Sprawdzenia normowe połączeń momentowych wstępnie kwalifikowanych wg AISC 358

Zacznijmy od omówienia genezy wstępnie kwalifikowanych połączeń. Po trzęsieniu ziemi w Northridge w Kalifornii w 1994 roku, badania dotyczące sejsmicznej odpowiedzi stalowych układów konstrukcyjnych budynków znacznie się nasiliły w związku z powołaniem konsorcjum SAC Joint Venture, którego celem było „opracowanie wiarygodnych, praktycznych i ekonomicznych wytycznych oraz standardów praktyki w zakresie naprawy lub wzmacniania uszkodzonych stalowych ram momentowych, projektowania nowych budynków stalowych oraz identyfikacji i rehabilitacji zagrożonych budynków stalowych."
Konsorcjum SAC Joint Venture było finansowane przez Federalną Agencję Zarządzania Kryzysowego USA (FEMA) (https://www.sacsteel.org/project/mission.html) 

Wnioski z trzęsienia ziemi w Northridge wykazały, że w kilku stalowych budynkach z ramami momentowymi wystąpiły kruche pęknięcia zapoczątkowane w spawanych złączach półki belki z półką słupa w połączeniach momentowych. Pęknięcia wykazywały różnorodne wzorce i niekiedy rozciągały się na strefy węzłowe słupów.

Te nieoczekiwane kruche pęknięcia były zupełnie odmienne od oczekiwanego zachowania polegającego na ciągliwym plastycznym zginaniu belek w strefach przegubów plastycznych. Tam, gdzie wystąpiły, kruche pęknięcia uniemożliwiły tworzenie się ciągliwych stref przegubów plastycznych. Spowodowały zachowanie ramy zasadniczo odmienne od tego, na którym opierały się wymagania projektowe dla tych układów.

Panel Przeglądu Wstępnej Kwalifikacji Połączeń (CPRP) został powołany przez AISC w 2001 roku w celu opracowania standardu wstępnej kwalifikacji połączeń. Panel, złożony z inżynierów, badaczy, wytwórców i urzędników budowlanych, przeanalizował dane z badań i innych prac badawczych SAC oraz innych podmiotów, aby opublikować pierwsze wydanie AISC 358 w 2005 roku.

Pierwsze wydanie zawierało dane dotyczące wstępnej kwalifikacji oraz procedury projektowania dla trzech typów połączeń. Od czasu tej publikacji z 2005 roku CPRP kontynuował przegląd danych dla dodatkowych technologii połączeń, a najnowsze i aktualne wydanie AISC 358 zawiera obecnie dziesięć typów wstępnie kwalifikowanych połączeń, w tym kilka opatentowanych:

1. Reduced Beam Section (RBS)
2. Bolted Unstiffened and Stiffened Extended End-plate 
3. Bolted Flange Plate (BFP)
4. Welded Unreinforced Flange-Welded Web (WUF-W)
5. Kaiser Bolted Bracket (opatentowane)
6. ConXtech ConXL (opatentowane)
7. Sideplate (opatentowane)
8. Simpson Strong-tie Strong Frame (opatentowane)
9. Double-Tee
10. Slotted Web (opatentowane)

Czym są te wyjątkowe połączenia?

Na podstawie wyników badań SAC Joint Venture główne przyczyny kruchych pęknięć były następujące: geometria połączeń powodowała duże koncentracje naprężeń i ograniczoną zdolność do uplastycznienia, stosowane spoiwa spawalnicze miały ograniczoną ciągliwość, różne granice plastyczności belek i słupów prowadziły do nieprzewidzianych stref osłabienia w węzłach połączeń, a praktyki spawalnicze nie były zgodne z normą spawalniczą AWS Structural Welding Code.

„Zgodnie z zaleceniami SAC Joint Venture, Przepisy Sejsmiczne AISC wymagają, aby połączenia momentowe stosowane w specjalnych lub pośrednich stalowych ramach momentowych były potwierdzone badaniami jako zdolne do zapewnienia niezbędnej ciągliwości. 

Dopuszczalne są dwa sposoby potwierdzenia. Jeden polega na badaniach specyficznych dla projektu, w których ograniczona liczba próbek w pełnej skali, reprezentujących połączenia przeznaczone do zastosowania w konstrukcji, jest wykonywana i badana zgodnie z protokołem określonym w Rozdziale K Przepisów Sejsmicznych AISC. Uznając, że przeprowadzenie takich badań jest kosztowne i czasochłonne, Przepisy Sejsmiczne AISC przewidują również wstępną kwalifikację połączeń, obejmującą rygorystyczny program badań, oceny analitycznej i przeglądu przez niezależny organ – Panel Przeglądu Wstępnej Kwalifikacji Połączeń (CPRP). 

Połączenia zawarte w niniejszym Standardzie spełniły kryteria wstępnej kwalifikacji, gdy są stosowane do układów ramowych zgodnych z ograniczeniami zawartymi w niniejszym dokumencie oraz gdy są projektowane i szczegółowo opracowywane zgodnie z niniejszym Standardem." (Wprowadzenie do Komentarza AISC 358)

Podsumowując, połączenia wstępnie kwalifikowane zgodnie ze Standardem AISC 358 są przeznaczone do wytrzymywania niesprężystych odkształceń przede wszystkim poprzez kontrolowane uplastycznienie w określonych trybach zachowania. Aby uzyskać połączenia zachowujące się we wskazany sposób, konieczne jest właściwe wyznaczenie nośności połączenia w różnych stanach granicznych. Sformułowania nośności zawarte w metodzie LRFD są zgodne z tym podejściem."

Jaki jest aktualny proces projektowania wstępnie kwalifikowanego połączenia AISC? 

AISC 358 zawiera rozdział poświęcony każdemu typowi wstępnie kwalifikowanego połączenia oraz wszystkie niezbędne szczegóły wymagane do spełnienia wymagań normy. W każdym rozdziale podane są wszystkie ograniczenia projektowe oraz przedstawiony jest proces projektowania.

Projektowanie połączenia jest procesem krok po kroku, w którym – w zależności od rodzaju połączenia – rozpoczyna się od doboru geometrii metodą prób i błędów. Następnie wymagane są obliczenia plastycznego wskaźnika przekroju, maksymalnego prawdopodobnego momentu w oczekiwanym przegubie plastycznym, siły poprzecznej oraz momentu plastycznego belki, które należy porównać z nośnością belki.

Główna idea procesu projektowania polega na zaprojektowaniu układu silny słup – słaba belka. W związku z tym należy obliczyć maksymalny moment w miejscu kontrolowanego przegubu plastycznego, zapewniając, że belka ulegnie zniszczeniu przed połączeniem i słupem podczas zdarzenia sejsmicznego.

Opatentowane połączenia mają odmienne metody projektowania, a inżynier zainteresowany ich zastosowaniem musi skontaktować się z właścicielem patentu, aby zrozumieć sposób przeprowadzenia projektowania. 

Badanie wstępnie kwalifikowanych połączeń

W 2023 roku Ohio State University (OSU) przeprowadziło badanie w celu weryfikacji niezawodności metody CBFEM stosowanej w oprogramowaniu IDEA StatiCa przy analizie różnych typów sejsmicznych wstępnie kwalifikowanych połączeń stalowych. 

Celem projektu była ocena zachowania sejsmicznych połączeń momentowych uzyskanych z oprogramowania IDEA StatiCa – z uwzględnieniem nośności, zdolności do obrotu oraz odpowiedzi momentowo-obrotowej. 

Wyniki porównano z sprawdzonymi metodami: równaniami AISC, programem ABAQUS (oprogramowanie MES) oraz wynikami laboratoryjnych badań w pełnej skali.

Badanie wykazało, że IDEA StatiCa jest wiarygodnym narzędziem do obliczania nośności momentowej i przewidywania trybów zniszczenia różnych połączeń stalowych. 

Przeczytaj więcej o badaniu OSU dotyczącym wstępnie kwalifikowanych połączeń.

Jak IDEA StatiCa integruje się z procesem projektowania wstępnie kwalifikowanych połączeń

W IDEA StatiCa zawsze było możliwe modelowanie wstępnie kwalifikowanych połączeń, a modelowanie nie było zbyt skomplikowane, ponieważ dostępne są proste operacje ułatwiające modelowanie, na przykład:

Otwory (do modelowania wycięć w półkach):

Operacja łącznika na kątownik w celu dodania przekrojów teowych po obu stronach:

Płyta czołowa, usztywnienia, poszerzenia: 

Po zamodelowaniu połączenia, typ analizy Capacity Design jest używany do potwierdzenia, że planowany przegub plastyczny tworzy się tam, gdzie został zaprojektowany. Na przykład przegub plastyczny dla połączenia RBS ma tworzyć się w zredukowanym przekroju belki; w przypadku połączenia z blachą kołnierzową na śrubach intencją jest umieszczenie przegubu plastycznego w pobliżu końca blach kołnierzowych. 

Zatem po wybraniu analizy capacity design w IDEA StatiCa należy wskazać element dyssypacyjny, w którym ma się tworzyć przegub plastyczny. Połączenie i słup są elementami niedyssypacyjnymi, które muszą pozostać bez znaczących odkształceń. Belka jest obciążana w sposób niezbędny do wytworzenia przegubu plastycznego w belce z prawdopodobną granicą plastyczności i odpowiadającą siłą poprzeczną.

Podczas wykonywania analizy nośność materiału elementu dyssypacyjnego jest zwiększana przez współczynnik nadwytrzymałości (Ry) i współczynnik wzmocnienia (CPr).

IDEA StatiCa Connection sprawdza połączenie pod kątem przyłożonego obliczeniowego obciążenia, które powinno wytworzyć przegub plastyczny w wybranym elemencie dyssypacyjnym. Odkształcenie plastyczne w elemencie dyssypacyjnym powinno wynosić około 5%. Pozwala to potwierdzić, że wielkość i położenie obciążeń zostały prawidłowo wyznaczone. 

Wszystkie nieopatentowane wstępnie kwalifikowane połączenia są objęte obsługą. Należy jednak sprawdzić, czy spełnione zostały limity wstępnej kwalifikacji. Sprawia to, że proces modelowania jest bardzo żmudny, ponieważ w niektórych przypadkach dla każdego połączenia może być ponad 50 sprawdzeń szczegółowych. 

IDEA StatiCa Connection zawiera sprawdzenia szczegółowe wstępnej kwalifikacji dla wymienionych poniżej połączeń, a ponadto dodano szablony połączeń, które pomogą w pracy z już skonstruowanym modelem.

W menu połączenia można wybrać między Special Moment Frame a Intermediate Moment Frame oraz typ projektowanego połączenia. Ma to istotne znaczenie i wpływa na sprawdzenia szczegółowe wyświetlane w raporcie:

Sprawdzenia szczegółowe będą wyświetlane na ekranie modelu podczas pracy nad połączeniem stalowym, dzięki czemu można dowiedzieć się, co należy zmienić przed uruchomieniem analizy. Na koniec sprawdzenia można wydrukować w raporcie. 

Dodatkowe zasoby

Zapoznaj się z naszym tłem teoretycznym dotyczącym capacity design, aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje o funkcjach, które skrócą czas poświęcany na sprawdzenie normowe wstępnie kwalifikowanych połączeń stalowych.

Obejrzyj krótki film wprowadzający do projektowania wstępnie kwalifikowanych połączeń. 

Jeśli projektujesz tego rodzaju połączenia i chcesz skrócić czas iteracji, odkryj korzyści dzięki bezpłatnej wersji próbnej, korzystając z poniższego łącza.