Vooraf gekwalificeerde staalverbindingen (AISC) - Samenvatting, Conclusie en Aanbevelingen

De reeks verificatievoorbeelden werd opgesteld in een gezamenlijk project tussen Ohio State University en IDEA StatiCa. De auteurs worden hieronder vermeld:

• Baris Kasapoglu, Ph.D.-student
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Reduced beam section (RBS) momentverbinding

Één geteste RBS-momentverbinding werd gekozen uit een experimentele studie (Uang et al., 2000) en vijf aanvullende variaties werden gecreëerd. De momentcapaciteiten van zes proefstukken met bezwijkmodi werden geschat volgens de AISC-procedure en met behulp van IDEA StatiCa. Verschillen tussen de berekende capaciteiten (1 - momentcapaciteit door IDEA StatiCa / momentcapaciteit berekend door AISC-procedure) variëren van -3% tot +7%, terwijl het gemiddelde verschil ongeveer 4% bedraagt (Tabel 6.1). Ook werd de moment-rotatierelatie berekend door IDEA StatiCa met behulp van stijfheidsanalyse vergeleken met die uit het testrapport (Figuur 6.1). Het is te zien dat IDEA StatiCa in staat is de bezwijkmodus te identificeren, de momentcapaciteit te berekenen en de moment-rotatiecurve van RBS-momentverbindingen te bepalen.

Tabel 6.1: Buigend momentcapaciteit van RBS-momentverbindingen berekend door IDEA StatiCa en AISC-procedure (ten opzichte van kolomvlak)

Figuur 6.1: Moment (ten opzichte van kolomhartlijn) plastische rotatie vergelijking van RBS-momentverbinding (basismodel)

Lees het volledige verificatievoorbeeldartikel over de Reduced Beam Section

Kopplaat moment (EPM) verbinding

Zes geteste EPM-verbindingen werden beoordeeld volgens de AISC-ontwerpprocedure en met behulp van IDEA StatiCa. Hun momentcapaciteiten en bezwijkmodi werden berekend en vergeleken met de waarnemingen uit het experiment (Sumner et al., 2000). Verschillen tussen de resultaten variëren van -7% tot +11%, terwijl het gemiddelde verschil ongeveer 2% bedraagt (Tabel 6.2). Opgemerkt dient te worden dat het vloeien van de kopplaat de maatgevende grenstoestand is voor variatie 3, waarbij een verschil van 11% wordt berekend, terwijl de onvoldoende lassterkte tussen de kopplaat en het lijf van de ligger de bezwijkmodus is die wordt waargenomen uit de IDEA StatiCa-analyse. Wanneer de las zijn sterktegrens bereikt, wordt 1,9% plastische rek berekend in de kopplaat, wat minder is dan de 5% plastische rekgrens voor platen. Uit dit voorbeeld kan worden afgeleid dat de procedure beschreven in AISC 358 voor de grenstoestand van kopplaatvloeien een conservatiever resultaat geeft dan IDEA StatiCa. Voor het basismodel werd de moment-rotatiecurve verkregen met IDEA StatiCa vergeleken met de experimenteel gemeten curve. IDEA StatiCa toont zijn vermogen om de boutbreukscapaciteit te schatten, inclusief de effecten van wrikkracht op de sterktecapaciteit van bouten en de bijdrage van de kopplaatverstijver op de buigsterkte van EPM-proefstukken. Het verschil tussen de hellingen na vloeien en de kloof tussen de bereikte piekmomentwaarden kunnen respectievelijk worden toegeschreven aan de stijfheidsdegradatie die het proefstuk heeft ondergaan en het bilineaire materiaalmodel dat door IDEA StatiCa wordt gebruikt.

Figuur 6.2: Moment (ten opzichte van kolomhartlijn) plastische rotatie vergelijking van EPM-verbinding (basismodel)

Tabel 6.2: Buigend momentcapaciteit van EPM-verbindingen berekend door IDEA StatiCa en AISC-procedure (ten opzichte van kolomvlak)

Lees het volledige verificatievoorbeeldartikel over de Kopplaat moment (EPM) verbinding

Gelaste onversterkte flens-gelast lijf (WUF-W) momentverbinding 

De momentcapaciteiten en bezwijkmodi van zes geteste WUF-W-proefstukken werden berekend met IDEA StatiCa en volgens de AISC-ontwerpprocedure, en de waarnemingen werden vergeleken met de resultaten van de tests uitgevoerd door Ricles et al. (2000). De bezwijkmodi verkregen uit drie bronnen zijn vergelijkbaar in alle verbindingen, terwijl de momentcapaciteiten berekend met IDEA StatiCa ongeveer 8% groter zijn dan die verkregen uit de AISC-ontwerpprocedure, met uitzondering van het basismodel (Tabel 6.3). De reden dat IDEA StatiCa grotere momentcapaciteiten berekent dan de AISC-procedure voor variaties kan worden geassocieerd met de aanname van de locatie van het plastisch scharnier. Het wordt aanbevolen dit te plaatsen op het kolomvlak door AISC 358 voor WUF-W-momentverbindingen, wat leidt tot een kleiner aanvullend moment door de afschuifkracht op de locatie van het plastisch scharnier in vergelijking met het geval dat het op een afstand van het kolomvlak optreedt. Voor het basismodel toont de IDEA StatiCa-analyse dat het proefstuk zijn capaciteit bereikt wanneer de las tussen het kolomvlak en de lip plaat bezwijkt. Op vergelijkbare wijze geven handberekeningen uitgevoerd volgens de AISC-ontwerpprocedure aan dat de las niet voldoet aan de vereiste sterktegrens. Er is echter geen procedure beschreven door AISC om de momentcapaciteit te berekenen van dit type verbindingen dat wordt bepaald door de las tussen de kolom en de ligger of lip plaat. Opgemerkt dient te worden dat de berekende momentcapaciteit volgens de AISC-procedure is gebaseerd op de plastische momentsterkte van de ligger, hoewel deze verbinding niet is toegestaan te worden ontworpen door AISC omdat niet wordt voldaan aan de sterktevereiste voor de las. Over het geheel genomen is het gemiddelde verschil tussen de momentcapaciteiten berekend door IDEA StatiCa en de AISC-procedure ongeveer 5%. Daarnaast werd een moment-rotatieanalyse uitgevoerd met IDEA StatiCa en ABAQUS voor het basismodel en de resultaten werden vergeleken. De plastische moment-rotatiecurve berekend door IDEA StatiCa werd vergeleken met de gemeten curve verstrekt door de testonderzoekers (Figuur 6.3). Het verschil tussen de hellingen van de curven kan worden toegeschreven aan de stijfheidsdegradatie die het geteste proefstuk onderging tijdens de cyclische belasting. Een andere opmerking die kan worden gemaakt is dat, omdat IDEA StatiCa een bilineair materiaalmodel gebruikt, het rekverstevigsgedrag niet volledig kon worden vastgelegd.

Tabel 6.3: Buigend momentcapaciteit van WUF-W-momentverbindingen berekend door IDEA StatiCa en AISC-procedure (ten opzichte van kolomvlak)

Figuur 6.3: Moment (ten opzichte van kolomhartlijn) plastische rotatie vergelijking van WUF-W-momentverbinding (basismodel)

Lees het volledige verificatievoorbeeldartikel over de Gelaste onversterkte flens-gelast lijf (WUF-W) momentverbinding

Gelaste onversterkte flens-gebout lijf (WUF-B) momentverbinding

Het buiggedrag van vijf geteste WUF-B-proefstukken (Lee et al., 1999) werd onderzocht met in totaal acht modellen met twee verschillende bouttypen: 1) wrijving, 2) drukcontact. Buigend momentcapaciteiten van de proefstukken werden berekend met IDEA StatiCa en volgens de AISC-ontwerpprocedure en vergeleken (Tabel 6.4). Omdat slipkritische bouten kunnen worden ontworpen als voorgedrukte drukcontactbouten als de slipcoëfficiënt van het contactvlak groter of gelijk is aan 0,30 volgens AISC 341 (2016), kunnen de proefstukken met slipkritische bouten (bijv. baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) worden genegeerd bij de momentsterktesvergelijking van IDEA StatiCa en de AISC-procedure. Voor de overige verbindingen variëren de verschillen tussen momentcapaciteiten berekend door IDEA StatiCa en AISC van -18% tot -6%, terwijl het gemiddelde verschil ongeveer 13% bedraagt. De reden dat IDEA StatiCa een conservatievere momentsterkte berekent dan de AISC-procedure kan worden geassocieerd met de zwakke aanhechting tussen het lijf van de ligger en de flens van de kolom. Een nader onderzoek kan worden uitgevoerd door de lip plaat te vervangen door een stompe las langs het lijf van de ligger en een significante verbetering in momentcapaciteit te verkrijgen volgens dezelfde procedure in IDEA StatiCa.

Voor het basismodel werd de plastische moment-rotatie verkregen uit de IDEA StatiCa-analyse en vergeleken met de experimenteel gemeten curve (Figuur 6.4). Opgemerkt dient te worden dat wrijvingsbouten (slipkritisch) worden gebruikt voor de moment-rotatieanalyse, terwijl drukcontactbouten worden gebruikt voor de momentcapaciteitsanalyse. Het verschil tussen de curven kan worden geassocieerd met het gegevensextractieproces. Omdat de gemeten moment-rotatiecurve werd geëxtraheerd uit de figuur in het testrapport, zijn kleine fouten onvermijdelijk. Het verschil in gedrag na vloeien kan worden verklaard door het bilineaire materiaalmodel dat door de software wordt gebruikt.

Figuur 6.4: Moment (ten opzichte van kolomhartlijn) plastische rotatie vergelijking van WUF-B-momentverbinding (basismodel)

Tabel 6.4: Buigend momentcapaciteit van WUF-B-momentverbindingen berekend door IDEA StatiCa en AISC-procedure (ten opzichte van kolomvlak)

Lees het volledige verificatievoorbeeldartikel over de Gelaste onversterkte flens-gebout lijf (WUF-B) momentverbinding

Dubbel-T momentverbinding

Zes geteste dubbel-T-verbindingen werden onderzocht volgens de AISC-ontwerpprocedure en met behulp van IDEA StatiCa. Hun momentcapaciteiten werden berekend en de resultaten werden vergeleken.

Verschillen tussen de resultaten variëren van -9% tot +7%, terwijl het gemiddelde verschil ongeveer 3% bedraagt (Tabel 6.5). Ook werden de bezwijkmodi redelijk goed geschat. Moment-rotatieanalyse werd uitgevoerd via IDEA StatiCa en ABAQUS met twee verschillende bouttypen (bijv. drukcontact, wrijving), omdat het bouttype met trekcontrole niet beschikbaar is in IDEA StatiCa. De curven werden vergeleken met de experimenteel verkregen curve uitgevoerd door Leon (1999) voor het basismodel (Figuur 6.5). Er wordt waargenomen dat de plastische moment-rotatiecurve van het proefstuk, zoals verwacht, valt tussen die berekend uit IDEA StatiCa-analyses voor wrijvings- en drukcontactbouten. Daarnaast werden voorkwalificatiecontroles beschreven in AISC 358 uitgevoerd voor de proefstukken. Voor het basismodel werd een capaciteitsontwerp-analyse uitgevoerd in IDEA StatiCa en vergeleken met die verkregen volgens de AISC-procedure. Er kan worden geconcludeerd dat IDEA StatiCa zeer goed in staat is de momentcapaciteit te berekenen en de bezwijkmodus van dubbel-T-momentverbindingen te bepalen. Bovendien kan worden toegevoegd dat capaciteitsanalyse (bijv. CD) in staat is te bepalen of de verbinding voldoende sterktecapaciteit heeft wanneer een plastisch scharnier optreedt in beide liggers, zoals vereist door AISC 358 voor seismische verbindingen.

Tabel 6.5: Buigend momentcapaciteit van dubbel-T-momentverbindingen berekend door IDEA StatiCa en AISC-procedure (ten opzichte van kolomvlak)

Figuur 6.5: Moment (ten opzichte van kolomhartlijn) plastische rotatie vergelijking van dubbel-T-momentverbinding (basismodel)

Over het geheel genomen is er een goede overeenkomst tussen de momentcapaciteiten en bezwijkmodi verkregen uit tests, IDEA StatiCa-analyse en de AISC-ontwerpprocedure. De aanbevelingen om de software verder te verbeteren worden hieronder vermeld:

• Een nieuw bouttype voor trekgecontroleerde/voorgedrukte bouten kan worden ontwikkeld en aan gebruikers worden aangeboden naast de drukcontact- en wrijvingsbouttypen.
• Krachten die moeten worden toegepast met de optie "belastingen zijn in evenwicht" kunnen worden berekend vanuit IDEA StatiCa voor verschillende staaflengte en randvoorwaarden volgens de voorkeuren van de gebruiker. Op deze manier kan een analyse worden uitgevoerd voor de gewenste conditie zonder andere software of aanvullende handberekening. Met de huidige IDEA StatiCa-versie (d.w.z. v22) werden, om de momentcapaciteit van proefstukken te berekenen, de krachten op de verbinding berekend met SAP2000 door de testopstelling te modelleren (bijv. staaflengte, randvoorwaarden), waarna die berekende krachten werden toegepast in IDEA StatiCa met de optie "belastingen zijn in evenwicht".
• Incrementele belasting kan automatisch en systematisch worden toegepast door IDEA StatiCa en de momentcapaciteit kan worden verkregen zonder dat de belastingen hoeven te worden aangepast en opnieuw te worden berekend
• Voorkwalificatiecontroles kunnen worden uitgevoerd door IDEA StatiCa
• Een betere mesh tool kan worden geïntegreerd in de software
• De weergave van de moment-rotatiecurve kan worden verbeterd/verrijkt door gebruikers tools te bieden om lettertype, kleur en grootte van de grafiek aan te passen.
• Sommige symbolen moeten worden gecorrigeerd/aangepast voor Amerikaanse gebruikers (bijv. θ in plaats van ϕ voor de rotatie volgens AISC)

Lees het volledige verificatievoorbeeldartikel over de Dubbel-T momentverbinding

Lees de volledige studie over vooraf gekwalificeerde verbindingen!