Analiza rozkładu sił w śrubach w doczołowym połączeniu belki ze słupem

• Autorzy: Ostrowski Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0055.1597

Warianty tytułu

EN

Analysis of the force distribution in bolts of a beam-to-column end-plate connection

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wyniki analizy numerycznej wybranej konfiguracji śrubowego połączenia doczołowego belki ze słupem, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu modelu zniszczenia na wartości i rozkład sił osiowych w śrubach. Przedstawiono definicję zdolności do obrotu węzła opartą na kryterium maksymalnej wartości siły, jaką może przenieść śruba w badaniu laboratoryjnym. Dla uśrednionej maksymalnej wartości sił w śrubach (śruby M20, kl. 10.9) przyjęto współczynnik redukcyjny γBT o wartości 0,90 w celu wyeliminowania odkształceń plastycznych. Wartość siły γBT = 240 kN została przyjęta jako referencyjna do wyznaczenia kąta granicznego φu. Analizie poddano połączenie słupa o przekroju HEB500 w konfiguracji z belką o przekrojach: HEA280, HEA300, HEA320, HEA340, HEA360 oraz HEA400. W tej konfiguracji wykonano analizę numeryczną z zastosowaniem blachy czołowej o grubości tp równej 12, 15 i 20 mm. Do budowy modelu numerycznego wykorzystano wyniki uzyskane w procedurze dostrajania modeli numerycznych opartej na wieloetapowej walidacji hierarchicznej. Analiza rozkładu sił w śrubach dla trzech różnych grubości blach czołowych (20, 15 i 12 mm) pozwoliła szczegółowo ocenić wpływ sztywności węzła na efektywność przenoszenia obciążenia przez poszczególne rzędy śrub. W konfiguracjach charakteryzujących się dominującym uplastycznieniem płyty czołowej oraz znaczną rotacją sprężysto-plastyczną obserwuje się korzystną redystrybucję sił pomiędzy śrubami. Konfiguracje węzłów, które cechują się znaczną nośnością, nie wykazują dużego przyrostu zdolności obrotowej. Są to przypadki, w których decydujące znaczenie ma model zniszczenia spowodowany uplastycznieniem śrub. Wprowadzenie definicji kąta obrotu węzła na podstawie wyników laboratoryjnych badań siły granicznej w śrubie (90% średniej siły zrywającej M20 klasy 10.9, ISO 4014) umożliwiło wprowadzenie obiektywnego kryterium oceny zdolności rotacyjnej połączenia.

EN

The article presents the results of a numerical analysis of a selected configuration of a bolted end-plate beam-to-column connection, with particular emphasis on the influence of the failure model on the values and distribution of axial forces in the bolts. A definition of the joint rotation capacity is given, based on the criterion of the maximum force a bolt can sustain in laboratory testing. For the average maximum force in bolts (M20, grade 10.9), a reduction factor γBT of 0.90 was adopted to eliminate the occurrence of plastic strain. The force value γBT = 240 kN was taken as a reference for determining the ultimate rotation angle φu. The analysis involved a column with a HEB500 cross-section, connected to beams with cross-sections HEA280, HEA300, HEA320, HEA340, HEA360, and HEA400. Numerical simulations were performed using end plates with thicknesses of 12, 15, and 20 mm. The model was built based on the results of a calibration procedure involving multi-stage hierarchical validation. The force distribution in bolts was analyzed for the three different plate thicknesses (20, 15, and 12 mm), allowing for a detailed assessment of the influence of joint stiffness on the load transfer efficiency by individual bolt rows. In configurations characterized by dominant end-plate yielding and significant elastic-plastic rotation, a favorable redistribution of forces among bolts is observed. Connections that exhibit high load-bearing capacity do not show significant increases in rotation capacity. These are cases where the failure mode, governed by bolt yielding, becomes the decisive factor. The introduction of a joint rotation angle definition, based on laboratory test results of the ultimate bolt force (90% of the average failure load for M20 bolts, grade 10.9, ISO 4014), enabled the establishment of an objective criterion for evaluating the rotation capacity of the connection.

Słowa kluczowe

PL

rozkład sił; śruba; połączenie doczołowe; zdolność do obrotu; walidacja hierarchiczna; metoda elementów skończonych

EN

force distribution; bolt; butt joint; rotation capacity; hierarchical validation; finite element method

• Wydawca: Fundacja Polskiego Związku Inżynierów i Techników Budownictwa
• Czasopismo: Inżynieria i Budownictwo
• Rocznik: 2025
• Tom: R. 81, nr 3
• Strony: 222--229
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., il.

Twórcy

autor

Ostrowski Krzysztof

• MTA Engineering sp. z o.o.

• https://orcid.org/0000-0003-1416-1019

Bibliografia

• [1] PN-EN 1993-1-8:2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-8: Projektowanie węzłów.
• [2] Agerskov H.: High strength bolted connections subjected to prying. Journal of the Structural Division 102. 161-175, 1976.
• [3] Ostrowski K., Kozłowski A.: Hierarchical validation of FEM models. XIV International Scientific Conference Rzeszów-Lwów-Koszyce, Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, 62 (4/15): 357-367. Rzeszów, 2015.
• [4] Ostrowski K., Kozłowski A.: Analiza czynnikowa zdolności do obrotu użebrowanego połączenia doczołowego belki do słupa. Budownictwo i Architektura, 2014, 13.3: 267-274.
• [5] Mijar A., Arora J.: An augmented Lagrangian optimization method for contact analysis problems, 1: formulation and algorithm. Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 28, no. 2-3, pp. 99-112. 2004.