A numerical analysis of the influence of the prestressing force of bolts in a end-plate joint on the deflection of a steel I-beam

• Autorzy: Palacz Przemysław

Identyfikatory

DOI

10.17512/znb.2023.1.16

Warianty tytułu

PL

Numeryczna analiza wpływu siły wstępnego sprężenia śrub w połączeniu doczołowym na ugięcie stalowej belki dwuteowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Bolted end-plate joints are most commonly used in steel framed structures because they allow quick and easy assembly on the construction site. Bending moments usually occur in prestressed end-plate joints, which means that the bolt connectors may be loaded with additional forces resulting from the summation of the forces from the external load with the forces of initial prestressing of the bolts, which may even lead to the breakage of the bolts. In prestressed end-plate joints, it is important to select the appropriate bolt tightening torque so that the initial prestressing force of the bolts is sufficient to ensure adequate stiffness of the connection while ensuring safe operation. The article presents an analysis of the influence of the prestressing force of bolts in a end-plate joint on the deflection of a steel I-beam and the stress distribution. A finite element numerical analysis was performed for a standard end-plate joint with different bolt pre-stressing forces depending on the use of the bolt yield strength. The results showed that the connection does not behave linearly depending on the value of the selected bolt pre-stressing force, but the greater the force, the stiffer the connection

PL

Śrubowe połączenia doczołowe są najczęściej stosowane w konstrukcjach stalowych ramowych, ponieważ umożliwiają szybki i łatwy montaż na miejscu budowy. W stykach sprężonych połączeń doczołowych zazwyczaj występują momenty zginające, przez co łączniki śrubowe mogą być obciążone dodatkowymi siłami wynikającymi z sumowania się sił od obciążenia zewnętrznego z siłami wstępnego sprężenia śrub, co nawet może prowadzić do zerwania śrub. W sprężonych połączeniach doczołowych ważne jest dobranie odpowiedniego momentu dokręcenia śrub, tak aby siła wstępnego sprężenia śrub była wystarczająca do zapewnienia odpowiedniej sztywności połączenia, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpiecznej eksploatacji. W artykule przedstawiono analizę wpływu siły wstępnego sprężenia śrub w połączeniu doczołowym na ugięcie stalowej belki dwuteowej oraz rozkład naprężeń. Przeprowadzono analizę numeryczną metodą elementów skończonych dla standardowego połączenia doczołowego z różnymi siłami wstępnego sprężenia śrub w zależności od wykorzystania granicy plastyczności śrub. Wyniki wykazały, że połączenie w zależności od wartości dobranej siły wstępnego sprężenia śrub nie zachowuje się liniowo, natomiast im większa siła, tym połączenie jest sztywniejsze.

Słowa kluczowe

EN

steel structure; bolted connections; connection capacity; FEM analysis; end plate joints

PL

konstrukcja stalowa; połączenie doczołowe; nośność połączeń; analiza MES; połączenie skręcane

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej. Budownictwo
• Rocznik: 2023
• Tom: Z. 29 (179)
• Strony: 104--112
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Palacz Przemysław

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Civil Engineering, ul. Akademicka 3, 42-218 Częstochowa, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2040-3494

Bibliografia

• 1. Palacz P., Major I., Strengthening the existing connection of steel beams with a column, MATEC Web Conference, 2020, DOI: 10.1051/matecconf/202031300032.
• 2. Kozłowski A., Steel Structures, Calculation examples according to PN-EN 1993-1, Publishing House of the Rzeszow University of Technology, Rzeszow 2010 (In Polish).
• 3. Kontoleon M.J., Kaziolas D.N., Zygomalas M.D., Baniotopoulos C.C., Analysis of steel bolted connections by means of a nonsmooth optimization procedure, Computers & Structures 2003, DOI: 10.1016/S0045-7949(03)00311-0.
• 4. Hołata E., Tucki P., Innovative end-plate bolt connections of steel I-beams. Builder 2020, DOI: 10.5604/01.30 01.0013.8798 (In Polish).
• 5. Pisarek Z., Calculation of obliquely bent end-plate bolt connections, Journal of Civil Engineering, Environment and Archtecture 2023, 219-229 (In Polish).
• 6. Rykaluk K., Metal constructions., Part I, Lower Silesian Educational Publishing House, Wroclaw 2016 (In Polish).
• 7. Tkaczyk Ł., Investigations of selected end-plate bolt connections with imperfections, Doctoral dissertation, Faculty of Civil Engineering, Krakow University of Technology, Krakow 2018 (In Polish).
• 8. Biegus A., Load capacity limit of bolt end-plate joints with geometric imperfections, Publishing House of the Wrocław University of Science and Technology, Wrocław 1998 (In Polish).
• 9. Augustyn J., Łaguna J., Śliwka W., Tests of prestressed end-plate joints of I-beams, Engineering and Construction 1982, 293-296 (In Polish).
• 10. Hotała E., Rykaluk K., Pasternak H., The impact of the quality of prestressed bolt connections on the safety of steel halls, 19th Scientific and Technical Conference, Szczecin-Międzyzdroje, May 19-22, University Publishing House of the Szczecin University of Technology, 1999, 601-608 (In Polish).
• 11. Biegus A., Efforts of bolt end-plate joints with geometric imperfections, Steel Structures 2000, 41-44 (In Polish)
• 12. Puthli R., Fleischer O., Investigations on bolted connections for high strength steel members, Journal of Constructional Steel Research 2001, 57, 3, 313-326, DOI: 10.1016/S0143-974X(00)00017-1.
• 13. Jiang Ch., Xiong W., Cai C.S., Zhou X., Zhu Y., Zhu Y., Parametric study on fatigue behavior of steel friction connections in shear, Journal of Constructional Steel Research 2023, 207, 107951, DOI: 10.1016/j.jcsr.2023.10 7951.
• 14. Jiang Ch., Xiong W., Cai C.S., Zhou X., Zhu Y., Corrosion effects on the fatigue performance of high-strength bolted friction connections, International Journal of Fatigue 2023, 168, 107392, DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107392.
• 15. Nie S., Wang H., Yang B., Cheng Z., Ye X., Chen Z., Corrosion-induced mechanical properties of shear bolted connections in high strength weathering steel, Thin-Walled Structures 2023, 190, 111013, DOI: 10.1016/ j.tws.2023.111013.
• 16. Hanus F., Zilli G., Franssen J.-M., Behaviour of Grade 8.8 bolts under natural fire conditions – Tests and model, Journal of Constructional Steel Research 2011, 67, 8, 1292-1298, DOI: 10.1016/j.jcsr.2011.03.012.
• 17. Wang W., Fang H., Zhang L., Experimental and numerical studies on the behavior of high strength steel shear connections at elevated temperatures, Fire Safety Journal 2023, 139, 103820, DOI: 10.1016/j.firesaf.2023.10 3820.
• 18. Chen Z., Wang W., Wang Z., Experimental study on high-strength Q460 steel extended end-plate connections at elevated temperatures, Journal of Constructional Steel Research 2023, 200, 107686, DOI: 10.1016/j.jcsr.20 22.107686.
• 19. CEN. PN-EN 1993-1-1 Euro Code 3 Design of steel structure – Part 1-1: General rules and rules for buildings, European Committee for Standardization, 2006 (In Polish).
• 20. CEN. PN-EN 1993-1-8 Euro Code 3 Design of steel structure – Part 1-8: Design of joints, European Committee for Standardization, 2006 (In Polish).
• 21. https://mesco.com.pl/nowy-dodatek-act-bolt-assessment-inside-ansys [Date of access: 15.10.2023].
• 22. https://www.bossard.com/pl-pl/assembly-technology-expert/informacje-techniczne/kalkulatory-i-konwert ery-online/torque-and-preload-calculator [Date of access: 15.10.2023].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).