Îmbinări metalice precalificate (AISC) - Rezumat, Concluzii și Recomandări

Seria de exemple de verificare a fost elaborată în cadrul unui proiect comun între Ohio State University și IDEA StatiCa. Autorii sunt enumerați mai jos:

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

Îmbinare cu moment încovoietor cu secțiune de grindă redusă (RBS)

O îmbinare cu moment încovoietor RBS testată a fost selectată dintr-un studiu experimental (Uang et al., 2000) și au fost create cinci variații suplimentare. Capacitățile de rezistență la moment încovoietor ale șase epruvete cu moduri de cedare au fost estimate urmând procedura AISC și utilizând IDEA StatiCa. Diferențele dintre capacitățile calculate (1 - capacitatea de moment a IDEA StatiCa / capacitatea de moment calculată prin procedura AISC) variază de la -3% la +7%, în timp ce diferența medie este de aproximativ 4% (Tabelul 6.1). De asemenea, relația moment-rotație calculată de IDEA StatiCa prin analiza rigidității a fost comparată cu cea furnizată în raportul de testare (Figura 6.1). Se poate observa că IDEA StatiCa este capabilă să identifice modul de cedare, să calculeze capacitatea de rezistență la moment încovoietor și curba moment-rotație a îmbinărilor cu moment încovoietor RBS.

Tabelul 6.1: Rezistența la moment încovoietor a îmbinărilor cu moment încovoietor RBS calculată prin IDEA StatiCa și procedura AISC (față de fața stâlpului)

Figura 6.1: Comparație moment (față de axa stâlpului) - rotație plastică a îmbinării cu moment încovoietor RBS (model de referință)

Citiți articolul complet de verificare privind Secțiunea de grindă redusă

Îmbinare cu moment încovoietor cu placă de capăt (EPM)

Șase îmbinări EPM testate au fost evaluate urmând procedura de proiectare AISC și utilizând IDEA StatiCa. Capacitățile lor de moment încovoietor și modurile de cedare au fost calculate și comparate cu observațiile din experiment (Sumner et al., 2000). Diferențele dintre rezultate variază de la -7% la +11%, în timp ce diferența medie este de aproximativ 2% (Tabelul 6.2). Trebuie menționat că curgerea plăcii de capăt reprezintă starea limită determinantă pentru variația 3, unde se calculează o diferență de 11%, în timp ce rezistența insuficientă a sudurii dintre placa de capăt și inima grinzii reprezintă modul de cedare observat din analiza IDEA StatiCa. Când sudura atinge limita de rezistență, se calculează o deformație plastică de 1,9% în placa de capăt, care este mai mică decât limita de deformație plastică de 5% pentru plăci. Din acest exemplu se poate interpreta că procedura prezentată în AISC 358 pentru starea limită de curgere a plăcii de capăt furnizează un rezultat mai conservativ decât IDEA StatiCa. Pentru modelul de referință, curba moment-rotație obținută cu IDEA StatiCa a fost comparată cu cea măsurată experimental. IDEA StatiCa demonstrează capacitatea de a estima rezistența la rupere a șuruburilor, inclusiv efectele efectului de pârghie asupra capacității de rezistență a șuruburilor și contribuția elementului de rigidizare al plăcii de capăt la rezistența la încovoiere a epruvetelor EPM. Diferența dintre pantele de după curgere și decalajul dintre valorile maxime de moment atinse pot fi atribuite, respectiv, degradării rigidității pe care epruveta testată a suferit-o și modelului de material biliniar utilizat de IDEA StatiCa.

Figura 6.2: Comparație moment (față de axa stâlpului) - rotație plastică a îmbinării EPM (model de referință)

Tabelul 6.2: Rezistența la moment încovoietor a îmbinărilor EPM calculată prin IDEA StatiCa și procedura AISC (față de fața stâlpului)

Citiți articolul complet de verificare privind îmbinarea cu moment încovoietor cu placă de capăt (EPM)

Îmbinare cu moment încovoietor cu tălpi nesuplimentate sudate și inimă sudată (WUF-W) 

Capacitățile de moment încovoietor și modurile de cedare ale șase epruvete WUF-W testate au fost calculate utilizând IDEA StatiCa și urmând procedura de proiectare AISC, iar observațiile au fost comparate cu rezultatele testelor efectuate de Ricles et al. (2000). Modurile de cedare obținute din trei surse sunt similare pentru toate îmbinările, în timp ce capacitățile de moment încovoietor calculate cu IDEA StatiCa sunt cu aproximativ 8% mai mari decât cele obținute prin procedura de proiectare AISC, cu excepția modelului de referință (Tabelul 6.3). Motivul pentru care IDEA StatiCa calculează capacități de moment încovoietor mai mari decât procedura AISC pentru variații poate fi asociat cu ipoteza privind localizarea articulației plastice. AISC 358 recomandă ca aceasta să fie considerată la fața stâlpului pentru îmbinările cu moment încovoietor WUF-W, ceea ce conduce la un moment suplimentar mai mic datorat forței tăietoare la locul articulației plastice, comparativ cu cazul în care aceasta apare la o distanță față de fața stâlpului. Pentru modelul de referință, analiza IDEA StatiCa arată că epruveta își atinge capacitatea atunci când sudura dintre fața stâlpului și placa de inimă cedează. Similar, calculele manuale efectuate urmând procedura de proiectare AISC indică faptul că sudura nu satisface limita de rezistență necesară. Cu toate acestea, nu există nicio procedură prezentată de AISC pentru calculul capacității de moment încovoietor a acestor tipuri de îmbinări controlate de sudura dintre stâlp și grindă sau placa de inimă. Trebuie menționat că capacitatea de moment încovoietor calculată urmând procedura AISC se bazează pe rezistența plastică la moment a grinzii, deși această îmbinare nu este permisă a fi proiectată conform AISC, deoarece cerința de rezistență pentru sudură nu este satisfăcută. În ansamblu, diferența medie dintre capacitățile de moment încovoietor calculate de IDEA StatiCa și procedura AISC este de aproximativ 5%. În plus, analiza moment-rotație a fost efectuată utilizând IDEA StatiCa și ABAQUS pentru modelul de referință, iar rezultatele au fost comparate. Curba de rotație plastică moment calculată de IDEA StatiCa a fost comparată cu cea măsurată furnizată de cercetătorii care au efectuat testele (Figura 6.3). Diferența dintre pantele curbelor poate fi atribuită degradării rigidității pe care epruveta testată a suferit-o în timpul încărcării ciclice. Un alt comentariu care poate fi făcut este că, deoarece IDEA StatiCa utilizează un model de material biliniar, comportamentul de ecruisare nu a putut fi capturat complet.

Tabelul 6.3: Rezistența la moment încovoietor a îmbinărilor cu moment încovoietor WUF-W calculată prin IDEA StatiCa și procedura AISC (față de fața stâlpului)

Figura 6.3: Comparație moment (față de axa stâlpului) - rotație plastică a îmbinării cu moment încovoietor WUF-W (model de referință)

Citiți articolul complet de verificare privind îmbinarea cu moment încovoietor cu tălpi nesuplimentate sudate și inimă sudată (WUF-W)

Îmbinare cu moment încovoietor cu tălpi nesuplimentate sudate și inimă șurubată (WUF-B)

Comportamentul la încovoiere al cinci epruvete WUF-B testate (Lee et al., 1999) a fost investigat cu un total de opt modele utilizând două tipuri diferite de șuruburi: 1) frecare, 2) presiune pe gaură. Capacitățile de moment încovoietor ale epruvetelor au fost calculate utilizând IDEA StatiCa și urmând procedura de proiectare AISC și comparate (Tabelul 6.4). Deoarece șuruburile cu alunecare controlată pot fi proiectate ca șuruburi pretensionate cu presiune pe gaură dacă coeficientul de alunecare al suprafeței de contact este mai mare sau egal cu 0,30 conform AISC 341 (2016), epruvetele cu șuruburi cu alunecare controlată (de ex., baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) pot fi ignorate în comparația rezistenței la moment încovoietor dintre IDEA StatiCa și procedura AISC. Pentru restul îmbinărilor, diferențele dintre capacitățile de moment încovoietor calculate de IDEA StatiCa și AISC variază de la -18% la -6%, în timp ce diferența medie este de aproximativ 13%. Motivul pentru care IDEA StatiCa calculează o rezistență la moment încovoietor mai conservativă decât procedura AISC poate fi asociat cu aderența slabă dintre inima grinzii și talpa stâlpului. O examinare suplimentară poate fi efectuată prin înlocuirea plăcii de inimă cu o sudură cap la cap de-a lungul inimii grinzii și obținerea unei îmbunătățiri semnificative a capacității de moment încovoietor urmând aceeași procedură în IDEA StatiCa.

Pentru modelul de referință, rotația plastică la moment încovoietor a fost obținută din analiza IDEA StatiCa și comparată cu cea măsurată experimental (Figura 6.4). Trebuie menționat că șuruburile de frecare (cu alunecare controlată) sunt utilizate pentru analiza moment-rotație, în timp ce șuruburile cu presiune pe gaură sunt utilizate pentru analiza capacității de moment încovoietor. Diferența dintre curbe poate fi asociată cu procesul de extragere a datelor. Deoarece curba moment-rotație măsurată a fost extrasă din figura furnizată în raportul de testare, erori mici sunt inevitabile. Diferența de comportament post-curgere poate fi explicată prin modelul de material biliniar utilizat de software.

Figura 6.4: Comparație moment (față de axa stâlpului) - rotație plastică a îmbinării cu moment încovoietor WUF-B (model de referință)

Tabelul 6.4: Rezistența la moment încovoietor a îmbinărilor cu moment încovoietor WUF-B calculată prin IDEA StatiCa și procedura AISC (față de fața stâlpului)

Citiți articolul complet de verificare privind îmbinarea cu moment încovoietor cu tălpi nesuplimentate sudate și inimă șurubată (WUF-B)

Îmbinare cu moment încovoietor cu profil dublu T

Șase îmbinări cu profil dublu T testate au fost examinate urmând procedura de proiectare AISC și utilizând IDEA StatiCa. Capacitățile lor de moment încovoietor au fost calculate, iar rezultatele au fost comparate.

Diferențele dintre rezultate variază de la -9% la +7%, în timp ce diferența medie este de aproximativ 3% (Tabelul 6.5). De asemenea, modurile de cedare au fost estimate în mod rezonabil. Analiza moment-rotație a fost efectuată prin IDEA StatiCa și ABAQUS utilizând două tipuri diferite de șuruburi (de ex., presiune pe gaură, frecare), deoarece tipul de șurub cu control al tensiunii nu este disponibil în IDEA StatiCa. Curbele au fost comparate cu cea obținută experimental de Leon (1999) pentru modelul de referință (Figura 6.5). Se observă că curba de rotație plastică la moment încovoietor a epruvetei de testare se situează între cele calculate din analizele IDEA StatiCa pentru șuruburi de frecare și cu presiune pe gaură, conform așteptărilor. În plus, verificările de precalificare prezentate în AISC 358 au fost efectuate pentru epruvete. Pentru modelul de referință, analiza de proiectare la capacitate a fost efectuată în IDEA StatiCa și comparată cu cea obținută urmând procedura AISC. Se poate concluziona că IDEA StatiCa este foarte capabilă să calculeze capacitatea de moment încovoietor și să determine modul de cedare al îmbinărilor cu moment încovoietor cu profil dublu T. Mai mult, se poate adăuga că analiza la capacitate (de ex., CD) este capabilă să determine dacă îmbinarea are suficientă capacitate de rezistență atunci când articulația plastică apare în ambele grinzi, conform cerințelor AISC 358 pentru îmbinările seismice.

Tabelul 6.5: Rezistența la moment încovoietor a îmbinărilor cu moment încovoietor cu profil dublu T calculată prin IDEA StatiCa și procedura AISC (față de fața stâlpului)

Figura 6.5: Comparație moment (față de axa stâlpului) - rotație plastică a îmbinării cu moment încovoietor cu profil dublu T (model de referință)

În ansamblu, există o bună concordanță între capacitățile de moment încovoietor și modurile de cedare obținute din teste, analiza IDEA StatiCa și procedura de proiectare AISC. Recomandările pentru îmbunătățirea în continuare a software-ului sunt enumerate mai jos:

• Un nou tip de șurub pentru șuruburi cu control al tensiunii/pretensionate poate fi dezvoltat și pus la dispoziția utilizatorilor, în plus față de tipurile de șuruburi cu presiune pe gaură și frecare.
• Forțele care urmează să fie aplicate cu opțiunile „încărcările sunt în echilibru" pot fi calculate din IDEA StatiCa pentru diferite lungimi de elemente și condiții la limită conform preferințelor utilizatorului. În acest fel, o analiză poate fi efectuată pentru condiția dorită fără alt software sau calcule manuale suplimentare. Cu versiunea curentă a IDEA StatiCa (adică v22), pentru a calcula capacitatea de moment încovoietor a epruvetelor de testare, forțele la nivelul îmbinării au fost calculate utilizând SAP2000 prin reprezentarea condițiilor de testare (de ex., lungimile elementelor, condițiile la limită), apoi acele forțe calculate au fost aplicate în IDEA StatiCa utilizând opțiunea „încărcările sunt în echilibru".
• Încărcarea incrementală poate fi aplicată automat și sistematic de IDEA StatiCa, iar capacitatea de moment încovoietor poate fi furnizată fără a fi necesară ajustarea încărcărilor și reluarea calculului
• Verificările de precalificare pot fi efectuate de IDEA StatiCa
• Un instrument de generare a plasei mai performant poate fi adaptat în software
• Reprezentarea curbei moment-rotație poate fi îmbunătățită/îmbogățită prin furnizarea utilizatorilor de instrumente pentru ajustarea fontului, culorii și dimensiunii graficului.
• Unele simboluri trebuie corectate/ajustate pentru utilizatorii americani (de ex., θ în loc de ϕ pentru rotație conform AISC)

Citiți articolul complet de verificare privind îmbinarea cu moment încovoietor cu profil dublu T

Citiți studiul complet privind îmbinările precalificate!