Comportarea imbinarilor cadrelor metalice portal

COMPORTAREA IMBINARILOR CADRELOR METALICE PORTAL

1. Introducere

Halele industriale moderne au structura de rezistenta realizata din cadre metalice portal avand sectiuni zvelte de clasa 3 si  Elementele structurale au sectiune variabila in concordanta cu starea de eforturi din elementele componente.

Deoarece in rigla se dezvolta forte axiale de compresiune semnificative, problema stabilitatii este mult mai complexa decat in cazul structurilor multietajate. Daca nu sunt prevazute blocaje laterale, rezistenta la flambaj lateral prin incovoiere rasucire este in general scazuta. Panele de acoperis si riglele de perete in conlucrare cu invelitoare introduc un efect de blocare laterala, dar care este destul de dificil cuantificabil pentru proiectarea curenta.

Imbinarea rigla-stalp la structurile mai sus amintite se realizeaza in general cu placa de capat extinsa, pe capul stalpului (Figura 1).

Figura 1. Imbinare tipica rigla-stalp

Normele de proiectare din Romania trateaza doar verificarea suruburilor solicitate la diferite eforturi (axial, forfecare, incovoiere, combinatii ale acestora), astfel proiectarea unei imbinari se rezuma doar la verificarea suruburilor si anume: verificarea la intindere in tija surubului, verificarea la presiune pe gaura si verificarea la forfecare. Insa pentru verificarea imbinarii ca un ansamblu acest lucru nu este suficient, astfel trebuiesc avute in vedere si elemente care intra in componenta imbinarii: inima si talpile riglei, inima si talpile stalpului, placa de capat. Cele prezentate mai sus nu se refera doar la imbinarile rigla-stalp a cadrelor metalice portal, ci la toate imbinarile realizate cu suruburi. De asemenea in analiza globala a structurii este foarte importanta si rigiditatea initiala a imbinarii, pentru a determina eforturile interne realiste, care pot diferi semnificativ in cazul unor imbinari semi-rigide.

In cadrul programului de cercetare au fost selectate un numar de imbinari, dimensionate in conformitate cu metoda componentelor din EN 1993-1.8, iar in final aceleasi imbinari au fost analizate cu metoda elementelor finite. Rezultate obtinute vor fi comparate si de asemenea vor fi facute cateva comentarii legate de modul de comportare a acestor tipuri de imbinari.

2. Metoda componentelor - generalitati

Metoda componentelor poate fi prezentata ca o aplicatie a binecunoscutei metode a elementelor finite pentru calcularea imbinarilor structurale. Ca o caracteristica a metodei, nodul este considerat ca un tot unitar, si este studiat in consecinta. Originalitatea metodei componentelor consta in a considera orice imbinare ca un set de "componente individuale". In cazul particular al cadrelor metalice portal (imbinare cu placa de capat extinsa, supusa la moment incovoietor si forta axiala) componentele relevante sunt urmatoarele (vezi Figura 2):

• Inima stalpului la tensiune;
• Placa de capat a stalpului la incovoiere;
• Talpa stalpului la compresiune;
• Inima riglei la compresiune;
• Inima riglei la tensiune;
• Placa de capat a riglei la incovoiere;
• Rigidizarile de pe rigla la compresiune;
• Panoul de inima al riglei la forfecare;
• Randul de suruburi din stanga la tensiune.

Figura 2. Identificarea componentelor

Fiecare din componentele prezentate anterior poseda o rezistenta si o rigiditate la compresiune, tensiune si forfecare. Coexistenta catorva componente in cadrul aceluiasi nod (spre exemplu in cazul de fata panoul de inima al riglei, care este solicitat in acelasi timp la compresiune, tensiune si forfecare) poate conduce la interactiunea eforturilor rezultand in final o scadere a rezistentei si rigiditatii pentru fiecare componenta in parte.

Aplicarea metodei componentelor consta in mai multi pasi si anume:

a)     identificarea componentelor pentru imbinarea aleasa;

b)     evaluarea rezistentei si/sau a rigiditatii fiecarei componente in parte (rigiditate initiala, rezistenta de calcul);

c)     asamblarea componentelor in vederea determinarii rezistentei si/sau a rigiditatii pentru

intreaga imbinare.

3. Imbinarile studiate si metodele de analiza

Pentru analiza au fost selectate un numar 3 imbinari. Diferenta dintre imbinarile selectate este data de clasa sectiunii elementelor componente dupa cum urmeaza: J2-3 (stalp si rigla cu talpi de clasa 2 si inima de clasa 3); J2-4 (stalp si rigla cu talpi de clasa 2 si inima de clasa 4); J3-4 (stalp si rigla cu talpi de clasa 3 si inima de clasa 4). Imbinarea a fost extrasa dintr-un cadru avand deschiderea de 18 m si inaltimea de 4 m, dimensionat luand in calcul incarcarile aferente zonei Bucuresti si au fost configurate astfel incat rezistenta si rigiditatea cadrului sa ramana aproximativ la acelasi nivel. Dimensiunile imbinarilor rezultate sunt trecute in Tabelul 1.

Tabelul 1. Dimensiunile imbinarilor analizate.

Suruburile utilizate pentru realizarea imbinarilor sunt M20 gr 10.9, utilizand 8 randuri de suruburi in cazul imbinarilor J2-3 si 9 randuri in cazul imbinarilor J2-4, respectiv J3- Placa de capat utilizata pentru realizarea imbinarilor are grosimea t_p=20 mm in toate cazurile.

Imbinarile au fost verificate in conformitate cu metoda componentelor, rezultand in final capacitatea portanta a imbinarii, tinandu-se cont de influenta diferitelor componente. De asemenea au fost analizate si prin intermediul unor analize elasto-plastice cu MEF, utilizand pentru discretizare elemente de tip shell, iar intre placile de capat au fost utilizate elemente de contact (Figura 3).

Figura 3. Discretizarea imbinarilor pentru analiza MEF

Materialul utilizat atat la verificarea cu metoda componentelor cat si in cadrul analizelor numerice cu element finit este S355 (OL52). In cazul analizelor neliniare elasto-plastice, a fost utilizata o comportare biliniara a materialului, avand limita de curgere de 355 N/mm² (Figura 4). Nodurile au fost incarcate static cu o forta verticala concentrata, la distanta de 2020 mm fata de axa stalpului.

Figura  Curba de material (σ-ε) S355

Rezultatele analizelor

Dupa cum a fost descris si in paragraful precedent, imbinarile au fost analizate prin doua metode si anume: metoda componentelor si analiza neliniara elasto-plastica. Rezultatele obtinute in urma analizarii nodurilor prin intermediul metodei componentelor din EN 1993-1.8, sunt trecute in Tabelul 2.

Tabelul 2. Rezultate metoda componentelor

Din tabelul anterior se poate observa in toate cazurile imbinarile au un comportament semi-rigid, fapt care ar trebui avut in vedere in analiza structurala, in ideea obtinerii unor eforturi si deplasari reale in structura. De asemenea placa de capat la incovoiere este componenta slaba a imbinarilor alese, componenta care influenteaza capacitatea portanta finala a imbinarii.

In urma analizelor neliniare elasto plastice au fost trasate curbele de comportament corespunzatoare fiecarei imbinari, (forta-deplasare), vezi Figura 5. In Tabelul 3 sunt trecute valorile fortelor ultime si elastice corespunzatoare fiecarei imbinare in parte, cat si raportul dintre aceste doua.

Figura 5 reprezinta foarte bine comportamentul imbinarilor sub efectul incarcarilor aplicate static, si totodata scoate in evidenta capacitatile ultime si plastice ale imbinarilor considerate. Capacitatile ultime sunt ceva mai mari decat cele obtinute in urma verificarii cu metoda componentelor.

Figura 5. Curba neliniara F-d

Tabelul 3. Rezultate analiza neliniara

S-a observat ca in toate cele trei cazuri, inainte de cedarea imbinarii, apare o cedare prematura a riglei cadrului (vezi Figura 6). Acest lucru este satisfacator, deoarece in cazul de fata nu trebuie sa ne punem problema cedarii unei componente a imbinarii, ceia ce conduce la concluzia ca imbinarea a fost corect detaliata si dimensionata.

Figura 6. Moduri de cedare

5 Teste experimentale

Pornind de la rezultatele obtinute anterior si utilizand acealeasi imbinari, este in curs de realizare un set de teste experimentale care sa intareasca rezultatele obtinute in urma analizelor efectuate. Testele experimentale se vor realiza (specimenele pentru incercare existand deja) incinta Laboratorului departamentului de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor al Universitatii "Politehnica" din Timisoara. Standul experimental este prezentat in figura urmatoare.

5. CONCLUZII

Industria constructiilor metalice aflandu-se intr-o reala ascensiune, cererea mare de pe piata de hale metalice, cat si lipsa unor prescriptii de proiectare, din normele de calcul romanesti au condus la inceperea unei activitati de cercetare in domeniu la Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor din cadrul Universitatii Politehnica din Timisoara.

Cadrele metalice portal, utilizate in mare masura la realizarea halelor industriale, sunt realizate din placi zvelte prin sudare. Proiectarea cadrelor metalice parter implica forme si detalii structurale diferite de cele utilizate pentru alte tipuri de structuri. Ca rezultat, modul de calcul pentru dimensionarea acestor cadre difera de cel intalnit in proiectarea uzuala a celorlalte tipuri de structuri. Elementele cadrului au sectiuni variabile in concordanta cu distributia momentului de incovoiere in lungul elementului. Pentru aceste tipuri de structuri, calculul plastic nefiind foarte eficient datorita sectiunilor zvelte de clasa 3 si  Daca nu se prevad legaturi inafara planului cadrului rezistenta acestuia la flambaj prin incovoiere rasucire este in general scazuta. Panele de acoperis si riglele de perete pe care reazema acoperisul si peretii din tabla cutata introduc un efect de rigiditate inafara planului, insa este dificil de a cuantifica aceasta valoare a rigiditatii pentru proiectarea ulterioara a cadrului. De fapt normele de calcul nu iau in considerare acest efect. Exista insa recomandari pentru proiectarea acestor tipuri de cadre cu elemente variabile, dar fara a considera efectul benefic al riglelor de perete si panelor de acoperis.

In intreg ansamblul cadrului un rol major este jucat de imbinarile dintre elemente cat si de modul de prindere a stalpului in fundatie. Acesta din urma, daca nu este detaliat corespunzator, genereaza eforturi suplimentare in fundatie care conduc la o dimensionare ne-economica a fundatiilor. Daca in momentul de fata, multi proiectanti de structuri, limiteaza verificarea imbinarilor la efortul maxim de intindere in surub, acest lucru s-a dovedit a fi incorect deoarece in comportarea globala a imbinarii un rol major il joaca si celelalte elemente componente cum ar fi: placa de capat, existenta rigidizarilor, panoul de inima, dar si talpile elementelor componente.

Rezultatul acestui studiu a scos in evidenta eficienta prinderii laterale a cadrului, realizata in practica prin panele de acoperis, riglele de perete si a contrafiselor, in ce priveste stabilitatea globala a cadrelor portal. Acestea impiedica pierderea stabilitatii laterale, care ar putea afecta comportamentul intregului cadru.

Modul de cedare inregistrat este flambaj prin incovoiere-rasucire a riglei sau a stalpului. Pentru a imbunatatii capacitatea portanta a cadrului, ar trebui prevazute contrafise la talpa comprimata a riglei.

Cedarea generala a structurii nu a aparut in nici unul din cazuri, sub incarcari statice, chiar daca au fost inregistrate deplasari mari. In acest caz, starea limita ultima ar putea fi exprimata fie prin raportul de plasticizare al sectiunilor, sau prin limitarea deplasarii verticale inelastice.

In ce priveste capacitatea de disipare, rezultatele scot in evidenta rolul jucat de modul de prindere al stalpului la baza in comportarea seismica a cadrului. Dupa cum este si normal, prinderea rigida a cadrului la baza, confera o mai buna capacitate de disipare. Capacitatea de disipare este de asemenea influentata si de tipul de blocaj lateral, o mai buna legare laterala a cadrului conduce la o capacitate de disipare mai mare.

Valorile factorului q obtinute in cazul tipului de prindere 1 sau superior, indica un comportament disipativ global destul de bun a acestor tipuri de cadre. Articulatiile plastice s-au dezvoltat in sectiunile riglelor constante (trecerea de la sectiune constanta la sectiune variabila), clasa sectiunii in acest caz fiind 2 sau 1. In acest caz pentru exprimarea caracterului disipativ, in proiectarea curenta s-ar putea utiliza un factor de comportare superior valorii de 2 (q>2), maxim admis sectiunilor de clasa 3.

Practic colapsul structurii nu a aparut in nici unul din cazurile analizate, chiar daca au fost inregistrate deplasari mari. In acest caz, starea limita ultima ar putea fi exprimata prin limitarea driftului inelastic.

Rezultatele obtinute confirma valoarea de 1.5 a factorului de reducere a incarcarii seismice propus in draftul final al EN 1998-1. Oricum, daca principiile proiectarii anti-seismice sunt corect aplicate, si structura este bine legata impotriva pierderii stabilitatii prin flambaj cu incovoiere rasucire, redundanta si supra-rezistenta rezultate, ar putea imbunatatii aceasta valoare.

Referitor la comportarea imbinarilor rigla-stalp cu placa de capat extinsa, studiul efectuat a scos in evidenta importanta pe care o are verificarea unei imbinarii in conformitate cu metoda componentelor, ajungandu-se la concluzia ca nu suruburile reprezinta neaparat punctul slab al unei imbinari, ci elementele componente ale imbinarii respective.

In toate cazurile imbinarile au rezultat a avea un comportament semi-rigid si nu rigid cum se considera in mod normal in analiza curenta a unui cadru. Acest lucru ar trebui avut in vedere in proiectarea curenta a unui cadru portal, deoarece starea de eforturi in structura ar putea diferi semnificativ.

De asemenea s-a observat ca cedarea ar putea avea loc in afara imbinarii si anume in vuta riglei, fara a fi afectate componentele imbinarii. Acest lucru s-a intamplat in special in cazul analizelor neliniare elasto-plastice. Rezervele plastice ale imbinarilor sunt influentate in mare masura de zveltetea talpilor si nu a inimii.

6. BIBLIOGRAFIE

ENV 1993-1-1 Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for bulidings, 1992;

L.J. Morris and K. Nakane : Experimental behaviour of haunched member, Instability and plastic collaps of structure, Granada Publishing, 1983;

O. Halasz and M. Ivany : Test with simple elastic-plastic frames, Periodica Polytehnica, Budapest, November 1978;

J.M. Davies : Inplane stability in portal frames, The Structural Engineer, Vol. 68, No. 8, p. 141-147, 1990;

F.M. Mazzolani and V. Piluso: Seismic Design of Resistant Steel Frames, E & FN Spon, London, 1996;

EN 1998-1 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, CEN/TC250/SC8, Draft No 4, December 2001;

D. Dubina, I. M. Cristutiu, V. Ungureanu, Zs. Nagy : Stability and ductility performances of light steel industrial building portal frames, 3^-rd European Conference of Steel Structures, Eurosteel 2002, Coimbra-Portugal;

I.M. Cristutiu : Stability and ductility of pitched roof portal frames for industrial steel buildings, 10^-th European Summer Academy 2002, Advanced study in Structural engineering and CAE, Bauhaus University- Weimar, Weimar, Germania, 29iul. -10 aug., 2002 ;

I.M. Cristitiu : Criterii de proiectare pentru halele metalice cu structurǎ din cadre portal cu elemente cu sectiuni variabile de clase 3 si 4 amplasate in zone seismice. Normative de proiectare. Solutii constructive. Referat nr. 1 in vederea intocmirii tezei de doctorat;

I.M. Cristutiu : Studiul Stabilitatii si ductilitaii halelor metalice usoare cu structuri in cadre. Lucare de disertatie master : Structuri si Tehnologii Noi pentru Constructii

prEN 1993-1-8 Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.8: Design of joints, 2002

STAS 10108/0-78: Calculul elementelor din otel, Instutul roman de standardizare

Jaspart JP. Etude de la semi-rigidite des noeuds pouter-colonne et son influence sur la résistance des ossatures en acier. Phd. Thesis, Department MSM, Université de Liège, 1991