De ce se utilizează limita de 5% a deformației plastice în diagrama de material pentru AISC?
Metode comune
Orice inginer structurist este obișnuit să utilizeze limita de curgere ca valoare limită a verificării conform codului, deoarece practic orice standard și cod de proiectare se bazează pe această abordare.
Cu toate acestea, aceasta se aplică comportamentului pur elastic al materialului. Aceasta poate conduce la un proiect conservator și uneori la supradimensionarea inutilă a structurii, rezultând un consum mai mare de material.
Cu toate acestea, comportamentul real al oțelului este diferit și este acceptabil să se presupună comportamentul plastic al materialului după ce limita de curgere a fost depășită.
IDEA StatiCa și metoda CBFEM
Metoda Elementelor Finite bazată pe Componente (CBFEM) este o sinergie între Metoda Componentelor și analiza prin Metoda Elementelor Finite.
Verificarea unui nod prin metoda standard bazată pe componente și prin CBFEM utilizată în IDEA StatiCa Connection se bazează pe verificarea tuturor părților nodului – componentele. Componentele pot fi șuruburi, ancore, suduri, plăci și beton la fundație.
CBFEM împarte întregul nod în componentele separate menționate mai sus. Apoi modelul de analiză este creat automat de software din fiecare componentă.
Toate plăcile de oțel, cum ar fi tălpile sau inimile secțiunilor transversale, elementele de rigidizare, nervurile, vutele etc., sunt modelate prin elemente finite. Metoda Elementelor Finite este larg acceptată în ingineria structurală și oferă rezultate foarte bune și de încredere.
Comportamentul materialului se bazează pe criteriul de curgere von Mises. Se presupune că este elastic înainte de atingerea valorii de calcul a limitei de curgere fyd.
Criteriul stării limită ultime pentru zonele nesusceptibile la flambaj este atingerea valorii limită a deformației principale de membrană. Se recomandă o valoare de 5% (de ex. EN 1993-1-5, Anexa C, Par. C.8, Nota 1).
ANSI/AISC 360-16 utilizează o abordare diferită. În Capitolul B – Cerințe de proiectare, există un articol: „Rezistența îmbinării. Rezistența unei îmbinări este momentul maxim pe care aceasta îl poate prelua, Mn, după cum se arată în Figura C-B3.2. Rezistența unei îmbinări poate fi determinată pe baza unui model de stare limită ultimă a îmbinării sau din încercări fizice. Dacă răspunsul moment-rotație nu prezintă o sarcină de vârf, atunci rezistența poate fi luată ca momentul la o rotație de 0,02 rad (Hsieh și Deierlein, 1991; Leon et al., 1996)."
Figurile sunt preluate din ANSI/AISC 360-16, Comm. B3, p. 332, 333.
Este prezentat un exemplu de îmbinare sudată în IDEA StatiCa:
Rezistența de calcul la încovoiere a acestei îmbinări, conform acestui articol din AISC 360, este determinată ca momentul încovoietor la rotația de 20 mrad (MRd = 408,5 kip-in). Această rezistență este aproape egală cu rezistența la încovoiere determinată prin limitarea deformației plastice la 5% conform EN 1993-1-5 (MRd = 402,5 kip-in).
Un alt exemplu de îmbinare cu șuruburi prezintă rezultate similare:
Din nou, rezistența determinată la rotația de 20 mrad (MRd = 372 kip-in) coincide îndeaproape cu rezistența determinată prin limitarea deformației plastice la 5% (MRd = 374,7 kip-in).
Concluzie
ANSI/AISC 360 lasă modelarea prin elemente finite (a se vedea Anexa 1 – Proiectare prin analiză avansată și Capitolul B – Cerințe de proiectare – 4. Proiectarea îmbinărilor și rezemărilor – Analiza structurală) la latitudinea judecății inginerești. Utilizarea diagramei bilineare elastic-plastice pentru plăcile de oțel și limitarea deformației plastice reprezintă o abordare simplă și rezonabilă, care permite rezolvarea tuturor tipurilor de îmbinări încărcate în mod general. Rezultatele coincid îndeaproape cu abordarea sugerată în mod specific de ANSI/AISC 360.
Limita deformației plastice poate fi editată în Configurarea codului, deși studiile de verificare au fost efectuate cu valoarea recomandată de 5%. Valoarea are în general un efect redus asupra rezistenței îmbinării. Diferența în rezistența la moment încovoietor între limita de deformație de 2% și cea de 10% este de doar 7% în al doilea exemplu de îmbinare cu șuruburi.
Referințe
ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 p.
EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 p.
Hsieh, S.H. și Deierlein, G.G. (1991), „Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, Nr. 5, pp. 995–1.009.
Leon, R.T. (1994), „Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. Nr. 2, pp. 57–67.