Κοχλιωτές Μετωπικές Συνδέσεις μεταξύ Κοιλοδοκών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση μετωπικών κοχλιωτών συνδέσεων μεταξύ κοίλων διατομών που υποβάλλονται σε εφελκυσμό, με μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήσαμε τις συνδέσεις κοίλων διατομών τετραγωνικού σχήματος(SHS). Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στις κοχλιωτές συνδέσεις των μεταλλικών κατασκευών. Παρουσιάζονται γενικά οι συνδέσεις μιας μεταλλικής 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 μια περιγραφή της δύναμης επαφής που εμφανίζεται στις εν λόγω συνδέσεις. Τέλος γίνεται μια σύντομη αναφορά στην αποκατάσταση συνέχειας των μελών των μεταλλικών κατασκευών καθώς και στις κοίλες διατομές. Στη συνέχεια επιχειρείται μια 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 μια κατηγοριοποίηση της συμπεριφοράς της σύνδεσης που μας ενδιαφέρει, ανάλογα με το σχηματισμό ή όχι γραμμών διαρροής στις μετωπικές πλάκες. Έπειτα γίνεται μια προσπάθεια απλοποίησης των μοντέλων της βιβλιογραφίας ώστε να προσαρμοστούν στο θέμα της σύνδεσης εφελκυσμού, κάτι το απλούστερο από αυτό της καμπτόμενης σύνδεσης Εξάγουμε λοιπόν εξισώσεις που δίνουν την τιμή της αντοχής της σύνδεσης σε κάθε μια από τις παραπάνω κατηγορίες συμπεριφοράς της σύνδεσης. Προχωρώντας παρουσιάζονται 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). Ακολούθως γίνεται η προσομοίωση πέντε διαφορετικών πειραμάτων με διαφορετικά κάθε φορά δεδομένα χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα εξαεδρικά στοιχεία. Διαπιστώσαμε ότι η επίλυση με πεπερασμένα τρισδιάστατα εξαεδρικά στοιχεία προσεγγίζει με μεγάλη ακρίβεια τις πειραματικές τιμές. Έτσι επιλέξαμε την διακριτικοποίηση που μας οδηγούσε στα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα. Ακολούθως έγινε επίλυση σύνδεσης εφελκυσμού κοίλης διατομής μέσω μετωπικών πλακών, συνδεδεμένων με τέσσερις κοχλίες, για διάφορες τιμές του λόγου πάχους πλακών προς τη διάμετρο κοχλιών και για διάφορα μεγέθη κοχλιών. Στη συνέχεια γίνεται η προσομοίωση σύνδεσης οχτώ κοχλιών τόσο τετραγωνικής όσο και κυκλικής διάταξης για δεδομένο μέγεθος κοχλιών και για διάφορες τιμές του λόγου πάχους πλακών προς τη διάμετρο κοχλιών και σύγκριση των αποτελεσμάτων. Έπειτα στη κυκλική διάταξη των οχτώ κοχλιών προσθέτουμε ενισχυτικά ελάσματα για να βελτιστοποιήσουμε ακόμη περισσότερο τη συμπεριφορά της σύνδεσης Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας.

The purpose of this thesis is to study the behavior of frontal connections between hollow sections using FEM analysis. More precisely, we have focused on connections joining square hollow sections (SHS). The first chapter is a brief introduction to bolted connections in steel structures. Specifically, there is a presentation of the connections in a steel structure and their classifications. Furthermore the basic features of bolts and their fittings are presented. Then tension connections are examined and more precisely: bolt resistance, classification of tension connections and definition of prying force. Finally, a brief report on beam connections and hollow sections is introduced. In the second chapter we attempt a theoretical approach to the behavior of frontal connections between hollow sections using four bolts. Hence research regarding this subject is displayed. The main part of this research classifies the behavior of this connection according to the formation or not of yield lines on the end plates. Moreover we try to simplify the models in order to adjust them to the case of tension connections. The outcome is equations that give the connection resistance in each one of the connection behavior categories. In the beginning of the third chapter we present general characteristics of the finite element analysis and ABAQUS (the software used in our thesis). Furthermore we refer to solid and shell elements. After this we run finite element analysis for five different experiments with different data each time using solid elements. Since the results of this analysis with solid elements are sufficient, we choose the mesh that optimizes the outcome. Thereafter we elaborate on frontal connections between hollow sections using four bolts, for different values of the ratio of the plate thickness to bolt diameter and different bolt diameters. Then we simulate on ABAQUS connections of eight bolts in rectangular and circular pattern for specified bolt diameter and different values of the ratio of the plate thickness to bolt diameter. Moreover at the circular bolt pattern we add stiffeners in order to optimize the behavior of the connection. Finally, the fourth chapter presents the conclusions of the thesis.