Îmbinare cu placă de capăt cu patru șuruburi pe rând

Descriere

Acest studiu este axat pe verificarea metodei elementelor finite bazate pe componente (CBFEM) pentru rezistența îmbinării cu placă de capăt cu patru șuruburi pe rând față de un model analitic (AM) și un model cu elemente finite orientat spre cercetare (ROFEM), validat pe experimente.

Model analitic

Rezistența șuruburilor la forfecare și întindere și rezistența plăcii la presiune pe gaură și la poansonare sunt proiectate conform Tab. 3.4, Capitolul 3.6.1 din EN 1993-1-8:2006. T-stubul echivalent la întindere, conform Capitolului 6.2.4, a fost modificat de Jaspart et al. (2010), a se vedea Fig. 5.7.1 și Tab. 5.7.1.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.1 Moduri de cedare ale T-stubului cu patru șuruburi pe rând: modul 1 (stânga), modul 2 (mijloc), modul 3 (dreapta)}}}$$

Tab. 5.7.1 Moduri de cedare ale T-stubului cu patru șuruburi pe rând (Jaspart et al. 2010)

În Tab. 5.7.1, 𝐹_t,Rd este rezistența de calcul a șurubului la întindere, 𝑒_w=𝑑_w/4, 𝑑_w este diametrul șaibei sau lățimea peste colțuri a capului șurubului sau a piuliței, după caz, 𝑚, 𝑛=𝑒₁+𝑒₂;⁡𝑛≤1.25𝑚, 𝑛₁=𝑒₁, 𝑛₂=𝑒₂;⁡𝑛₂≤1,25𝑚+𝑛₁ a se vedea Fig. 5.8.2, 𝑀_pl,1,Rd=0.25𝑙_eff,1𝑡_f²𝑓_y/𝛾_M0, 𝑀_pl,2,Rd=0.25𝑙_eff,2𝑡_f²𝑓_y/𝛾_M0, 𝑙_eff este lungimea efectivă, 𝑡_f este grosimea tălpii, iar 𝑓_y este limita de curgere, a se vedea Fig. 5.7.2.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.2 Geometria T-stubului cu patru șuruburi pe rând}}}$$

Validarea și verificarea rezistenței

Rezistențele de calcul determinate prin CBFEM au fost comparate cu rezultatele modelului analitic (Zakouřil, 2019) și cu experimentele utilizând modelul cu elemente finite orientat spre cercetare (Samaan et al. 2017), a se vedea Fig. 5.7.3. Rezultatele sunt rezumate în Fig. 5.7.4. S-au utilizat șuruburi de clasa 8.8 și oțel S450. Limitele de curgere și rezistențele la rupere corespund îndeaproape valorilor experimentale, de ex. limita de curgere a șurubului este 600 MPa, rezistența la rupere a șurubului este 800 MPa.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Placă de capăt extinsă nerigidizată, notată ENS}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Placă de capăt înecată, notată F}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Placă de capăt extinsă rigidizată, notată EX}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.3 Epruvete testate}}}$$

Rezistența la moment încovoietor determinată prin CBFEM se situează de obicei între rezistențele determinate prin metoda componentelor și cele obținute experimental. Tabelul 5.7.2 prezintă comparația dintre rezistențele obținute prin CM, CBFEM, ROFEM și experiment pentru epruvetele cu grosimi ale plăcii de capăt de 20 mm și 32 mm. Atât metoda componentelor, cât și CBFEM subestimează rezistența epruvetei cu placă de capăt înecată. 

Tab. 5.7.2 Comparație între CM, ROFEM, CBFEM și experiment

Tabelul 5.7.3 și Fig. 5.7.4 prezintă verificarea CBFEM față de CM pentru modelele ENS cu diferite grosimi ale plăcii de capăt, diametre ale șuruburilor și înălțimi ale grinzii

Tab. 5.7.3 Verificare CBFEM față de CM ENS

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.4 Verificarea CBFEM față de CM}}}$$

Rezultatele studiilor de sensibilitate sunt rezumate în graficele din Fig. 5.7.5, Fig. 5.7.6, Fig. 5.7.7 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.5 Studiu de sensibilitate pentru grosimea plăcii}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.6 Studiu de sensibilitate pentru diametrul șurubului}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.7 Studiu de sensibilitate pentru înălțimea grinzii}}}$$

Tabelul 5.7.4 și Fig. 5.7.8 prezintă verificarea CBFEM față de CM pentru modelele F cu diferite grosimi ale plăcii de capăt și diametre ale șuruburilor 

Tab. 5.7.4 Verificare CBFEM față de CM F

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.8 Verificarea CBFEM față de CM}}}$$

Rezultatele studiilor de sensibilitate sunt rezumate în graficele din Fig. 5.7.9 și 5.7.10

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.9 Studiu de sensibilitate pentru grosimea plăcii}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.10 Studiu de sensibilitate pentru diametrul șurubului}}}$$

Tabelul 5.7.5 și Fig. 5.7.11 prezintă verificarea CBFEM față de CM pentru modelele F cu diferite grosimi ale plăcii de capăt și diametre ale șuruburilor 

Tab. 5.7.5 Verificare CBFEM față de CM EX

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.11 Verificarea CBFEM față de CM}}}$$

Rezultatele studiilor de sensibilitate sunt rezumate în graficele din Fig. 5.7.12 și 5.7.13. 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.12 Studiu de sensibilitate pentru grosimea plăcii}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.13 Studiu de sensibilitate pentru diametrul șurubului}}}$$

Exemplu de referință

Date de intrare

• Oțel S450

Stâlp

• Profil I laminat
• h = 390mm
• b = 350mm
• t_f = 20mm
• t_w = 12mm
• r = 27mm

Rigidizatori stâlp

• t_s = 16mm

Grindă

• Profil I laminat
• h_b = 340mm
• b_b = 350mm
• t_f = 20mm
• t_w = 12mm
• r = 27mm

Placă de capăt

• t_p = 20mm
• b_p = 350mm
• h_p= 540mm

Șuruburi

• 4 rânduri x 4 x M16 8.8
• Distanțe e₁ = 50 mm, p₁ = 120 mm, p₂ = 100mm, e₂= 50mm, w₁ = 75mm, w₂ = 100mm

Suduri

• a_w = 7mm

Rezultate

• Rezistența de calcul F_Rd = 247 kN
• Componentele critice sunt șuruburile cu forțe majorate datorită efectului de pârghie al plăcii de capăt

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.14 Exemplu de referință}}}$$