Îmbinare de colț cu moment încovoietor la streaşină pentru cadru portal sudat

Descriere

În acest capitol, metoda elementelor finite bazată pe componente (CBFEM) pentru o îmbinare de colț cu moment încovoietor la streaşină pentru cadru portal sudat este verificată prin metoda componentelor (CM). O grindă cu secțiune deschisă este sudată la un stâlp cu secțiune deschisă. Stâlpul este rigidizat cu două elemente de rigidizare orizontale opuse tălpilor grinzii. Plăcile comprimate, de ex. elementele de rigidizare orizontale ale stâlpului, panoul inimii stâlpului la forfecare, talpa comprimată a grinzii, sunt limitate la clasa 3^rd pentru a evita flambajul. Căpriorul este încărcat cu forță tăietoare și moment încovoietor.

Model analitic

Cinci componente sunt examinate în studiu, și anume panoul inimii la forfecare, inima stâlpului la compresiune transversală, inima stâlpului la întindere transversală, talpa stâlpului la încovoiere și talpa grinzii la compresiune. Toate componentele sunt proiectate conform EN 1993-1-8:2005. Sudurile de colț sunt proiectate astfel încât să nu fie cea mai slabă componentă a îmbinării. Studiul de verificare al unei suduri de colț într-o îmbinare grindă-stâlp rigidizată se află în capitolul 4.4.

Panoul inimii la forfecare

Grosimea inimii stâlpului este limitată prin zveltețe pentru a evita problemele de stabilitate; a se vedea EN 1993‑1‑8:2005, Cl 6.2.6.1(1). Un panou al inimii stâlpului de clasa 4 la forfecare este studiat în capitolul 6.2. Sunt luate în considerare două contribuții la capacitatea portantă: rezistența panoului stâlpului la forfecare și contribuția mecanismului de cadru al tălpilor stâlpului și al elementelor de rigidizare orizontale; a se vedea EN 1993‑1‑8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 și 6.8).

Inima stâlpului la compresiune transversală

Este luată în considerare efectul interacțiunii cu încărcarea de forfecare; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Este luată în considerare influența tensiunii longitudinale în panoul stâlpului; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Elementele de rigidizare orizontale sunt incluse în capacitatea portantă a acestei componente.

Inima stâlpului la întindere transversală

Este luată în considerare efectul interacțiunii cu încărcarea de forfecare; a se vedea EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Elementele de rigidizare orizontale sunt incluse în capacitatea portantă a acestei componente.

Talpa stâlpului la încovoiere

Elementele de rigidizare orizontale contravântuiesc talpa stâlpului; această componentă nu este luată în considerare.

Talpa grinzii la compresiune

Grinda orizontală este proiectată să fie de clasa 3 a secțiunii transversale sau mai bună pentru a evita flambajul.

Prezentarea generală a exemplelor considerate și a materialului este dată în Tab. 9.1.1. Geometria îmbinării cu dimensiuni este prezentată în Fig. 9.1.1. Parametrii considerați în studiu sunt secțiunea transversală a grinzii, secțiunea transversală a stâlpului și grosimea panoului inimii stâlpului.

Tab. 9.1.1 Prezentare generală a exemplelor

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Geometria și dimensiunile îmbinării}}}$$

Model numeric

Starea materialului elastic-plastic neliniară este investigată în fiecare strat al unui punct de integrare. Evaluarea se bazează pe deformația maximă dată conform EN 1993-1-5:2006 prin valoarea de 5%. 

Comportament global

Este prezentată comparația comportamentului global al unei îmbinări cu moment încovoietor pentru cadru portal, descrisă prin diagrama moment-rotație. Caracteristicile principale ale diagramei moment-rotație sunt rigiditatea inițială, rezistența elastică și rezistența de calcul. O grindă cu secțiune deschisă IPE 330 este sudată la un stâlp HEB 260 în exemplu. O îmbinare cu moment încovoietor pentru cadru portal cu elemente de rigidizare orizontale în stâlp este considerată conform metodei componentelor ca un rost rigid cu S_j,ini = ∞. Prin urmare, este analizată o îmbinare fără elemente de rigidizare orizontale în stâlp. Diagrama moment-rotație este prezentată în Fig. 9.1.2, iar rezultatele sunt rezumate în Tab. 9.1.2. Rezultatele arată o concordanță foarte bună în rigiditatea inițială și comportamentul global al îmbinării.

Tab. 9.1.2 Rigiditatea de rotație a unei îmbinări cu moment încovoietor pentru cadru portal în CBFEM și CM

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Diagrama moment-rotație pentru o îmbinare fără elemente de rigidizare ale stâlpului}}}$$

Verificarea rezistenței

Rezultatele calculate prin CBFEM sunt comparate cu CM. Comparația este axată pe rezistența de calcul și componenta critică. Studiul este realizat pentru trei parametri diferiți: secțiunea transversală a grinzii, secțiunea transversală a stâlpului și grosimea panoului inimii stâlpului.

Un stâlp cu secțiune deschisă HEB 260 este utilizat într-un exemplu în care parametrul este secțiunea transversală a grinzii. Stâlpul este rigidizat cu două elemente de rigidizare orizontale ale stâlpului cu grosimea de 10 mm opuse tălpilor grinzii. Lățimea elementelor de rigidizare corespunde lățimii tălpii grinzii. Secțiunile IPE ale grinzii sunt selectate de la IPE 140 la IPE 500. Rezultatele sunt prezentate în Tab. 9.1.3. Influența secțiunii transversale a grinzii asupra rezistenței de calcul a unei îmbinări cu moment încovoietor pentru cadru portal sudat este prezentată în Fig. 9.1.4. Componentele critice în CBFEM au fost tălpile grinzii, talpa stâlpului și inima stâlpului. Fig. 9.1.3. prezintă modelul unuia dintre exemple cu descrierea tălpilor. 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model cu descrierea tălpilor}}}$$

Tab. 9.1.3 Rezistențe de calcul și componente critice în CBFEM și CM

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Studiu de sensibilitate al dimensiunii grinzii într-o îmbinare cu moment încovoietor pentru cadru portal}}}$$

O grindă cu secțiune deschisă IPE330 este utilizată într-un exemplu în care parametrul este secțiunea transversală a stâlpului. Stâlpul este rigidizat cu două elemente de rigidizare orizontale ale stâlpului cu grosimea de 10 mm opuse tălpilor grinzii. Lățimea elementelor de rigidizare corespunde lățimii tălpii grinzii. Lățimea combinată a elementelor de rigidizare este de 160 mm. Secțiunile stâlpului sunt selectate de la HEB 160 la HEB 500. Rezultatele sunt prezentate în Tab. 9.1.4. Influența secțiunii transversale a stâlpului asupra rezistenței de calcul a unei îmbinări cu moment încovoietor pentru cadru portal sudat este prezentată în Fig. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Rezistențe de calcul și componente critice ale unei îmbinări cu moment încovoietor în CBFEM și CM

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Studiu de sensibilitate al dimensiunii stâlpului într-o îmbinare cu moment încovoietor pentru cadru portal}}}$$

Al treilea exemplu prezintă o îmbinare cu moment încovoietor pentru cadru portal alcătuită dintr-o grindă cu secțiune deschisă IPE 330 și stâlp HEA 320. Parametrul este grosimea inimii stâlpului. Stâlpul este rigidizat cu două elemente de rigidizare orizontale ale stâlpului cu grosimea de 10 mm și lățimea de 160 mm. Grosimea inimii stâlpului este aleasă de la 4 la 16 mm. Rezultatele sunt rezumate în Tab. 9.1.5. Influența grosimii inimii stâlpului asupra rezistenței de calcul a unei îmbinări cu moment încovoietor pentru cadru portal sudat este prezentată în Fig. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Rezistențe de calcul și componente critice ale unei îmbinări cu moment încovoietor în CBFEM și CM

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Studiu de sensibilitate al grosimii inimii stâlpului}}}$$

Pentru a ilustra acuratețea modelului CBFEM, rezultatele studiilor parametrice sunt rezumate într-o diagramă care compară rezistențele CBFEM și ale metodei componentelor; a se vedea Fig. 9.1.7. Rezultatele arată că diferența dintre cele două metode de calcul este mai mică de 5%, ceea ce reprezintă o valoare general acceptabilă. Studiul cu parametrul grosimea inimii stâlpului oferă o rezistență mai mare pentru modelul CBFEM comparativ cu metoda componentelor. Această diferență este cauzată de luarea în considerare a secțiunilor sudate. Transferul încărcării de forfecare este considerat în metoda componentelor doar în inimă, iar contribuția tălpilor este neglijată.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verificarea CBFEM față de CM}}}$$

Exemplu de referință

Date de intrare

Stâlp

• Oțel S235
• HEB260

Grindă

• Oțel S235
• IPE330

Elemente de rigidizare stâlp

• Grosime t_s = 19 mm
• Lățime 80 mm
• Opuse tălpilor grinzii

Sudură

• Talpa grinzii: grosimea gâtului sudurii de colț a_f  = 8 mm
• Inima grinzii: grosimea gâtului sudurii de colț a_w  = 8 mm
• Sudură cap la cap în jurul elementelor de rigidizare

Rezultate

• Rezistența de calcul la încovoiere M_Rd = 146 kNm
• Componentă critică: Talpa grinzii 1

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Exemplu de referință}}}$$