudit rozdíly v momentové odolnosti, které vznikly na základě 5% kritéria ekvivalentní plastické deformace, které IDEA StatiCa přijala pro definování "návrhové odolnosti" na křivce moment-rotace, oproti jiným běžným kritériím (jako je relaxace sekantní tuhosti na 1/3 počáteční tuhosti).

Řešené otázky

• Jaký je rozptyl výsledků?
• Jaký je vliv různých parametrů (štíhlost, poměr stran, poměr ohybových momentů, příčné výztuhy, osová síla atd.) na tyto výsledky?
• Jaký vliv mají na tyto výsledky součásti pásnice sloupu?

Vyloučení

Posouzení spolehlivosti výsledků programu se neprovádí, protože je mimo rozsah této studie.

Shrnutí závěrů

Z analýzy výsledků programu Abaqus vyplynuly následující závěry:

1. Pokud jde o 5% kritérium ekvivalentní plastické deformace, ukázalo se, že pro tento typ spoje dává výsledky odolnosti podobné výsledkům získaným ze stejného numerického modelu se snížením sekanční tuhosti na 1/3 původní tuhosti.
2. Počáteční imperfekce hrají v chování analyzovaných spojů malou roli, nicméně geometrická nelinearita (analýza 2. řádu) by měla být zahrnuta, zejména v případech, kdy je přítomno osové zatížení.
3. Zahrnutí deformačního zpevnění vede k malému průměrnému zvýšení odolnosti o 4 %, má však velký vliv, v průměru asi 44 %, na pootočení kloubu.

Následující poznámky jsou relevantní pro implementaci v programu IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa s výchozí sítí programu (verze 23.1) a MNA (materiálově nelineární analýza) poskytuje odpory, které jsou větší než odpory získané pomocí programu Abaqus. V průměru o 6 % větší pro válcované sloupy s tupými svary a přibližně o 11 % pro svařované sloupy s tupými nebo koutovými svary. U válcovaných sloupů s koutovými svary jsou výsledky v průměru shodné s výsledky programu Abaqus. Maximální odchylky pozorované pro jednotlivý případ jsou 22 % (válcované sloupy s tupými svary) a 53 % (svařované sloupy s tupými svary).
   IDEAStatiCa komentář: Tuto situaci napravují dvě změny provedené ve verzi 25.0:
   -Geometricky nelineární analýza
   -Rozpěrná plocha svarů - zmenšena pro tupé svary, tj. odolnost sloupů svařovaných natupo je snížena.
   
2. IDEA StatiCa se zpřesněnou sítí (poloviční velikost výchozí sítě) a GMNA (geometricky a materiálově nelineární analýza) poskytuje odpory, které jsou v dobré shodě (v průměru v rozmezí ±5 %) s výsledky Abaqusu. Maximální odchylky zjištěné pro jednotlivé případy jsou 15 % (válcované sloupy s tupými svary), 5 % (válcované sloupy s koutovými svary), 27 % (svařované sloupy s tupými svary) a 14 % (svařované sloupy s koutovými svary).
   IDEAStatiCa komentář: Po změnách uvedených v předchozím bodě již není nutné snižovat oka na polovinu.
   
3. Vliv počátečních imperfekcí byl zkoumán pro jednostranné vnitřní spoje a bylo zjištěno, že je zanedbatelný.
   Komentář IDEAStatiCa: To znamená, že GMNA je dostatečná a GMNIA není pro zkoumaný rozsah spojů nutná .
   
4. Čistě materiálová nelineární analýza bez vlivů^2. řádu vede v případě osové síly na sloup k nekonzervativním výsledkům. Proto se doporučuje, aby byla v programu standardně aktivována geometricky nelineární analýza.
   IDEAStatiCa komentář: Ve verzi 25.0 je geometricky nelineární analýza k dispozici pro každý spoj. V připravované opravě bude uvedeno upozornění.
   
5. Velikost sítě hraje zásadní roli v přesnosti výsledků. Potenciální přístup k odhadu konvergentní hodnoty by mohl být založen na automatizovaném procesu, který by velikost sítě rozpůlil a na momentovou odolnost získanou s oběma hodnotami použil Richardsonovu extrapolaci.
   IDEAStatiCa comment: Richardsonova extrapolace je možná při určování zatěžovacích odporů. Není však možná u kontrol vyhověl/nevyhověl. Díky dříve zmíněným změnám ve verzi 25.0 již výchozí síť poskytuje dostatečně přesné výsledky.
6. Materiálový model implementovaný aplikací IDEA StatiCa (se sklonem deformačního zpevnění E/1000) vede v průměru k 3% nárůstu momentové odolnosti ve srovnání s výsledky získanými s pružným dokonale plastickým materiálem.

Celou zprávu si můžete přečíst v příloze.

Přiložené soubory ke stažení

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)