Prequalifikowane połączenia stalowe (AISC) – Podsumowanie, wnioski i zalecenia

Seria przykładów weryfikacyjnych została przygotowana w ramach wspólnego projektu Ohio State University i IDEA StatiCa. Autorzy są wymienieni poniżej:

• Baris Kasapoglu, doktorant
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Połączenie momentowe z zredukowanym przekrojem pasa (RBS)

Jedno badane połączenie momentowe RBS zostało wybrane z badania eksperymentalnego (Uang i in., 2000) i stworzono pięć dodatkowych wariantów. Nośności momentowe sześciu próbek wraz z trybami zniszczenia zostały oszacowane zgodnie z procedurą AISC oraz przy użyciu IDEA StatiCa. Różnice między obliczonymi nośnościami (1 – nośność momentowa wg IDEA StatiCa / nośność momentowa obliczona procedurą AISC) wahają się od -3% do +7%, przy czym średnia różnica wynosi około 4% (Tabela 6.1). Ponadto zależność moment–obrót obliczona przez IDEA StatiCa przy użyciu analizy sztywności została porównana z tą podaną w raporcie z badań (Rysunek 6.1). Można stwierdzić, że IDEA StatiCa jest w stanie zidentyfikować tryb zniszczenia, obliczyć nośność momentową oraz krzywą moment–obrót połączeń momentowych RBS.

Tabela 6.1: Nośność na zginanie połączeń momentowych RBS obliczona przez IDEA StatiCa i procedurę AISC (względem lica słupa)

Rysunek 6.1: Porównanie plastycznego obrotu przy momencie (względem osi słupa) dla połączenia momentowego RBS (model bazowy)

Przeczytaj pełny artykuł z przykładem weryfikacyjnym dotyczącym zredukowanego przekroju pasa (RBS)

Połączenie momentowe z płytą czołową (EPM)

Sześć badanych połączeń EPM zostało ocenionych zgodnie z procedurą projektowania AISC oraz przy użyciu IDEA StatiCa. Ich nośności momentowe i tryby zniszczenia zostały obliczone i porównane z obserwacjami z eksperymentu (Sumner i in., 2000). Różnice między wynikami wahają się od -7% do +11%, przy czym średnia różnica wynosi około 2% (Tabela 6.2). Należy zauważyć, że uplastycznienie płyty czołowej jest decydującym stanem granicznym dla wariantu 3, gdzie obliczono różnicę 11%, podczas gdy niewystarczająca nośność spoiny między płytą czołową a środnikiem belki jest trybem zniszczenia zaobserwowanym w analizie IDEA StatiCa. Gdy spoina osiąga swoją nośność graniczną, w płycie czołowej obliczane jest odkształcenie plastyczne wynoszące 1,9%, co jest mniejsze niż 5% granicznego odkształcenia plastycznego dla blach. Na podstawie tego przykładu można stwierdzić, że procedura opisana w AISC 358 dla stanu granicznego uplastycznienia płyty czołowej daje wynik bardziej konserwatywny niż IDEA StatiCa. Dla modelu bazowego krzywa moment–obrót uzyskana przy użyciu IDEA StatiCa została porównana z krzywą zmierzoną eksperymentalnie. IDEA StatiCa wykazuje zdolność do szacowania nośności na zerwanie śrub, uwzględniając wpływ siły podważającej na nośność śrub oraz udział usztywnienia płyty czołowej na nośność na zginanie próbek EPM. Różnicę między nachyleniami krzywych po uplastycznieniu oraz rozbieżność między osiągniętymi szczytowymi wartościami momentów można przypisać odpowiednio degradacji sztywności, jakiej doświadczyła próbka podczas badania, oraz dwuliniowemu modelowi materiałowemu stosowanemu przez IDEA StatiCa.

Rysunek 6.2: Porównanie plastycznego obrotu przy momencie (względem osi słupa) dla połączenia EPM (model bazowy)

Tabela 6.2: Nośność na zginanie połączeń EPM obliczona przez IDEA StatiCa i procedurę AISC (względem lica słupa)

Przeczytaj pełny artykuł z przykładem weryfikacyjnym dotyczącym połączenia momentowego z płytą czołową (EPM)

Połączenie momentowe ze spawanymi pasami bez usztywnienia i spawanym środnikiem (WUF-W) 

Nośności momentowe i tryby zniszczenia sześciu badanych próbek WUF-W zostały obliczone przy użyciu IDEA StatiCa oraz zgodnie z procedurą projektowania AISC, a obserwacje porównano z wynikami badań przeprowadzonych przez Riclesa i in. (2000). Tryby zniszczenia uzyskane z trzech źródeł są podobne we wszystkich połączeniach, natomiast nośności momentowe obliczone przy użyciu IDEA StatiCa są o około 8% większe niż te uzyskane z procedury projektowania AISC, z wyjątkiem modelu bazowego (Tabela 6.3). Przyczyna, dla której IDEA StatiCa oblicza większe nośności momentowe niż procedura AISC dla wariantów, może być związana z założeniem dotyczącym lokalizacji przegubu plastycznego. Zgodnie z AISC 358 dla połączeń momentowych WUF-W zaleca się przyjmowanie go przy licu słupa, co prowadzi do mniejszego dodatkowego momentu od siły poprzecznej w miejscu przegubu plastycznego w porównaniu z przypadkiem, gdy przegub plastyczny tworzy się w pewnej odległości od lica słupa. Dla modelu bazowego analiza IDEA StatiCa wykazuje, że próbka osiąga swoją nośność, gdy zawodzi spoina między licem słupa a blachą ścinającą. Podobnie obliczenia ręczne wykonane zgodnie z procedurą projektowania AISC wskazują, że spoina nie spełnia wymaganego limitu nośności. Jednak AISC nie określa procedury obliczania nośności momentowej tego typu połączeń, w których decydującym elementem jest spoina między słupem a belką lub blachą ścinającą. Należy zauważyć, że obliczona nośność momentowa zgodnie z procedurą AISC opiera się na plastycznej nośności momentowej belki, choć tego połączenia nie wolno projektować zgodnie z AISC, ponieważ wymaganie nośności spoiny nie jest spełnione. Ogólnie średnia różnica między nośnościami momentowymi obliczonymi przez IDEA StatiCa i procedurę AISC wynosi około 5%. Ponadto analiza obrotu momentowego została przeprowadzona przy użyciu IDEA StatiCa i ABAQUS dla modelu bazowego, a wyniki zostały porównane. Krzywa plastycznego obrotu momentowego obliczona przez IDEA StatiCa została porównana z krzywą zmierzoną dostarczoną przez badaczy (Rysunek 6.3). Różnicę między nachyleniami krzywych można przypisać degradacji sztywności, jakiej poddana była badana próbka podczas obciążenia cyklicznego. Kolejna uwaga, jaką można poczynić, jest taka, że ponieważ IDEA StatiCa stosuje dwuliniowy model materiałowy, zachowanie związane z umocnieniem odkształceniowym nie mogło zostać w pełni odwzorowane.

Tabela 6.3: Nośność na zginanie połączeń momentowych WUF-W obliczona przez IDEA StatiCa i procedurę AISC (względem lica słupa)

Rysunek 6.3: Porównanie plastycznego obrotu przy momencie (względem osi słupa) dla połączenia momentowego WUF-W (model bazowy)

Przeczytaj pełny artykuł z przykładem weryfikacyjnym dotyczącym połączenia momentowego ze spawanymi pasami bez usztywnienia i spawanym środnikiem (WUF-W)

Połączenie momentowe ze spawanymi pasami bez usztywnienia i śrubowanym środnikiem (WUF-B)

Zachowanie na zginanie pięciu badanych próbek WUF-B (Lee i in., 1999) zostało zbadane na łącznie ośmiu modelach z zastosowaniem dwóch różnych typów śrub: 1) tarciowych, 2) dociskowych. Nośności momentowe próbek zostały obliczone przy użyciu IDEA StatiCa oraz zgodnie z procedurą projektowania AISC i porównane (Tabela 6.4). Ponieważ śruby sprężone (slip critical) mogą być projektowane jako śruby dociskowe z wstępnym naciągiem, jeśli współczynnik tarcia powierzchni styku jest większy lub równy 0,30 zgodnie z AISC 341 (2016), próbki zawierające śruby sprężone (np. Baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) można pominąć w porównaniu nośności momentowej IDEA StatiCa i procedury AISC. Dla pozostałych połączeń różnice między nośnościami momentowymi obliczonymi przez IDEA StatiCa i AISC wahają się od -18% do -6%, przy czym średnia różnica wynosi około 13%. Przyczyna, dla której IDEA StatiCa oblicza bardziej konserwatywną nośność momentową niż procedura AISC, może być związana ze słabym połączeniem między środnikiem belki a stopką słupa. Dalszą analizę można przeprowadzić, zastępując blachę ścinającą spoiną czołową wzdłuż środnika belki i uzyskując znaczną poprawę nośności momentowej przy zastosowaniu tej samej procedury w IDEA StatiCa.

Dla modelu bazowego plastyczny obrót momentowy został uzyskany z analizy IDEA StatiCa i porównany z wynikiem zmierzonym eksperymentalnie (Rysunek 6.4). Należy zauważyć, że do analizy obrotu momentowego zastosowano śruby tarciowe (sprężone), natomiast do analizy nośności momentowej – śruby dociskowe. Różnicę między krzywymi można powiązać z procesem ekstrakcji danych. Ponieważ zmierzona krzywa obrotu momentowego została wyodrębniona z rysunku zawartego w raporcie z badań, małe błędy są nieuniknione. Różnicę w zachowaniu po uplastycznieniu można wyjaśnić dwuliniowym modelem materiałowym stosowanym przez oprogramowanie.

Rysunek 6.4: Porównanie plastycznego obrotu przy momencie (względem osi słupa) dla połączenia momentowego WUF-B (model bazowy)

Tabela 6.4: Nośność na zginanie połączeń momentowych WUF-B obliczona przez IDEA StatiCa i procedurę AISC (względem lica słupa)

Przeczytaj pełny artykuł z przykładem weryfikacyjnym dotyczącym połączenia momentowego ze spawanymi pasami bez usztywnienia i śrubowanym środnikiem (WUF-B)

Połączenie momentowe dwuteowe (double-tee)

Sześć badanych połączeń dwuteowych zostało zbadanych zgodnie z procedurą projektowania AISC oraz przy użyciu IDEA StatiCa. Obliczono ich nośności momentowe i porównano wyniki.

Różnice między wynikami wahają się od -9% do +7%, przy czym średnia różnica wynosi około 3% (Tabela 6.5). Tryby zniszczenia zostały również oszacowane w zadowalający sposób. Analiza obrotu momentowego została przeprowadzona przy użyciu IDEA StatiCa i ABAQUS z zastosowaniem dwóch różnych typów śrub (np. dociskowych, tarciowych), ponieważ typ śruby z kontrolą momentu dokręcania nie jest dostępny w IDEA StatiCa. Krzywe zostały porównane z krzywą uzyskaną eksperymentalnie przez Leona (1999) dla modelu bazowego (Rysunek 6.5). Zaobserwowano, że krzywa plastycznego obrotu momentowego próbki badawczej mieści się między krzywymi obliczonymi z analiz IDEA StatiCa dla śrub tarciowych i dociskowych, zgodnie z oczekiwaniami. Ponadto dla próbek przeprowadzono sprawdzenia prequalifikacyjne opisane w AISC 358. Dla modelu bazowego analiza projektowania na podstawie nośności (capacity design) została przeprowadzona w IDEA StatiCa i porównana z wynikiem uzyskanym zgodnie z procedurą AISC. Można stwierdzić, że IDEA StatiCa jest bardzo dobrze przystosowana do obliczania nośności momentowej i określania trybu zniszczenia połączeń momentowych dwuteowych. Ponadto można dodać, że analiza nośności (np. CD) jest w stanie określić, czy połączenie ma wystarczającą nośność, gdy przegub plastyczny tworzy się w obu belkach, zgodnie z wymaganiami AISC 358 dla połączeń sejsmicznych.

Tabela 6.5: Nośność na zginanie połączeń momentowych dwuteowych obliczona przez IDEA StatiCa i procedurę AISC (względem lica słupa)

Rysunek 6.5: Porównanie plastycznego obrotu przy momencie (względem osi słupa) dla połączenia momentowego dwuteowego (model bazowy)

Ogólnie rzecz biorąc, istnieje dobra zgodność między nośnościami momentowymi i trybami zniszczenia uzyskanymi z badań, analiz IDEA StatiCa i procedury projektowania AISC. Poniżej wymieniono zalecenia dotyczące dalszego doskonalenia oprogramowania:

• Można opracować nowy typ śruby dla śrub z kontrolą momentu dokręcania/wstępnie napiętych i udostępnić go użytkownikom jako uzupełnienie typów dociskowych i tarciowych.
• Siły do zastosowania z opcją „obciążenia są w równowadze" mogą być obliczane przez IDEA StatiCa dla różnych długości elementów i warunków brzegowych zgodnie z preferencjami użytkownika. W ten sposób analiza może być przeprowadzona dla żądanego warunku bez konieczności korzystania z innego oprogramowania lub dodatkowych obliczeń ręcznych. W bieżącej wersji IDEA StatiCa (tj. v22), w celu obliczenia nośności momentowej próbek badawczych, siły w połączeniu zostały obliczone przy użyciu SAP2000 poprzez odwzorowanie warunków stanowiska badawczego (np. długości elementów, warunki brzegowe), a następnie obliczone siły zostały zastosowane w IDEA StatiCa przy użyciu opcji „obciążenia są w równowadze".
• Obciążenie przyrostowe może być stosowane automatycznie i systematycznie przez IDEA StatiCa, a nośność momentowa może być podawana bez konieczności ręcznego dostosowywania obciążeń i ponownego uruchamiania obliczeń.
• Sprawdzenia prequalifikacyjne mogą być wykonywane przez IDEA StatiCa.
• Do oprogramowania można dostosować lepsze narzędzie do generowania siatki.
• Reprezentacja krzywej obrotu momentowego może zostać ulepszona/wzbogacona poprzez udostępnienie użytkownikom narzędzi do dostosowania czcionki, koloru i rozmiaru wykresu.
• Niektóre symbole wymagają korekty/dostosowania dla użytkowników stosujących normy amerykańskie (np. θ zamiast ϕ dla obrotu zgodnie z AISC).

Przeczytaj pełny artykuł z przykładem weryfikacyjnym dotyczącym połączenia momentowego dwuteowego (double-tee)

Przeczytaj pełne opracowanie dotyczące połączeń prequalifikowanych!