Διερεύνηση της συμπεριφοράς κοχλιωτών συνδέσεων κοίλων διατομών μέσω μετωπικών πλακών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς κοχλιωτών συνδέσεων κοίλων διατομών, που υποβάλλονται σε εφελκυσμό, μέσω μετωπικών πλακών. Πιο συγκεκριμένα, μας ενδιαφέρουν οι συνδέσεις κοίλων διατομών τετραγωνικού σχήματος (SHS). Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μία εισαγωγή στις κοχλιωτές συνδέσεις των μεταλλικών κατασκευών. Αρχικά, παρουσιάζονται γενικά οι συνδέσεις μιας σιδηράς κατασκευής και οι κατηγορίες των κοχλιωτών συνδέσεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται βασικά στοιχεία περί κοχλιών και εξαρτημάτων αυτών. Μετά από αυτό, επικεντρωνόμαστε στις συνδέσεις εφελκυσμού, όπου αναφερόμαστε στις αντοχές των κοχλιών και στις κατηγορίες των συνδέσεων εφελκυσμού και γίνεται μία περιγραφή της δύναμης επαφής που εμφανίζεται στις εν λόγω συνδέσεις. Τέλος, γίνεται μία σύντομη αναφορά στην αποκατάσταση συνέχειας των μελών των μεταλλικών κατασκευών καθώς και στις κοίλες διατομές. Στο δεύτερο κεφάλαιο, επιχειρείται μία θεωρητική προσέγγιση της συμπεριφοράς σύνδεσης εφελκυσμού κοίλης τετραγωνικής διατομής, μέσω μετωπικών πλακών συνδεδεμένων με τέσσερις κοχλίες. Αρχικά, αναφερόμαστε σε κάποια βιβλιογραφικά ευρήματα σχετικά με το προαναφερόμενο θέμα. Σε ένα από αυτά γίνεται μία κατηγοριοποίηση της συμπεριφοράς της σύνδεσης που μας ενδιαφέρει, ανάλογα με το σχηματισμό ή όχι γραμμών διαρροής στις μετωπικές πλάκες. Στη συνέχεια, γίνεται μία προσπάθεια απλοποίησης των μοντέλων της βιβλιογραφίας, ώστε να προσαρμοστούν στο θέμα της σύνδεσης εφελκυσμού, κάτι το απλούστερο και πιο ξεκάθαρο από αυτό της καμπτόμενης σύνδεσης. Εξάγουμε, λοιπόν, εξισώσεις που δίνουν την τιμή της αντοχής της σύνδεσης σε κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες συμπεριφοράς της σύνδεσης. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται αρχικά γενικά στοιχεία για την μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων και για το ABAQUS, το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκε για τις αναλύσεις της παρούσας εργασίας. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στα τρισδιάστατα εξαεδρικά στοιχεία (solid) και στα στοιχεία κελύφους (shell) και ακολουθεί επίλυση σύνδεσης εφελκυσμού δύο γωνιακών με έναν κοχλία με τους δύο τύπους στοιχείων τους οποίους και συγκρίνουμε. Εφόσον διαπιστώσουμε ότι η επίλυση με πεπερασμένα στοιχεία κελύφους επαρκεί, τα χρησιμοποιούμε για την επίλυση της σύνδεσης εφελκυσμού κοίλης διατομής μέσω μετωπικών πλακών, συνδεδεμένων με τέσσερις κοχλίες, για διάφορες τιμές του λόγου πάχους πλακών προς διάμετρο κοχλιών και για διάφορα μεγέθη κοχλιών. Τέλος, γίνεται μία σύγκριση των αποτελεσμάτων της αριθμητικής ανάλυσης με τιμές αντοχής που προέκυψαν από τις αναλυτικές σχέσεις του δευτέρου κεφαλαίου και παρουσιάζονται οι τιμές της δύναμης επαφής για κάθε σύνδεση που αναλύθηκε. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας καθώς και προτάσεις για περαιτέρω διερεύνηση.

The subject of the present diploma thesis is the study of the behavior of bolted tension end plate connections joining hollow sections. More precisely, we are interested in connections joining square hollow sections (SHS). The first chapter presents an introduction to bolted connections in steel structures. Firstly, we present the connections in a steel structure in general and the classification of bolted connections. Furthermore, we present basic features of bolts and their fittings. After this, we focus on tension connections, where we refer to bolt resistances and the classification of tension connections and the definition of prying force takes place, a force which appears in such connections. Finally, a brief reference on beam connections and hollow sections takes place. The second chapter attempts to theoretically approach the behavior of bolted tension end plate connections joining square hollow sections using four bolts. Firstly, we present some researches we found about the connection we are interested in. One of these researches classifies the behavior of our connection according to the formation or not of yield lines on the end plates. Moreover, we try to simplify the models we found, in order to adjust them to the case of tension connections, something simpler and clearer than this of moment connections. As a result, we established equations to calculate the connection resistance in each one of the connection behavior categories. The third chapter presents, first of all, general characteristics of the finite element method and ABAQUS, the finite element software used in the analyses. Furthermore, we refer to solid and shell elements and we run finite element analysis for double angle tension connection using one bolt with the two different element types, which we compare. When we make sure that the finite element analysis with shell elements is sufficient, we use them to analyze the bolted tension end plate connection joining hollow section using four bolts, for different values of the ratio of plate thickness to bolt diameter and different bolt diameters. Finally, a comparison between numerical analysis and analytical solution, from the second chapter, as well as a presentation of connections’ prying force take place. The fourth chapter presents the conclusions of the diploma thesis and proposal for further research.