การตรวจสอบตามมาตรฐาน AISC 358 การเชื่อมต่อโมเมนต์ที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า

เริ่มต้นด้วยการพูดถึงที่มาของการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า หลังจาก แผ่นดินไหว Northridge ปี 1994 ในแคลิฟอร์เนีย การวิจัยเกี่ยวกับการตอบสนองต่อแรงแผ่นดินไหวของระบบอาคารโครงสร้างเหล็กเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากการก่อตั้ง SAC Joint Venture โดยมี "เป้าหมายในการพัฒนาแนวทางและมาตรฐานการปฏิบัติที่เชื่อถือได้ ใช้งานได้จริง และคุ้มค่าสำหรับการซ่อมแซมหรือปรับปรุงอาคารโครงสร้างเหล็กแบบ Moment Frame ที่ได้รับความเสียหาย การออกแบบอาคารเหล็กใหม่ และการระบุและฟื้นฟูอาคารเหล็กที่มีความเสี่ยง"
SAC Joint Venture ได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากหน่วยงานบริหารจัดการเหตุฉุกเฉินแห่งสหรัฐอเมริกา (FEMA) (https://www.sacsteel.org/project/mission.html) 

ผลการค้นพบจากแผ่นดินไหว Northridge คืออาคารโครงสร้างเหล็กแบบ Moment Frame หลายหลังประสบกับ การแตกหักแบบเปราะที่เริ่มต้นที่จุดต่อระหว่างปีกคานเชื่อมกับปีกเสาของการเชื่อมต่อโมเมนต์ รอยแตกแสดงรูปแบบที่หลากหลายและบางครั้งขยายเข้าไปและข้ามบริเวณ Panel Zone ของเสา

การแตกหักแบบเปราะที่ไม่คาดคิดเหล่านี้แตกต่างอย่างมากจากสมรรถนะที่คาดหวังของการครากแบบ Ductile ในบริเวณ Plastic Hinge ของคาน ในบริเวณที่เกิดขึ้น การแตกหักแบบเปราะเหล่านี้ขัดขวางการก่อตัวของบริเวณ Plastic Hinge แบบ Ductile ส่งผลให้พฤติกรรมของโครงสร้างแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากที่ใช้เป็นพื้นฐานในการกำหนดข้อกำหนดการออกแบบสำหรับระบบเหล่านี้

คณะกรรมการตรวจสอบการรับรองล่วงหน้าการเชื่อมต่อ (CPRP) ถูกจัดตั้งขึ้นโดย AISC ในปี 2001 เพื่อพัฒนามาตรฐานการรับรองล่วงหน้าการเชื่อมต่อ คณะกรรมการซึ่งประกอบด้วยวิศวกร นักวิจัย ผู้ผลิต และเจ้าหน้าที่อาคาร ได้ทบทวนข้อมูลการทดสอบและการวิจัยอื่นๆ โดย SAC และหน่วยงานอื่นๆ เพื่อเผยแพร่ฉบับแรกของ AISC 358 ในปี 2005

ฉบับแรกนี้รวมข้อมูลการรับรองล่วงหน้าและขั้นตอนการออกแบบสำหรับการเชื่อมต่อสามประเภท นับตั้งแต่การเผยแพร่ในปี 2005 CPRP ได้ดำเนินการทบทวนข้อมูลสำหรับเทคโนโลยีการเชื่อมต่อเพิ่มเติม และ AISC 358 ฉบับล่าสุดในปัจจุบันมีการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าสิบประเภท ซึ่งรวมถึงการเชื่อมต่อที่มีสิทธิบัตรหลายรายการ:

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 (มีสิทธิบัตร)
6. ConXtech ConXL (มีสิทธิบัตร)
7. Sideplate (มีสิทธิบัตร)
8. Simpson Strong-tie Strong Frame (มีสิทธิบัตร)
9. Double-Tee
10. Slotted Web (มีสิทธิบัตร)

การเชื่อมต่อเฉพาะเหล่านี้คืออะไร?

จากผลการค้นพบของ SAC Joint Venture สาเหตุหลักที่เกี่ยวข้องกับการแตกหักแบบเปราะคือ รูปทรงเรขาคณิตของการเชื่อมต่อมีความเข้มข้นของความเค้นสูงและความสามารถในการครากจำกัด โลหะเติมรอยเชื่อมที่ใช้มีความเหนียวจำกัด ความแตกต่างของกำลังครากของคานและเสาส่งผลให้เกิดบริเวณอ่อนแอที่ไม่คาดคิดในชุดการเชื่อมต่อ และการปฏิบัติงานเชื่อมไม่เป็นไปตามมาตรฐานการเชื่อมโครงสร้าง AWS

"ตามคำแนะนำของ SAC Joint Venture ข้อกำหนดแผ่นดินไหวของ AISC กำหนดให้การเชื่อมต่อโมเมนต์ที่ใช้ใน Special หรือ Intermediate Steel Moment Frame ต้องได้รับการพิสูจน์โดยการทดสอบว่าสามารถให้ความเหนียวที่จำเป็นได้ 

มีสองวิธีในการพิสูจน์ที่ยอมรับได้ วิธีหนึ่งประกอบด้วยการทดสอบเฉพาะโครงการซึ่งชิ้นทดสอบขนาดเต็มจำนวนจำกัด ที่แสดงถึงการเชื่อมต่อที่จะใช้ในโครงสร้าง ถูกสร้างและทดสอบตามโปรโตคอลที่กำหนดในบทที่ K ของข้อกำหนดแผ่นดินไหวของ AISC โดยตระหนักว่าการทดสอบดังกล่าวมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานาน ข้อกำหนดแผ่นดินไหวของ AISC ยังกำหนดให้มีการรับรองล่วงหน้าของการเชื่อมต่อซึ่งประกอบด้วยโปรแกรมการทดสอบที่เข้มงวด การประเมินเชิงวิเคราะห์ และการตรวจสอบโดยหน่วยงานอิสระ คือ คณะกรรมการตรวจสอบการรับรองล่วงหน้าการเชื่อมต่อ (CPRP) 

การเชื่อมต่อที่รวมอยู่ในมาตรฐานนี้ได้ผ่านเกณฑ์การรับรองล่วงหน้าเมื่อนำไปใช้กับโครงสร้างที่เป็นไปตามข้อจำกัดที่ระบุไว้ในที่นี้ และเมื่อออกแบบและกำหนดรายละเอียดตามมาตรฐานนี้" (บทนำคำอธิบาย AISC 358)

โดยสรุป การเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าภายใต้มาตรฐาน AISC 358 มีวัตถุประสงค์เพื่อทนต่อการเสียรูปแบบ Inelastic เป็นหลักผ่านการครากที่ควบคุมในรูปแบบพฤติกรรมเฉพาะ เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อที่จะมีพฤติกรรมตามที่ระบุ จำเป็นต้องมีการกำหนดกำลังของการเชื่อมต่อในสภาวะขีดจำกัดต่างๆ อย่างถูกต้อง สูตรกำลังที่รวมอยู่ในวิธี LRFD สอดคล้องกับแนวทางนี้"

กระบวนการออกแบบปัจจุบันของการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าตามมาตรฐาน AISC คืออะไร? 

AISC 358 มีบทที่อุทิศให้กับการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าแต่ละประเภทและรายละเอียดทั้งหมดที่จำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน ในแต่ละบท ข้อจำกัดการออกแบบทั้งหมดจะถูกระบุ และนำเสนอกระบวนการออกแบบ

การออกแบบการเชื่อมต่อเป็นกระบวนการทีละขั้นตอน ซึ่งขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อ คุณเริ่มต้นด้วยการเลือกรูปทรงเรขาคณิตโดยวิธีลองผิดลองถูก จากนั้นต้องคำนวณ Plastic Section Modulus โมเมนต์สูงสุดที่น่าจะเป็นที่ Plastic Hinge ที่คาดหวัง แรงเฉือน และ Plastic Moment ของคาน เพื่อเปรียบเทียบกับกำลังของคาน

แนวคิดหลักของกระบวนการออกแบบคือการออกแบบระบบเสาแข็งแกร่ง-คานอ่อน ดังนั้น คุณต้องคำนวณโมเมนต์สูงสุดที่ตำแหน่ง Plastic Hinge ที่ควบคุม เพื่อให้แน่ใจว่าคานวิบัติก่อนการเชื่อมต่อและเสาเมื่อเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหว

การเชื่อมต่อที่มีสิทธิบัตรมีวิธีการออกแบบที่แตกต่างกัน และวิศวกรที่สนใจใช้การเชื่อมต่อเหล่านี้จำเป็นต้องติดต่อผู้ถือสิทธิบัตรเพื่อทำความเข้าใจวิธีการออกแบบ 

การศึกษาเกี่ยวกับการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า

ในปี 2023 มหาวิทยาลัย Ohio State (OSU) ได้ดำเนินการศึกษาเพื่อตรวจสอบความน่าเชื่อถือของ วิธี Component-Based Finite Element ที่ใช้ในซอฟต์แวร์ IDEA StatiCa เมื่อ วิเคราะห์การเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าสำหรับแรงแผ่นดินไหวประเภทต่างๆ 

โครงการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินพฤติกรรมของการเชื่อมต่อโมเมนต์สำหรับแรงแผ่นดินไหวที่ได้จากซอฟต์แวร์ IDEA StatiCa โดยพิจารณาความต้านทานแรงกระทำ ความสามารถในการหมุน และการตอบสนองของโมเมนต์-การหมุน 

ผลลัพธ์ถูกเปรียบเทียบกับวิธีที่ผ่านการพิสูจน์แล้ว ได้แก่ สมการ AISC, ABAQUS (ซอฟต์แวร์ FEA) และผลการทดสอบขนาดเต็มในห้องปฏิบัติการ

การศึกษาแสดงให้เห็นว่า IDEA StatiCa เป็นเครื่องมือที่เชื่อถือได้สำหรับการคำนวณความสามารถรับโมเมนต์และการทำนายรูปแบบการวิบัติในการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กประเภทต่างๆ 

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการศึกษาของ OSU เกี่ยวกับการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าได้ที่นี่

IDEA StatiCa รวมเข้ากับกระบวนการออกแบบการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าอย่างไร

ใน IDEA StatiCa สามารถจำลองการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าได้เสมอ และการจำลองไม่ยุ่งยากมากนัก เนื่องจากมีการดำเนินการง่ายๆ ที่ช่วยให้การจำลองสะดวกขึ้น เช่น:

ช่องเปิด (เพื่อจำลองการตัดปีก):

การดำเนินการ Cleat เพื่อเพิ่มหน้าตัด Tee ทั้งสองด้าน:

แผ่นปลาย แผ่นเสริมความแข็ง ตัวขยาย: 

เมื่อคุณจำลองการเชื่อมต่อแล้ว ประเภทการวิเคราะห์ Capacity Design จะถูกใช้เพื่อยืนยันว่า Plastic Hinge ที่วางแผนไว้เกิดขึ้นในตำแหน่งที่ออกแบบไว้ ตัวอย่างเช่น Plastic Hinge สำหรับการเชื่อมต่อ RBS มีวัตถุประสงค์ให้เกิดขึ้นในหน้าตัดที่ลดลงของคาน ในกรณีของ Bolted Flange Plate มีวัตถุประสงค์ให้ Plastic Hinge เกิดขึ้นใกล้ปลายของแผ่นปีก 

ดังนั้น เมื่อคุณเลือกการวิเคราะห์ Capacity Design ใน IDEA StatiCa จำเป็นต้องกำหนดชิ้นส่วนที่กระจายพลังงานซึ่ง Plastic Hinge มีวัตถุประสงค์ให้เกิดขึ้น การเชื่อมต่อและเสาเป็นองค์ประกอบที่ไม่กระจายพลังงานซึ่งต้องคงอยู่โดยไม่มีการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญ คานถูกรับแรงตามที่จำเป็นเพื่อสร้าง Plastic Hinge ในคานด้วยกำลังครากที่น่าจะเป็นและแรงเฉือนที่สอดคล้องกัน

เมื่อการวิเคราะห์กำลังดำเนินการ กำลังของวัสดุขององค์ประกอบที่กระจายพลังงานจะถูกเพิ่มขึ้นด้วยตัวคูณกำลังเกิน (Ry) และตัวคูณ Hardening (CPr)

IDEA StatiCa Connection ตรวจสอบการเชื่อมต่อสำหรับแรงออกแบบที่กระทำ ซึ่งควรสร้าง Plastic Hinge ในชิ้นส่วนที่กระจายพลังงานที่เลือก ความเครียดพลาสติกในชิ้นส่วนที่กระจายพลังงานควรอยู่ที่ประมาณ 5% ซึ่งสามารถยืนยันได้ว่าขนาดและตำแหน่งของแรงกระทำถูกกำหนดอย่างถูกต้อง 

เราครอบคลุมการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าทั้งหมดที่ไม่มีสิทธิบัตร อย่างไรก็ตาม คุณต้องตรวจสอบอีกครั้งว่าข้อจำกัดการรับรองล่วงหน้าได้รับการปฏิบัติตามหรือไม่ ซึ่งทำให้กระบวนการจำลองค่อนข้างยุ่งยาก เนื่องจากในบางกรณีอาจมีการตรวจสอบรายละเอียดมากกว่า 50 รายการสำหรับการเชื่อมต่อแต่ละแบบ 

IDEA StatiCa Connection รวมการตรวจสอบรายละเอียดการรับรองล่วงหน้าสำหรับการเชื่อมต่อที่ระบุไว้ต่อไปนี้ และเราได้เพิ่มแม่แบบการเชื่อมต่อที่จะช่วยคุณด้วยแบบจำลองที่สร้างไว้แล้ว

ในเมนูการเชื่อมต่อ คุณสามารถเลือกระหว่าง Special Moment Frame และ Intermediate Moment Frame และประเภทของการเชื่อมต่อที่คุณจะออกแบบ ซึ่งมีความสำคัญและขึ้นอยู่กับการตรวจสอบรายละเอียดที่คุณได้รับในรายงาน:

การตรวจสอบรายละเอียดจะแสดงบนหน้าจอแบบจำลองขณะที่คุณทำงานกับการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก เพื่อให้คุณทราบว่าต้องเปลี่ยนแปลงอะไรก่อนเรียกใช้การวิเคราะห์ สุดท้าย พิมพ์การตรวจสอบในรายงาน 

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

อ่านพื้นฐานทางทฤษฎีของเราสำหรับ Capacity Design สำหรับข้อมูลโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติที่จะลดเวลาที่ใช้ในการตรวจสอบตามมาตรฐานสำหรับการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า

ชมวิดีโอแนะนำสั้นๆ เกี่ยวกับการออกแบบการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า 

หากคุณออกแบบการเชื่อมต่อเหล่านี้และต้องการลดเวลาในการทำซ้ำ ค้นพบประโยชน์ผ่านการทดลองใช้ฟรีของเราผ่านลิงก์ด้านล่าง