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Bulloni e collegamenti con bulloni pretensionati

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Tradotto dall'inglese tramite IA

Bulloni

Nel Metodo degli Elementi Finiti basato sui Componenti (CBFEM), il bullone con il suo comportamento a trazione, taglio e rifollamento è il componente descritto da molle non lineari dipendenti. L'insieme bullone comprende bullone, rondella e dado ed è simulato da una molla non lineare, elementi a corpo rigido ed elementi di contatto.

Bullone a trazione

Il bullone a trazione è descritto da una molla con la sua rigidezza assiale iniziale, resistenza di progetto, inizializzazione dello snervamento e capacità di deformazione. La rigidezza assiale iniziale è derivata analiticamente nella linea guida VDI2230 e in Agerskov (1976).

DLb=Ls+0.4dbEAs+0.85dbEAtD_{Lb} =\frac{L_s+0.4d_b}{EA_{s}}+ \frac{0.85d_b}{EA_{t}}DLb​=EAs​Ls​+0.4db​​+EAt​0.85db​​

App=0.75DH(Lw−DH)DW12−DW22A_{pp}=\frac{0.75D_H(L_w-D_H)}{D_{W1}^2-D_{W2}^2}App​=DW12​−DW22​0.75DH​(Lw​−DH​)​

AP1=π4(DH2−DW12)A_{P1}=\frac{\pi}{4}(D_H^2-D_{W1}^2)AP1​=4π​(DH2​−DW12​)

AP2=12(DW22−DH2)tan⁡−1AppA_{P2}=\frac{1}{2}(D_{W2}^2-D_H^2)\tan^{-1}A_{pp}AP2​=21​(DW22​−DH2​)tan−1App​

AP=AP1+AP2A_P=A_{P1}+A_{P2}AP​=AP1​+AP2​

DLW=LWEAPD_{LW}=\frac{L_W}{EA_P}DLW​=EAP​LW​​

k=1DLB+DLWk=\frac{1}{D_{LB}+D_{LW}}k=DLB​+DLW​1​

dove:

  • dbd_bdb​ – diametro del bullone
  • DHD_HDH​ – diametro della testa del bullone
  • DW1D_{W1}DW1​ – diametro interno della rondella
  • DW2D_{W2}DW2​ – diametro esterno della rondella
  • LWL_WLW​ – somma degli spessori delle rondelle
  • LsL_sLs​ – lunghezza di serraggio del bullone
  • AsA_{s}As​ – area lorda del bullone
  • AtA_{t}At​ – area resistente a trazione del bullone
  • EEE – modulo di elasticità di Young

Il modello corrisponde ai dati sperimentali; si veda Gödrich et al. (2014). Per l'inizializzazione dello snervamento e la capacità di deformazione, si assume che la deformazione plastica avvenga solo nella parte filettata del gambo del bullone.

Diagramma forza-deformazione per il rifollamento della piastra

Il diagramma forza-deformazione è costruito utilizzando le seguenti equazioni:

Rigidezza plastica:

kt=c1kk_t = c_1 kkt​=c1​k

Forza al limite elastico:

Ft,el=Ft,Rdc1c2−c1+1F_{t,el} = \frac{F_{t,Rd}}{c_1 c_2 - c_1 +1}Ft,el​=c1​c2​−c1​+1Ft,Rd​​

Deformazione al limite elastico:

uel=Ft,elku_{el} = \frac{ F_{t,el} }{k}uel​=kFt,el​​

Deformazione al limite plastico:

ut,Rd=c2uelu_{t,Rd} = c_2 u_{el}ut,Rd​=c2​uel​

c1=fub−fyb14AE−fybc_1 = \frac{f_{ub} - f_{yb}}{\frac{1}{4} A E - f_{yb}}c1​=41​AE−fyb​fub​−fyb​​

c2=AE4fybc_2 = \frac{AE}{4 f_{yb}}c2​=4fyb​AE​

dove:

  • Ft,RdF_{t,Rd}Ft,Rd​ – valore di progetto della resistenza del bullone a trazione
  • fybf_{yb}fyb​ – tensione di snervamento del bullone
  • fubf_{ub}fub​ – tensione ultima del bullone
  • AAA – allungamento a rottura

Bullone a taglio

Solo la forza di compressione viene trasferita dal gambo del bullone alla piastra nel foro del bullone. Essa è modellata tramite collegamenti di interpolazione tra i nodi del gambo e i nodi del bordo del foro. La rigidezza di deformazione dell'elemento shell che modella le piastre distribuisce le forze tra i bulloni e simula il rifollamento adeguato della piastra.

I fori dei bulloni sono considerati standard (predefinito) o assolati (impostabile nell'editor della piastra). I bulloni in fori standard possono trasferire la forza di taglio in tutte le direzioni; i bulloni in fori assolati hanno una direzione esclusa e possono muoversi liberamente in questa direzione selezionata.

La rigidezza iniziale e la resistenza di progetto di un bullone a taglio sono definite dalle seguenti formule:

kel=11k11+1k12k_{el}=\frac{1}{\frac{1}{k_{11}}+\frac{1}{k_{12}}}kel​=k11​1​+k12​1​1​

k11=8db2fubdM16k_{11} = \frac{8d_b^2f_{ub}}{d_{M16}}k11​=dM16​8db2​fub​​

k12=12ktdbfupk_{12}=12k_td_bf_{up}k12​=12kt​db​fup​

kt=min⁡(2.5, 1.5tmindM16)k_t=\min \left ( 2.5,\, \frac{1.5t_{min}}{d_{M16}} \right )kt​=min(2.5,dM16​1.5tmin​​)

kpl=kel1000k_{pl}=\frac{k_{el}}{1000}kpl​=1000kel​​

dove:

  • dbd_bdb​ – diametro del bullone
  • fubf_{ub}fub​ – tensione ultima del bullone
  • dM16=16 mmd_{M16}=16 \textrm{ mm}dM16​=16 mm – diametro del bullone di riferimento M16
  • fupf_{up}fup​ – resistenza ultima della piastra collegata
  • tmint_{min}tmin​ – spessore minimo della piastra collegata 

La molla che rappresenta il bullone a taglio ha un comportamento bilineare forza-deformazione. L'inizializzazione dello snervamento è prevista a:

FV,el=0.999FV,RdF_{V,el}=0.999 F_{V,Rd}FV,el​=0.999FV,Rd​

La capacità di deformazione è considerata come:

δpl=δel\delta_{pl}=\delta_{el}δpl​=δel​

dove:

  • FV,elF_{V,el}FV,el​ – resistenza elastica del bullone a taglio
  • FV,RdF_{V,Rd}FV,Rd​ – resistenza del bullone a taglio
  • δel\delta_{el}δel​ – deformazione elastica del bullone a taglio

Interazione tra trazione e taglio

L'interazione tra la forza assiale e la forza di taglio può essere introdotta direttamente nel modello di analisi. La distribuzione delle forze riflette meglio la realtà (si veda il diagramma allegato). I bulloni con un'elevata forza di trazione assorbono una minore forza di taglio e viceversa.

Esempio di interazione tra forza assiale e forza di taglio (EC)

Bulloni pretensionati

I bulloni pretensionati vengono utilizzati nei casi in cui è necessario ridurre al minimo le deformazioni. Il modello a trazione del bullone è lo stesso dei bulloni standard. La forza di taglio non viene trasferita tramite rifollamento, ma tramite attrito tra le piastre serrate.

La resistenza di progetto allo scorrimento di un bullone pretensionato è influenzata da una forza di trazione applicata.

IDEA StatiCa Connection verifica lo stato limite di pre-scorrimento dei bulloni pretensionati. Se si verifica uno scorrimento, i bulloni non soddisfano la verifica. In tal caso, lo stato limite post-scorrimento deve essere verificato come una verifica standard a rifollamento dei bulloni, in cui i fori dei bulloni sono sollecitati a rifollamento e i bulloni a taglio.

L'utente può decidere quale stato limite verificare: la resistenza allo scorrimento principale oppure lo stato post-scorrimento a taglio dei bulloni. Le due verifiche su un singolo bullone non vengono combinate in un'unica soluzione. Si assume che il bullone abbia un comportamento standard dopo uno scorrimento principale e possa essere verificato con la procedura standard a rifollamento.

Il carico a momento del collegamento ha una piccola influenza sulla capacità a taglio. Tuttavia, la verifica a attrito su ciascun bullone viene semplicemente risolta separatamente. Questa verifica è implementata nel componente FEM del bullone. Non è disponibile in modo generale alcuna informazione su se il carico di trazione esterno di ciascun bullone provenga dal momento flettente o dal carico di trazione del collegamento.

Distribuzione delle tensioni in un collegamento a taglio con bulloni standard

Distribuzione delle tensioni in un collegamento a taglio con bulloni antisdrucciolo

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