Csavart kapcsolat - T-csonk húzásban

Leírás

Ennek a fejezetnek a célja a komponens alapú végeselem-módszer (CBFEM) ellenőrzése T-csonkok esetén, amelyek két csavarral vannak összekötve és húzásnak vannak kitéve, a komponens módszerrel (CM) és a Midas FEA szoftverben létrehozott kutatási VEM modellel (RM); lásd (Gödrich et al. 2019).

Analitikai modell

A hegesztett T-csonk és a húzott csavar a tanulmányban vizsgált komponensek. Mindkét komponenst az EN 1993-1-8:2005 szerint tervezték. A hegesztések úgy vannak méretezve, hogy ne legyenek a leggyengébb komponensek. A körkörös és nem körkörös tönkremenetelekre vonatkozó hatékony hosszakat az EN 1993-1-8:2005 6.2.6. pontja szerint veszik figyelembe. Csak húzóterheléseket vesznek figyelembe. Az EN 1993-1-8:2005 6.2.4.1. pontja szerint három tönkremeneteli módot vesznek figyelembe: 1. mód a perem teljes folyásával, 2. mód két folyásvonallal a gerincnél és a csavarok szakadásával, valamint 3. mód a csavarok szakadásával; lásd az 5.1.1. ábrát. A csavarokat az EN 1993-1-8:2005 3.6.1. pontja szerint tervezték. A méretezési ellenállás figyelembe veszi az átlyukasztási nyírási ellenállást és a csavar szakadását.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.1 Collapse modes of T-stub}}}$$

Tervezési numerikus modell

A T-csonkot 4 csomópontú héjelemekkel modellezik, ahogy azt a 3. fejezetben leírják és az alábbiakban összefoglalják. Minden csomópontnak 6 szabadsági foka van. Az elem alakváltozásai membránt és hajlítási hozzájárulásokat tartalmaznak. Nemlineáris rugalmas-képlékeny anyagállapotot vizsgálnak az integrációs pont minden rétegében. Az értékelés az EN 1993‑1‑5:2006 szerint megadott maximális alakváltozáson alapul, amelynek értéke 5 %. A csavarokat három alkomponensre osztják. Az első a csavarszár, amelyet nemlineáris rugóként modelleznek, és csak húzást vesz fel. A második alkomponens a húzóerőt a peremekbe viszi át. A harmadik alkomponens a nyírásátadást oldja meg.

Kutatási numerikus modell

Azokban az esetekben, amikor a CBFEM nagyobb ellenállást, kezdeti merevséget vagy alakváltozási kapacitást ad, a kísérleteken validált téglatest elemekből álló kutatási VEM modellt (RM) (Gödrich et al. 2013) használják a CBFEM modell ellenőrzésére. Az RM-et a Midas FEA szoftverben hexaéder és oktaéder szilárd elemekből hozzák létre, lásd az 5.1.2. ábrát. Hálóérzékenységi vizsgálatot végeztek a megfelelő eredmények elérése érdekében megfelelő időn belül. A csavarok numerikus modellje a (Wu et al. 2012) által készített modellen alapul. A névleges átmérőt a szárban, a hatékony magátmérőt a menetes részben veszik figyelembe. Az alátétek a fejhez és az anyához vannak csatolva. A menet–anya érintkezési területen a menetek kicsúszása által okozott alakváltozást interfészelemekkel modellezik. Az interfészelemek nem képesek húzófeszültségeket átvinni. Nyomás és súrlódás átvitelét lehetővé tevő érintkezési elemeket alkalmaznak az alátétek és a T-csonk peremei között. A minta egynegyedét szimmetria alkalmazásával modellezték.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.2 Research FEM model}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.3 Geometry of the T-stubs}}}$$

Érvényességi tartomány

A CBFEM-et a kiválasztott tipikus T-csonk geometriákra ellenőrizték. A perem minimális vastagsága 8 mm. A csavarok közötti távolság és a csavar átmérőjének maximális aránya p/d_b ≤ 20 értékre korlátozott. A csavarvonal és a gerinc közötti távolság m/d_b ≤ 5 értékre korlátozott. Az S235 acéllemezekkel vizsgált minták áttekintése: f_y = 235 MPa, f_u = 360 MPa, E = E_bolt = 210 GPa az 5.1.1. táblázatban és az 5.1.3. ábrán látható.

5.1.1. táblázat: A vizsgált T-csonk minták áttekintése

Globális viselkedés

Elkészítették a T-csonk globális viselkedésének összehasonlítását az erő–alakváltozás diagramokkal leírva minden tervezési eljárásra. A figyelem a főbb jellemzőkre összpontosult: kezdeti merevség, méretezési ellenállás és alakváltozási kapacitás. A tf20 mintát választották referenciaként; lásd az 5.1.4. ábrát és az 5.1.2. táblázatot. A CM általában nagyobb kezdeti merevséget ad a CBFEM-hez és az RM-hez képest. Minden esetben az RM adja a legnagyobb méretezési ellenállást, ahogy azt a 6. fejezet bemutatja. Az alakváltozási kapacitást szintén összehasonlítják. A T-csonk alakváltozási kapacitását a (Beg et al. 2004) szerint számították. Az RM nem veszi figyelembe az anyag repedését, ezért az alakváltozási kapacitás előrejelzése korlátozott.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.4 Force–deformation diagram}}}$$

5.1.2. táblázat: Globális viselkedés áttekintése

Ellenállás ellenőrzése

A következő lépésben a CBFEM által számított méretezési ellenállásokat összehasonlították a CM és az RM eredményeivel. Az összehasonlítás az alakváltozási kapacitásra és a tönkremeneteli mód meghatározására is kiterjedt. Minden eredmény az 5.1.3. táblázatban szerepel. A vizsgálatot öt paraméterre végezték: a perem vastagsága, csavarméret, csavaranyag, csavartávolság és T-csonk szélesség.

5.1.3. táblázat: Globális viselkedés áttekintése

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.5 Sensitivity study of flange thickness}}}$$

A peremvastagság érzékenységi vizsgálata a CBFEM szerint nagyobb ellenállást mutat a CM-hez képest a 20 mm-es peremvastagságig terjedő mintáknál. Az RM még nagyobb ellenállást ad ezekre a mintákra; lásd az 5.1.5. ábrát. Mindkét numerikus modell nagyobb ellenállását a CM-ben a membránhatás elhanyagolásával magyarázzák. A csavar átmérője és csavaranyag esetén (lásd az 5.1.6. és az 5.1.7. ábrát), a CBFEM eredményei megfelelnek a CM eredményeinek. A két módszer jó egyezése miatt az RM eredményei nem szükségesek.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.6 Sensitivity study of the bolt diameter}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.7 Sensitivity study of the bolt material}}}$$

A csavartávolságok esetén a CBFEM és a CM eredményei általában jó egyezést mutatnak; lásd az 5.1.8. ábrát. A csavartávolság növekedésével a CBFEM kissé nagyobb ellenállást ad a CM-hez képest. Emiatt az RM eredményeit is bemutatják. Az RM minden esetben a legnagyobb ellenállást adja.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.8 Sensitivity study of the bolt distance}}}$$

A T-csonk szélességének vizsgálatában a CBFEM a szélesség növekedésével nagyobb ellenállást mutat a CM-hez képest. Az RM eredményeit is elkészítették, amelyek ismét minden esetben a legnagyobb ellenállást adják; lásd az 5.1.9. ábrát.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.9 Sensitivity study of T-stub width}}}$$

A CBFEM modell előrejelzésének bemutatása érdekében a vizsgálatok eredményeit egy grafikonban foglalták össze, amely a CBFEM és a CM szerinti ellenállásokat hasonlítja össze; lásd az 5.1.10. ábrát. Az eredmények azt mutatják, hogy a két számítási módszer közötti különbség többnyire 10 % alatt marad. A CBFEM/CM > 1,1 esetekben a CBFEM pontosságát az RM eredményeivel ellenőrizték, amely minden kiválasztott esetben a legnagyobb ellenállást adja.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.10 Summary of verification of CBFEM to CM}}}$$

Benchmark példa

Bemeneti adatok

T-csonk, lásd az 5.1.11. ábrát

• S235 acél
• Peremvastagság t_f = 20 mm
• Gerincvastagság t_w = 20 mm
• Peremszélesség b_f = 300 mm
• Hossz b = 100 mm
• Kétoldali sarokhegesztés a_w = 10 mm

Csavarok

• 2 × M24 8.8
• Csavarok távolsága w = 165 mm

Kódbeállítás – Modell és háló

• Elemek száma a legnagyobb szerkezeti elemen vagy peremen: 16

Kimeneti adatok

• Méretezési húzási ellenállás F_T,Rd = 164 kN
• Tönkremeneteli mód – a perem teljes folyása maximális 5 %-os alakváltozással
• A csavarok kihasználtsága 86,4 %
• A hegesztések kihasználtsága 45,7 %

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.11 Benchmark example for the T-stub}}}$$

Hivatkozások

EN 1993-1-5, Eurocode 3, Acélszerkezetek tervezése – 1-5. rész: Lemezes szerkezeti elemek, CEN, Brüsszel, 2005.

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Acélszerkezetek tervezése – 1-8. rész: Kapcsolatok tervezése, CEN, Brüsszel, 2005.

Beg D., Zupančič E., Vayas I. On the rotation capacity of moment connections, Journal of Constructional Steel Research, 60 (3–5), 2004, 601–620.

Gödrich L., Wald F., Sokol Z. To Advanced modelling of end plate joints, Connection and Joints in Steel and Composite Structures, Rzeszow, 2013.

Gödrich L., Wald F., Kabeláč J., Kuříková M. Design finite element model of a bolted T-stub connection component, Journal of Constructional Steel Research. 2019, (157), 198-206.

Wu Z., Zhang S., Jiang S. Simulation of tensile bolts in finite element modelling of semi-rigid beam-to-column connections, International Journal of Steel Structures 12 (3), 2012, 339-350.