Metoda trybów zniszczenia

Jednopłaszczyznowe spawane złącza typu T płyty z rurami okrągłymi (CHS), wyznaczone metodą CBFEM, są weryfikowane w tym rozdziale z metodą trybów zniszczenia (FMM). W metodzie CBFEM nośność obliczeniowa jest ograniczona przez osiągnięcie odkształcenia 5 % lub siły odpowiadającej deformacji złącza równej 3 % d₀, gdzie d₀ jest średnicą pasa. Metoda FMM opiera się na granicy obciążenia szczytowego lub granicy deformacji 3 % d₀; zob. Lu i in. (1994). Spoiny, zaprojektowane zgodnie z EN 1993‑1‑8:2006, nie są najsłabszymi składnikami złącza.

Uplastycznienie pasa

Nośność obliczeniowa czoła pasa CHS jest wyznaczana metodą FMM podaną w Rozdz. 9 prEN 1993-1-8:2020 oraz w ISO/FDIS 14346; zob. Rys. 7.3.1. Nośność obliczeniowa osiowo obciążonego spawanego złącza płyty z rurą CHS wynosi:

Złącze T

Poprzeczne

$$N_{1,Rd} = 2.5 \cdot C_f f_{y0} t_0^2 (1+3 \beta^2) \gamma^{0.35} Q_f / \gamma_{M5}$$

Podłużne

$$N_{1,Rd} = 7.1 \cdot C_f f_{y0} t_0^2 (1+0.4 \eta) Q_f / \gamma_{M5}$$

Złącze X

Poprzeczne

$$N_{1,Rd} = 2.1 \cdotC_f f_{y0} t_0^2 (1+3 \beta^2) \gamma^{0.25} Q_f / \gamma_{M5}$$

Podłużne

$$N_{1,Rd} = 3.5 \cdotC_f f_{y0} t_0^2 (1+0.4 \eta^2) \gamma^{0.1} Q_f / \gamma_{M5}$$

gdzie:

• f_y,i – granica plastyczności elementu i (i = 0,1,2 lub 3)
• t_i – grubość ścianki elementu CHS i (i = 0,1,2 lub 3)
• $\beta$ – stosunek średniej średnicy lub szerokości elementów krzyżulcowych do odpowiedniej wartości pasa
• $\eta$ – stosunek wysokości elementu krzyżulcowego do średnicy lub szerokości pasa
• $\gamma$ – stosunek szerokości lub średnicy pasa do podwojonej grubości jego ścianki
• Q_f – współczynnik naprężeń w pasie
• C_f – współczynnik materiałowy
• $\gamma_{M5}$ – częściowy współczynnik nośności złączy w kratownicach z rur
• N_i,Rd – nośność obliczeniowa złącza wyrażona jako wewnętrzna siła osiowa w elemencie i (i = 0,1,2 lub 3)

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.1 Examined failure mode - chord plastification}}}$$

Zakres stosowalności

Metoda CBFEM została zweryfikowana dla typowych złączy spawanych rur okrągłych. Zakres stosowalności dla tych złączy jest określony w Tabeli 7.8 prEN 1993-1-8:2020; zob. Tab. 7.3.1. Ten sam zakres stosowalności jest stosowany do modelu CBFEM. Poza zakresem stosowalności metody FMM należy przeprowadzić badanie doświadczalne w celu walidacji lub weryfikacji zgodnie z zatwierdzonym modelem badawczym.

Tab. 7.3.1 Zakres stosowalności metody trybów zniszczenia

Walidacja

W tym rozdziale metoda CBFEM jest walidowana z modelami FMM złączy T płyty z rurą CHS opisanymi w prEN 1993-1-8:2020. Modele są porównywane z danymi z badań mechanicznych w Tab. 7.3.2–7.3.3 z nośnością opartą na granicy deformacji. Właściwości materiałowe i geometryczne badań numerycznych opisano w (Voth A.P. i Packer A.J., 2010). Eksperymenty poza zakresem stosowalności są oznaczone w tabelach gwiazdką * i zaznaczone na wykresie w celu pokazania jakości warunków brzegowych.

Tab. 7.3.2 Właściwości geometryczne, właściwości materiałowe i nośności połączeń z badań doświadczalnych i modeli FMM dla poprzecznego złącza T

Tab. 7.3.3 Właściwości geometryczne, właściwości materiałowe i nośności połączeń z badań doświadczalnych i modeli FMM dla podłużnego złącza T

$$\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.3.2 Validation of FMM to mechanical experiments for transverse T-type plate-to-CHS connections (left) and to longitudinal T-type plate-to-CHS connections (right)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.3 Validation of FMM to mechanical experiments for transverse T-type plate-to-CHS connections (left) and longitudinal T-type plate-to-CHS connections (right)}}}$$

Walidacja przedstawiona na Rys. 7.3.2 i 7.3.3 wykazuje, że różnice w stosunku do wyników badań wynoszą co najmniej 15 % i są generalnie po stronie bezpiecznej. Eksperymenty poza zakresem stosowalności są uwzględnione i oznaczone. Wyniki wskazują na dobrą jakość przyjętych warunków brzegowych.

Jednopłaszczyznowe złącze T płyty

Przegląd rozważanych przykładów w badaniu podano w Tab. 7.3.4. Wybrane przypadki obejmują szeroki zakres geometrycznych współczynników złącza. Geometria złączy z wymiarami jest pokazana na Rys. 7.3.4. Grubość płyty wynosi 15 mm we wszystkich przypadkach objętych niniejszym badaniem.

Tab. 7.3.4 Przegląd przykładów

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.4 Dimensions of plate to CHS T joint, transverse (left) and longitudinal (right)}}}$$

Weryfikacja

Wyniki nośności i obliczeniowego trybu zniszczenia metody FMM są porównywane z wynikami CBFEM w Tab. 7.3.5 i na Rys. 7.3.5.

Tab. 7.3.5 Weryfikacja prognozowania nośności metodą CBFEM w odniesieniu do FMM a) orientacja poprzeczna  b) orientacja podłużna

Badanie wykazuje dobrą zgodność dla zastosowanych przypadków obciążeń. Wyniki są zestawione na wykresach porównujących nośności obliczeniowe metody CBFEM i FMM; zob. Rys. 7.3.5. Wyniki pokazują, że różnica między dwiema metodami obliczeniowymi we wszystkich przypadkach jest mniejsza niż 7 %.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.5 Verification of CBFEM to FMM for the uniplanar Plate to CHS T-joint}}}$$

Przykład wzorcowy

Dane wejściowe

Pas

• Stal S355
• Przekrój CHS219.1/5,0

Krzyżulec

• Stal S355
• Płyta 95/15 mm
• Kąt między krzyżulcem a pasem 90° (poprzeczny)

Spoina

• Spoina czołowa dookoła krzyżulca

Obciążenie

• Siłą przyłożoną do krzyżulca w ściskaniu

Wielkość siatki

• 64 elementy wzdłuż powierzchni rury okrągłej

Wyniki

• Nośność obliczeniowa na ściskanie wynosi N_Rd = 45,2 kN
• Obliczeniowy tryb zniszczenia to przebicie

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.6 Boundary conditions for the uniplanar Plate to CHS T-joint}}}$$