คำอธิบาย
บทนี้มุ่งเน้นการตรวจสอบความถูกต้องของวิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) สำหรับการต้านทานการวิบัติแบบ Block Shear ของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวที่รับแรงเฉือน เทียบกับแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์เชิงวิจัย (ROFEM) และแบบจำลองเชิงวิเคราะห์หลัก (AM)
แบบจำลองเชิงวิเคราะห์
มีแบบจำลองเชิงวิเคราะห์หลายแบบสำหรับการต้านทานการวิบัติแบบ Block Shear ของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียว โดยศึกษาแบบจำลองจากมาตรฐาน EN 1993-1-8:2005, EN 1993-1-8:2020, AISC 360-10 และ CSA S16-9 นอกจากนี้ยังใช้แบบจำลองเชิงวิเคราะห์โดย Driver et al. (2005) และ Topkaya et al. (2004) ในการเปรียบเทียบด้วย
\[V_{\mathrm{eff,1,Rd}} = \frac{f_\mathrm{u} A_\mathrm{nt}}{\gamma_\mathrm{M2}} + \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)\frac{f_\mathrm{y} A_\mathrm{nv}}{\gamma_\mathrm{M0}}\]
\[V_{\mathrm{eff,2,Rd}} = 0.5 \cdot \frac{f_\mathrm{u} A_\mathrm{nt}}{\gamma_\mathrm{M2}} + \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) \frac{f_\mathrm{y} A_\mathrm{nv}}{\gamma_\mathrm{M0}}\]
\[V_{\mathrm{eff,1,Rd}} =\left[A_\mathrm{nt} f_\mathrm{u} + \min \left(\frac{A_\mathrm{gv} \cdot f_\mathrm{y}}{\sqrt{3}} \; ; \;\frac{A_\mathrm{nv} f_\mathrm{u}}{\sqrt{3}}\right)\right] \bigg/ \gamma_\mathrm{M2}\]
\[V_{\mathrm{eff,2,Rd}} =\left[0.5 A_\mathrm{nt} f_\mathrm{u} + \min \left(\frac{A_\mathrm{gv} \cdot f_\mathrm{y}}{\sqrt{3}}\;;\;\frac{A_\mathrm{nv} f_\mathrm{u}}{\sqrt{3}}\right)\right] \bigg/ \gamma_\mathrm{M2}\]
\[\varphi R_\mathrm{n} =\varphi \left(0.6 f_u A_\mathrm{nv} + U_\mathrm{bs} f_\mathrm{u} A_\mathrm{nt}\right)\leq 0.6 f_\mathrm{y} A_\mathrm{gv} + U_\mathrm{bs} f_\mathrm{u} A_\mathrm{nt}\]
\[T_\mathrm{r} =\varphi_\mathrm{u} \left[U_t A_\mathrm{nt} f_\mathrm{u} + 0.6 A_\mathrm{gv} \frac{f_\mathrm{y} + f_\mathrm{u}}{2} \right]\]
โดยที่:
\(f_\mathrm{y}\) - กำลังคราก
\(f_\mathrm{u}\) - กำลังสูงสุด
\(\gamma_{\mathrm{M2}}\), \(\varphi_\mathrm{u}\), \(\varphi\) - ตัวประกอบความปลอดภัย
สำหรับ \(A_\mathrm{nt}\), \(A_\mathrm{nv}\), \(A_\mathrm{gv}\) ดูรูปที่ 5.6.1
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.1 Failure planes during the block shear failure}}}\]
การตรวจสอบและยืนยันความถูกต้องของความต้านทาน
การทดสอบโดย Huns et al. (2002) ถูกนำมาใช้สำหรับการตรวจสอบความถูกต้องของ ROFEM ที่สร้างโดย Sekal (2019) ในซอฟต์แวร์ ANSYS ดังแสดงในรูปที่ 5.6.2 โดยใช้ไดอะแกรมวัสดุความเค้น-ความเครียดจริง จำลองเฉพาะแผ่นที่บางที่สุดซึ่งคาดว่าจะวิบัติ สลักเกลียวถูกทำให้ง่ายขึ้นโดยกำหนดเป็นเพียงการเคลื่อนตัวแบบรองรับบนครึ่งวงกลมของรูสลักเกลียว การเคลื่อนตัวในรูทั้งหมดถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน แบบจำลอง ROFEM แสดงความสอดคล้องกับผลการทดสอบเป็นอย่างดี
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.2 ROFEM with fine mesh of the specimens tested by Huns et al. (Sekal, 2019)}}}\]
แบบจำลอง CBFEM เชิงการออกแบบใช้ Shell Element ที่มีตาข่ายค่อนข้างหยาบ โดยตาข่ายถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าบริเวณรูสลักเกลียว สลักเกลียวถูกจำลองเป็น Spring ไม่เชิงเส้นซึ่งเชื่อมต่อกับ Node ที่ขอบรูสลักเกลียวด้วย Link ใช้ไดอะแกรมวัสดุแบบสองเส้นตรงที่มีการแข็งตัวจากความเครียดน้อยมากสำหรับแผ่นเหล็ก ความต้านทานขีดจำกัดของกลุ่มสลักเกลียวในการรับแรงกดทับถูกกำหนดเมื่อความเครียดพลาสติกในแผ่นเหล็กถึง 5% (EN 1993-1-5: 2005) ความต้านทานการกดทับและการฉีกขาดของรูสลักเกลียวแต่ละตัวถูกตรวจสอบด้วยสูตรในมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.3 Comparison of specimen T2 tested by Huns et al. (Sekal, 2019)}}}\]
การเปรียบเทียบระหว่าง ROFEM, CBFEM และแบบจำลองเชิงวิเคราะห์แสดงในรูปที่ 5.6.3 แบบจำลองที่อนุรักษ์นิยมที่สุดคือแบบจำลองใน EN 1993-1-8: 2005 เนื่องจากแตกต่างจากแบบจำลองอื่น ตรงที่ใช้ระนาบแรงเฉือนสุทธิร่วมกับกำลังคราก การครากในระนาบแรงเฉือนรวมถูกสังเกตพบในการทดสอบและแบบจำลองเชิงตัวเลข ในมาตรฐานรุ่นถัดไป prEN 1993-1-8:2022 สูตรสำหรับการต้านทานการวิบัติแบบ Block Shear จะถูกเปลี่ยนแปลง ความแข็งของแบบจำลอง CBFEM ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ ROFEM ในการทดสอบ รูถูกเจาะด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับสลักเกลียว จึงไม่มีการเลื่อนเริ่มต้น แบบจำลอง ROFEM ก็ไม่คำนึงถึงการเลื่อนเช่นกัน แต่ใน CBFEM แบบจำลองแรงเฉือนของสลักเกลียวถูกประมาณโดยสมมติว่ารูสลักเกลียวมีขนาดมาตรฐาน
การศึกษาความไว
ชิ้นทดสอบ T1 ถูกนำมาใช้ศึกษาว่าระยะห่างระหว่างสลักเกลียว รูปที่ 5.6.4 และความหนาของแผ่นเหล็ก รูปที่ 5.6.6 ส่งผลต่อการต้านทานการวิบัติแบบ Block Shear อย่างไร แบบจำลองให้ผลลัพธ์ตามที่คาดไว้ ตารางที่ 5.6.1 และ 5.6.2 แสดงภาพรวมตัวอย่าง แบบร่าง 5.6.1 แสดงรูปทรงและขนาดของจุดต่อ ผลการตรวจสอบความถูกต้องแสดงในตารางที่ 5.6.3 และ 5.6.4 และในรูปที่ 5.6.5, รูปที่ 5.6.7
ตารางที่ 5.6.1 ภาพรวมตัวอย่าง ผลของระยะห่างระหว่างสลักเกลียว
ตารางที่ 5.6.2 ภาพรวมตัวอย่าง ผลของความหนาของแผ่นเหล็ก
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Drawing 5.6.1 Joint geometry and dimensions}}}\]
ผลของระยะห่างระหว่างสลักเกลียว
ตารางที่ 5.6.3 การเปรียบเทียบผลของค่าการออกแบบความต้านทานที่ทำนายโดย CBFEM, EN 1993-1-8 และ Fpr EN 1993-1-8 ผลของระยะห่างระหว่างสลักเกลียว
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.4 Effect of bolt pitch}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.5 Verification of resistance determined by CBFEM to Fpr EN 1993-1-8}}}\]
ผลของความหนาของแผ่นเหล็ก
ตารางที่ 5.6.4 การเปรียบเทียบผลของค่าการออกแบบความต้านทานที่ทำนายโดย CBFEM, EN 1993-1-8 และ Fpr EN 1993-1-8 ผลของความหนาของแผ่นเหล็ก
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.6 Effect of plate thickness}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.7 Verification of resistance determined by CBFEM to Fpr EN 1993-1-8}}}\]
ตัวอย่าง Benchmark
ข้อมูลนำเข้า
ชิ้นส่วน
- เหล็ก S450
- รูปตัด I แบบรีด
- b = 300mm
- h = 19mm
- tf = 7mm
- tw = 6.2mm
แผ่นเหล็ก - ชิ้นส่วนรองรับแรง
- เหล็ก S235
- b = 400mm
- t = 4mm
สลักเกลียว
- 6 × M16 10.9
- ระยะ e1 = 38 mm; p1 = 70 mm; p2 = 56 mm
ผลลัพธ์
- ค่าการออกแบบความต้านทาน NRd = 206.1 kN
- ตัวควบคุมคือความเครียดพลาสติกของแผ่น Gusset
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.6.9 Benchmark example}}}\]