分析研究常见的硬钢连接在热的影响

文摘

最重要的一个钢结构的连接区域连接连接。刚性连接钢框架时刻有特殊作用的行为,这些结构的耐火这些连接可能是重要的。摘要三种常见类型的刚性连接的行为在伊朗的影响研究的热量数值有限元方法通过有限元分析软件的使用。模型验证了使用一个实验模型通过弹性和塑料振幅崩溃在数值结果,以及大变形非线性地区的影响也被认为是。结果表明,与端板连接有一个更好的性能对热比其他连接。也减少了刚度和侧向屈曲连接不到其他连接。

1。介绍

钢结构是由相互连接的梁、柱连接和连接负责将部队从连接连接和承受这些力量。为了计算和设计的连接许多设计师认为简单或刚性连接。虽然这些简化的分析和设计非常简单的事实上,这些连接的刚性的行为总是这个极限之间的一个值;例如,大多数认为是简单的连接有坚硬的转动刚度和刚性连接也不灵活。这种设计方法可以适合在室温下的连接模式,但是,当火灾发生时,关节变化和他们的行为对结构的行为有更大的影响,如果在这种情况下这个连接行为治疗不当,设计信用结构可能灭绝,造成严重破坏。事故发生后在空中飞机撞向世贸中心的双子塔,尽管这些建筑设计了非常沉重的加载和显示抵抗巨大的飞机的碰撞,但表现不佳的热爆炸之后,塔倒塌。在过去,许多研究人员研究了钢结构火和热的影响,他们的研究结果是几个实验室检测,但是由于这些测试的成本和缺乏完整的实验室设施的使用数值方法已不可避免。Saedi Darian et al。1- - - - - -3)进行了简单的实验与座椅角度,在焊接和螺栓。劳森(4研究火灾下钢的刚性连接。他的研究结果表明,与混凝土共同行为覆盖地区提高对火灾的连接。Rahnavard et al。5)数字检查与端板连接的刚性连接钢和解释热建模通过有限元分析软件。

Selamet和Garlock6)利用数值模拟研究了钢的简单连接。他们的研究表明,螺栓孔的直径的耐久性是非常重要的行为简单的连接。Kalogeropoulos et al。7)通过有限元分析有限元软件建模螺栓刚性连接板与端板和机械载荷等参数的影响,评估螺栓强度、摩擦系数、螺栓的孔。

瓦尔德et al。8多次实验模型的刚性端板连接和失效模式和转变相比这些模型梁的中心的。Kruppa [9)使用一个实验研究对几种类型的钢关节在升高的温度下显示失败的钢构件的高强度螺栓。在伯吉斯研究[6),使用显式动态规划求解。其他研究项目涉及的研究火灾的冷却阶段(10),以及实现人工神经网络的火灾下钢的应力-应变关系的描述(11]。

本研究考察了常见的刚性连接钢在热的影响并比较这些连接从变形的角度,旋转,和刚度。

2。相互作用理论

单方面与库仑摩擦接触被认为是在扩展端板和列之间的接口法兰和允许可能分离的连接部分。接口的每一点基本的单边接触机制可以没有突破所描述的不平等,带有不平等,以及互补,非此即彼的关系,表明分离接触力为零或压接触力为零间隙出现。产生的非光滑结构分析问题的形式非线性互补问题。切线方向的一个类似的非此即彼的变结构行为有关出现粘滑运动的影响。特别是,切线方向的行为被定义为一个静态版本的库仑摩擦定律。两接触表面开始滑动界面的剪切应力达到临界值 在哪里和剪切应力和接触压力在一个给定的点的接触表面,分别和摩擦系数。有两个可能的方向滑动的一个接口,所以根据这个方向可以积极或消极的。原则上,没有滑动(条件)。然而,对于目前的计算方案的数值实现,摩擦约束与刑罚执行方法。在这个方法一个小滑动(约0.5毫米)是允许的,直到剪切应力变得非常关键,等于。执法的接触约束(在相应界面的法线方向),拉格朗日乘数方法被使用。还“硬接触”用于定义交互属性在正常的方向。除了硬触点允许两个表面分开。上述数值方案已经在这里使用有限元分析计算机程序实现。

3所示。介绍细节和建模的假设

在本研究中利用有限元法三种类型的钢铁刚性连接模型。这些模型包括螺钉与端板连接:连接螺栓盖板梁和梁和柱螺栓T形接头。建模是三维形式在实际规模使用有限元分析软件和变形的非线性区域。几何形状和边界条件是基于实验室样品由瓦尔德et al。8]。梁的柱的高度和长度分别为2.4和5.7 m,分别在本研究建模的梁的长度的一半。梁和柱部分模型,分别是IPE300和HEA300。

也为所有螺栓连接螺栓已经使用8.8米。简化和减少数值计算,混凝土板可以在实验室的样品不是模仿,而是作为一个巨大的负担梁的影响和限制的上法兰梁已经考虑。20 KN的集中载荷在700毫米的距离进入中跨梁凸缘。图1显示了边界条件和几何实验室样品和图2显示了梁和柱部分和图3显示连接的详细信息。

加载,结构首先是在重力负载下(重量的结构和垂直载荷),然后连同这些负载温度逐渐进入梁和连接接头区域。如图4所示,热量进入模型的两个地区。范围的热应用于各种组件的结构是可变的。图5显示了热负荷的各种组件结构。为了验证模型的可行性,刚性端板连接的模型是基于实验室工作的8在有限元分析软件和模型分析的结果与实验室结果进行比较。

定义材料属性的图所使用的应力-应变在弹性和非弹性的心情。应该指出的是,弹性模量和弹性和塑料特性随温度改变变量和论文修改已定义的软件;钢的硬度塑料地区被认为是各向同性。对梁的特征部分,列和板钢388 MPa的屈服应力和极限应力485 MPa。也为螺栓钢600 MPa的屈服应力和极限应力800 MPa。数值模型与端板螺栓刚性连接的图所示6(一)。网这个联合C3D8T元素被使用,在这个元素有八个节点,每个节点有三个自由度。还该元素使用减少集成,极大地减少了大小的数学计算。接触模拟有限元分析软件可以使用地对地接触,进行3 d元素。的滑动表面上彼此可以考虑使用这些元素,没有渗透在加载过程中发生。连接的接触表面之间的摩擦建模使用经典的库仑摩擦模型的系数为0.2,还硬触点用于模拟正常接触属性(表1)。

图6的特写镜头显示网格研究的关节。这些连接都是为相同的锚(梁)的能力。分析这些模型,静态分析的夫妇使用temperature-displacement适合热分析问题。

验证数值模型的适应的跨距中点的位移图和实验室样品和数值模型的失败与端板螺栓连接(使用数字7和9)。根据图7可以看出跨距中点的位移的数值模型与实验室样品具有良好的匹配。图8还表明,数值模型的失败更接近于实验室样本。图9显示了梁和联合实验室的垂直位移状态,表明这两个匹配良好。上述结果表明,数值方法可以作为一个可靠的方法。

4所示。结果与讨论

4.1。变形的应力分布和评价

数据10- - - - - -12显示应力分布(·冯·米塞斯标准)在所有模型连接的加热到900°,没有温度(图(a)和图(b)和热不热)。可以看到,在所有加热变形模型不仅仅是没有热模型。在模型与螺栓盖板连接和螺栓T关节(数字11和12),变形发生在附近的低梁法兰盖板。评估数据10来12表明,横向加劲肋的存在在梁的长度可以提高梁的性能与火。

4.2。温度参数对梁的垂直位移

最重要的参数之一,在钢框架的行为转变的中间梁自旋转连接连接直接相关的转变的中间。因为钢铁失去力量对热量迅速,在前面的行为不同的各种大量的温度在这一节的转变的中间梁由于各种大量的温度将讨论。为了实现这一目标,分析了每个连接五热负荷。这些负载包括(1)加热到最高温度为900°C(温度)、(2)联合区域的防火和加热到最高温度为900°C的梁(仅温度对梁),(3)热450°C的最高温度(温度/ 2),(4)热225°C的最高温度(温度/ 4)和(5)分析不加热(没有温度)。

数据13,14,15显示转变图中间的梁模型在热负荷的影响。这项研究的结果对模型表明,变形的梁模型受温度的影响较大,因此,通过减少热量一半,位移的大小减少两倍多。在所有模型除了端板连接,热损失了一半减少梁的中间转移到四倍。这些数据显示如果连接区域是防止热量可以减少大便高达20%。最大位移在所有模型的比较表明,与端板连接螺栓T形接头,分别有最小和最大位移。

4.3。网络的平面外屈曲梁

侧对侧屈曲强度连接地区是连接的最重要的参数之一。数据16- - - - - -18显示的平面外屈曲研究连接。可以看到的连接端板与热会导致光束旋转随着梁长度但屈曲并不发生。然而,对于同等条件下,区域的连接螺栓盖板和螺栓T形接头会导致垂直侧向屈曲梁的web。数据显示17和18可以看出,屈曲梁连接地区的T形接头与盖板连接的两倍多。

4.4。温度Curve-Beam旋转

钢连接应该能够防止火旋转。数据19,20.,21显示的温度图端板连接,连接螺栓盖板和螺栓T形接头。因为它可以看到的旋转连接端板连接,连接螺栓盖板和连接螺栓T形接头,分别增加这样的温度在- 100,350,500°C成倍增长。

4.5。刚度曲线:温度面板区

最重要的参数之一,本研究旨在调查螺栓刚性连接的刚度的影响下的帽子。根据代码3欧元,1.2[一部分12和2部分1.8草案13),联合区域内的质量浓度,连接成员相比,延迟其温度增加,因此建议在火灾条件下关节可以无视。然而,目前的数值结果强调了需要评估钢关节在升高的温度下的行为,因为他们表现出明显的减少的强度和刚度,显然会影响全球响应的结构。连接的刚度计算可以使用下列方程(3]: 在哪里是梁的转动,旋转的列,中间点的水平位移降低法兰梁的梁的中间点网络连接连接,是中间点的水平位移梁的上部法兰连接的梁的中间点网络连接,中间点的水平位移降低法兰梁的中心柱,是中间点的水平位移上法兰梁的中心柱,然后呢是中心到中心的距离梁法兰。图22显示了所需的参数计算连接的刚度。图23显示了图与端板连接的stiffness-temperature先增加然后减少。这个连接的最大刚度发生在40度等于100大型牛顿·米/弧度。这个连接的刚度在100度达到最小值,也就是说,37个大型newtonmeters /弧度。这对钢结构刚度是可以接受的,暴露于火;还为刚度降低的主要原因是由于在初始时刻的增加热量。图24显示了连接stiffness-rotation图固定盖板。可以看到热应用启动时的刚度与螺栓盖失去所以刚度和系统刚度的值在300度达到最小值,也就是说,10 meganewton米/弧度。图25显示了螺栓stiffness-rotation图T形接头,先增加然后减少。这个连接的最大刚度发生在180度的温度等于189 meganewton米/弧度。这个连接的刚度在300度达到最小值,也就是说,62 meganewton米/弧度,在450°C的温度略有增加和保持不变。这刚度非常适合钢结构暴露于火。还通过比较这三个连接的刚度可以明白更多的截面连接连接更好的张力的分布板区发生由于板带的刚度是更多的减少延迟。最小刚度的比例在加热的情况下的最大刚度与端板连接,板盖连接,和T形接头是0.37,0.10,和0.30,分别,这表明,降低刚度小于最大刚度与端板连接。

5。结果

提出了研究结果可以概括如下。

钢连接的建模通过使用数值方法可以显示他们的行为当受到高温的影响。使用静态分析的几个温度、位移导致了一个很好的近似。连接区域和面板区可以减少中间的转换梁20%时对热完全隔离。钢结构的位移主要是因为钢构件暴露于火。与端板连接有更好的性能比其他常见钢连接。

扭转只能发生在所有连接在这个连接发生垂直位移。钢结构极其热敏性和一些连接时热量减少一半的转变的中间梁减少4倍。钢连接的刚度对热量的变化非常敏感,增加热刚度可以大大减少连接。端板连接的热有一个高效的性能和刚度损失小于其他连接。横向弯曲可以发生在一些对高温钢连接。然而,这项研究的结果表明,端板连接只有旋转和没有侧向屈曲。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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