Parametryczna analiza podatności śrubowych styków doczołowych dwuteowych belek stalowych metodą elementów skończonych

Dokładność obliczeń sił wewnętrznych w układach prętowych można zwiększyć uwzględniając rzeczywistą sztywność połączeń. Charakterystyki połączeń można wyznaczyć wykonując obliczenia komputerowe z wykorzystaniem modeli MES. W referacie przedstawiono analizę styków belek wykonaną metodą elementów skończonych. Celem analizy było uzyskanie krzywych moment zginający – kąt obrotu. Po utworzeniu modelu MES wykonano obliczenia śrubowych styków doczołowych dwuteowych belek walcowanych. Przyjęto kształt styków i ich wymiary w sposób typowy dla styków belek stropowych. Modele styków utworzono wykorzystując program metody elementów skończonych ADINA. Program ADINA umożliwia uwzględnienie nieliniowości materiałowych i geometrycznych oraz modelowanie stref kontaktowych wraz z wpływem tarcia. Spełnia więc wszystkie podstawowe wymagania, aby z jego pomocą analizować doczołowe połączenia śrubowe. Największym problemem przy modelowaniu połączeń doczołowych jest stworzenie wystarczająco dokładnego modelu śruby. Dużą trudność stanowi modelowanie gwintu śruby i nakrętki w obszarze ich kontaktu. W użytym modelu do wykonania prezentowanej analizy śrubę modelowano tak, aby jej podatność przy obciążeniach osiowych odpowiadała podatności śrub określonej na podstawie badań eksperymentalnych. Wymagało to dostosowania parametrów modelu materiałowego w obszarze kontaktu gwintów śruby i nakrętki. Model utworzono w sposób umożliwiający łatwą zmianę parametrów geometrycznych i materiałowych charakteryzujących połączenie. Wykonano obliczenia styków belek wykonanych z dwuteowników IPE240, IPE270 i IPE300, stal S235. Grubości blach doczołowych wynosiły 12 i 20mm, w styku zastosowano po cztery śruby M20 klasy 10.9 bez wstępnego sprężenia i w pełni sprężone. Wartość maksymalnego sprężenia ustalono zgodnie z zaleceniami Eurokodu. Zamieszczono podstawowe wyniki obliczeń pozwalające na ich praktyczne zastosowanie: wykresy krzywych moment zginający – kąt obrotu. Wyniki można wykorzystać w zaawansowanych obliczeniach statycznych belek uwzględniających podatności połączeń.

---

The accuracy of analysis of structures consisted of beams and columns can be increased by considering a real rigidity of connections. Characteristic of the joints can be found using FEM models. The bjective of the analysis was to find moment-rotation curves. The analysed splices were shaped considering typical recommendations for such connections. A computer model was developed using finite element program ADINA. The program ADINA enables considering of material and geometrical nonlinearities and modelling contact regions between components of the connection with the influence of friction, so it can be use to model bolted connections. Three dimensional finite elements were used to model I-beams, end-plates and bolts. A big problem in FEM modelling of bolted connections is creation of accurate enough model of bolts. It pertains modelling of the threads in the contact zone. The principal criterion for modelling of bolts was obtaining compliance with the results of experimental test of bolts subjected to axial loads. This involved adapting the material model parameters of the threads of the screw and the nut in the contact zone. The FEM model can be easy changed in order to consider other dimensions and materials. Results show moment –rotation curves for IPE240, IPE270 and IPE300 I-beams, the thicknesses of end-plates were 12mm and 20mm. Considered elements were made of S235 steel, M20 bolts of class 10.9 were used. Analysis was done for non-preloaded and preloaded bolts. The results can be used in advanced structural analysis of beams and frames.