Σχήμα 1: Διάταξη δοκιμίου και όργανα μέτρησης 1 BUILDNET

Transcript

1 Παραμετρική ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων με μετωπική πλάκα χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία Χριστόφορος Δημόπουλος, Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφιος Διδάκτωρ ΕΜΠ Περίληψη Η εν λόγω εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα παραμετρικών αναλύσεων σχετικά με τη συμπεριφορά κοχλιωτών συνδέσεων με προεκτεινόμενη μετωπική πλάκα χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία. Στις αναλύσεις λαμβάνονται υπόψη η μη γραμμικότητα του υλικού, οι γεωμετρικές ασυνέχειες και οι μεγάλες μετακινήσεις. Συγκρίσεις που γίνονται με πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν μια ικανοποιητική συμφωνία με τα αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα. Εκτός αυτών γίνεται σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των ισοδύναμων βραχέων ταυ που προκύπτουν από τον Ευρωκώδικα 3. Στην εν λόγω εργασία γίνεται αρχικά μια συνοπτική περιγραφή του πειραματικού τμήματος του προγράμματος το οποίο αποτέλεσε και ρυθμιστική βάση των αριθμητικών πειραμάτων. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στο υπολογιστικό προσομοίωμα που αναπτύχθηκε για την παραμετρική ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων με προεκτεινόμενη πλάκα. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης, με έμφαση στη μεταβολή του πάχους της μετωπικής πλάκας και του μεγέθους των κοχλιών. Τέλος, γίνονται κάποιες παρατηρήσεις σχετικές με τη μέθοδο των συστατικών μερών που περιγράφεται στον Ευρωκώδικα 3 σχετικά με την αντοχή των συνδέσεων. 2. Πειραματικό πρόγραμμα Το πειραματικό σκέλος της εργασίας πραγματοποιήθηκε στη Σχολή Μηχανικής του Sao Carlos της Βραζιλίας. Τα δοκίμια συναρμολογήθηκαν από δοκούς και υποστυλώματα τα οποία έχουν προκύψει από συγκόλληση ελασμάτων, σύμφωνα με τις οδηγίες Βραζιλιάνικων προτύπων. Ένα τυπικό δοκίμιο φαίνεται στο Σχήμα 1. Στον Πίνακα 1 δίνονται διάφορα στοιχεία των πειραματικών δοκιμίων. Οι κύριες μεταβλητές αυτών των δοκιμίων αποτελούσαν το πάχος της μετωπικής πλάκας και η διάμετρος των κοχλιών. Όλα τα δοκίμια που εξετάστηκαν είχαν μια σταυροειδή διάταξη (Σχήμα 1) στην οποία οι δοκοί μήκους 1.50 m προσκολλούνταν σε ένα κοντό Εδώ και κάποια χρόνια έχει υπάρξει μια αυξημένη τάση μελέτης της συμπεριφοράς των κόμβων σε μεταλλικές κατασκευές, η γνώση της οποίας πέρα από την ορθότερη κατανόηση και μελέτη μιας κατασκευής μπορεί να οδηγεί και σε πιο οικονομικούς σχεδιασμούς. Ο πλέον ενδεικνυόμενος τρόπος μελέτης των συνδέσεων σε ένα κόμβο αποτελεί η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων. Πολλά τέτοια προσομοιώματα με πεπερασμένα στοιχεία έχουν χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή καμπυλών ροπής-στροφής, για τον έλεγχο μεθοδολογιών σχεδιασμού και την εκτίμηση της τοπικής συμπεριφοράς των τμημάτων της σύνδεσης, όπως λόγου χάρη οι μετωπικές πλάκες και οι κοχλίες. Σχήμα 1: Διάταξη δοκιμίου και όργανα μέτρησης 1 BUILDNET

2 του αριθμητικού προσομοιώματος σε σχέση με το πειραματικό. Οι διαφορές που παρατηρούνται οφείλονται σε διάφορους λόγους όπως: (1) ατέλειες οι οποίες αναπόφευκτα εισάγονται στα πειραματικά δοκίμια και (2) η επίδραση των παραμενουσών τάσεων. Σε σχέση με την αρχική δυσκαμψία, σημαντική επιρροή φαίνεται να έχει το επίπεδο προέντασης των κοχλιών. Η επιρροή της προέντασης των κοχλιών φαίνεται με σύγκριση των καμπυλών CT1A-4 και CT1A-4Τ. Το προσομοίωμα CT1A-4Τ δεν περιελάμβανε προένταση κοχλιών. Παρατηρήσεις που έγιναν κατά τα πειράματα έδειξαν μια απώλεια του μεγέθους της προέντασης των κοχλιών. Συνεπώς, η προένταση που λήφθηκε στα υπολογιστικά προσομοιώματα ενδεχομένως δεν επιτεύχθηκε στην πράξη. Στο προσομοίωμα CT1A-4N όπου η προένταση επιβλήθηκε με έλεγχο στρεπτικής ροπής φαίνεται να προσεγγίζει το υπολογιστικό προσομοίωμα καλύτερα όσον αφορά την αρχική δυσκαμψία. 6. Αριθμητικά αποτελέσματα Στον Πίνακα 2 δίνονται οι μορφές παραμόρφωσης των μετωπικών πλακών για ροπή της τάξης των 150kN. Στο Σχήμα 5 δίνονται οι σχετικές μετακινήσεις μεταξύ της μετωπικής πλάκας και του πέλματος του υποστυλώματος στη διατομή AA του δοκιμίου CT1A-1 t p =31.5mm;d b =16.0mm, ενώ στο Σχήμα 6 δίνονται οι σχετικές μετακινήσεις στη διατομή DD. Από τα σχήματα αυτά φαίνεται η διαξονική καμπτική κατάσταση που επικρατεί στη μετωπική πλάκα. Στο Σχήμα 7 γίνεται μια σύγκριση των παραμορφώσεων στη διατομή ΑΑ για ροπές Μ p (117kΝ) και 1.3Μ p (150kΝ) για τα προσομοιώματα CT1A-4 (t p =22.4mm;d b =16.0mm) & CT1A- 1 (t p =31.5mm;d b =16.0mm). Παρατηρείται ότι με μεταβολή του πάχους της μετωπικής πλάκας Σχήμα 4: Καμπύλες ροπής-στροφής για διάφορες εκδόσεις του μοντέλου CT1A-4 μεταβάλλεται και η συνολική συμπεριφορά του κόμβου. Στο προ- Πίνακας 2: Μορφές παραμόρφωσης συνδέσεων και διατομές υπολογισμών Σχήμα 5: Σχετικές μετακινήσεις της διατομής ΑΑ 3 BUILDNET Παραμετρική ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων με μετωπική πλάκα χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία

3 σομοίωμα CT1A-4 παρατηρείται ότι η πάνω παρειά της μετωπικής πλάκας παραμένει σε επαφή με το πέλμα του υποστυλώματος, κάτι το οποίο δεν ισχύει στο προσομοίωμα CT1A-1. Στο προσομοίωμα CT1A-4 παρατηρείται μεγαλύτερη αλληλεπίδραση μεταξύ πλάκας και κοχλιών. Στο Σχήμα 8 δίνεται η μεταβολή της αξονικής δύναμης στους κοχλίες εντός της εφελκυόμενης ζώνης. Η θεωρητική τιμή προκύπτει εάν διαιρέσουμε το σύνολο της εφελκυστικής δύναμης με τον αριθμό των κοχλιών εντός της εφελκυόμενης ζώνης. Παρατηρείται ότι η απώλεια της επαφής της πάνω παρειάς της μετωπικής πλάκας με το πέλμα του υποστυλώματος οδηγεί σε μείωση της διατρητικής τάσης των κοχλιών και σε μια πιο ομοιόμορφη κατανομή της εφελκυστικής δύναμης ανάμεσα στους εφελκυόμενους κοχλίες. Στο Σχήμα 9 δίνονται οι αξονικές δυνάμεις των κοχλιών για το προσομοίωμα CT1A-4. Στο προσομοίωμα αυτό με την λεπτότερη μετωπική πλάκα παρατηρείται μια ανομοιόμορφη κατανομή της εφελκυστικής δύναμης ανάμεσα στους κοχλίες. Την μεγαλύτερη ένταση φαίνεται να αναπτύσσουν οι κοχλίες κάτω από το πέλμα της δοκού. Σχήμα 6: Σχετικές μετακινήσεις της διατομής DD Σχήμα 7: Σχετικές μετακινήσεις διατομή ΑΑ για τα προσομοιώματα CT1A-4 και CT1A-1 Σχήμα 8: Αξονικές δυνάμεις στους κοχλίες προσομοίωμα CT1A-1 7. Μορφές αστοχίας κατά τον Ευρωκώδικα 3 Στο Σχήμα 10 δίνονται οι μορφές αστοχίας των βραχέων ταυ κατά τον Ευρωκώδικα 3. Αυτές είναι: Μορφή 1: Διαρροή της προεκτεινόμενης μετωπικής πλάκας ή του πέλματος του υποστυλώματος κοντά στους κοχλίες. Μορφή 2: Αστοχία κοχλιών μαζί με διαρροή του ελάσματος (μετωπικής πλάκας ή πέλματος υποστυ- Παραμετρική ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων με μετωπική πλάκα χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία BUILDNET 4

4 λώματος). Μορφή 3: Αστοχία κοχλιών. Σχήμα 9: Αξονικές δυνάμεις στους κοχλίες προσομοίωμα CT1A-4 Στο Σχήμα 11 δίνεται η σχετική μετακίνηση της μετωπικής πλάκας στη διατομή BB για τα προσομοιώματα CT1A-1 και CT1A-4. Στον Πίνακα 3 δίνονται οι αντοχές της μετωπικής πλάκας σε κάμψη βάσει του Ευρωκώδικα 3 για τα προσομοιώματα CT1A-1 και CT1A-4. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του Ευρωκώδικα 3, στο προσομοίωμα CT1A-1, η αστοχία προέρχεται από την αστοχία των κοχλιών και στις δυο γραμμές των εφελκυόμενων κοχλιών. Στο προσομοίωμα CT1A- 4 η αστοχία οφείλεται σε αστοχία των κοχλιών στη δεύτερη (κάτω από το πέλμα της δοκού) γραμμή και σε συνδυασμένη αστοχία των κοχλιών μαζί με κάμψη της μετωπικής πλάκας στο επίπεδο της πρώτης γραμμής των εφελκυόμενων κοχλιών. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν επίσης και από τα πειραματικά αποτελέσματα. 8. Συμπεράσματα Κάποια από τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την εν λόγω εργασία είναι: 1) Η προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία μπορεί να προβλέψει τις αλλαγές στην απόκριση των συνδέσεων που οφείλονται σε μεταβολές των γεωμετρικών στοιχείων τους. 2) Οι εκτιμήσεις της αντοχής από τη θεώρηση των βραχέων ταυ βρίσκονται σε καλή ποιοτική συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. Παρόλα αυτά χρειάζονται να γίνουν βελτιώσεις στους κανονισμούς κάτι το οποίο μπορεί να επιτευχθεί και με τη βοήθεια υπολογιστικών προσομοιωμάτων με πεπερασμένα στοιχεία. Σχήμα 10: Μορφές αστοχίας για βραχέα ταυ κατά τον Ευρωκώδικα 3 Σχήμα 11: Σχετικές μετακινήσεις της μετωπικής πλάκας διατομή ΒΒ για τα προσομοιώματα CT1A-1 και CT1A-4 Πίνακας 3: Αντοχή της μετωπικής πλάκας βάσει του Ευρωκώδικα 3 5 BUILDNET Παραμετρική ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων με μετωπική πλάκα χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία

5 Παραμετρική ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων με μετωπική πλάκα χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία BUILDNET 6