การเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียว - T-stub รับแรงดึง

คำอธิบาย

วัตถุประสงค์ของบทนี้คือการตรวจสอบวิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) ของ T-stub ที่เชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวสองตัวรับแรงดึง โดยเปรียบเทียบกับวิธี Component Method (CM) และแบบจำลอง FEM เพื่อการวิจัย (RM) ที่สร้างในซอฟต์แวร์ Midas FEA ดู (Gödrich et al. 2019)

แบบจำลองเชิงวิเคราะห์

T-stub แบบเชื่อมและสลักเกลียวรับแรงดึงเป็นองค์ประกอบที่ศึกษาในงานนี้ ทั้งสององค์ประกอบได้รับการออกแบบตาม EN 1993-1-8:2005 รอยเชื่อมได้รับการออกแบบให้ไม่เป็นองค์ประกอบที่อ่อนแอที่สุด ความยาวประสิทธิผลสำหรับการวิบัติแบบวงกลมและไม่ใช่วงกลมพิจารณาตาม EN 1993-1-8:2005 ข้อ 6.2.6 พิจารณาเฉพาะแรงดึงเท่านั้น โหมดการวิบัติสามโหมดตาม EN 1993-1-8:2005 ข้อ 6.2.4.1 ได้แก่ 1. โหมดที่มีการครากเต็มที่ของปีก 2. โหมดที่มีเส้นครากสองเส้นที่เอวและการแตกหักของสลักเกลียว และ 3. โหมดการแตกหักของสลักเกลียว ดูรูปที่ 5.1.1 สลักเกลียวได้รับการออกแบบตามข้อ 3.6.1 ใน EN 1993-1-8:2005 ความต้านทานการออกแบบพิจารณาความต้านทานแรงเฉือนแบบ Punching และการแตกหักของสลักเกลียว

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.1 Collapse modes of T-stub}}}\]

แบบจำลองเชิงตัวเลขสำหรับการออกแบบ

T-stub ถูกจำลองด้วยองค์ประกอบเปลือก 4 โหนด ตามที่อธิบายในบทที่ 3 และสรุปเพิ่มเติมด้านล่าง แต่ละ Node มี 6 องศาอิสระ การเสียรูปของชิ้นส่วนประกอบด้วยส่วนสนับสนุนจากเมมเบรนและการดัด สถานะวัสดุแบบ Elastic-Plastic ไม่เชิงเส้นถูกตรวจสอบในแต่ละชั้นของจุดอินทิเกรชัน การประเมินผลอ้างอิงจากความเครียดสูงสุดตาม EN 1993‑1‑5:2006 ที่ค่า 5 % สลักเกลียวถูกแบ่งออกเป็นสามองค์ประกอบย่อย องค์ประกอบแรกคือก้านสลักเกลียว ซึ่งจำลองเป็น Spring ไม่เชิงเส้นและรับแรงดึงเท่านั้น องค์ประกอบย่อยที่สองถ่ายแรงดึงไปยังปีก องค์ประกอบย่อยที่สามแก้ปัญหาการถ่ายแรงเฉือน

แบบจำลองเชิงตัวเลขเพื่อการวิจัย

ในกรณีที่ CBFEM ให้ค่าความต้านทาน ความแข็งเริ่มต้น หรือความสามารถในการเสียรูปสูงกว่า จะใช้แบบจำลอง FEM เพื่อการวิจัย (RM) จากองค์ประกอบอิฐที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องจากการทดลอง (Gödrich et al. 2013) เพื่อตรวจสอบแบบจำลอง CBFEM RM ถูกสร้างในซอฟต์แวร์ Midas FEA ด้วยองค์ประกอบของแข็งแบบ Hexahedral และ Octahedral ดูรูปที่ 5.1.2 การศึกษาความไวต่อขนาด Mesh ถูกดำเนินการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมในเวลาที่เหมาะสม แบบจำลองเชิงตัวเลขของสลักเกลียวอ้างอิงจากแบบจำลองของ (Wu et al. 2012) เส้นผ่านศูนย์กลางระบุถูกพิจารณาในส่วนก้าน และเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางประสิทธิผลถูกพิจารณาในส่วนเกลียว แผ่นรองถูกเชื่อมต่อกับหัวและน็อต การเสียรูปที่เกิดจากการลื่นของเกลียวในบริเวณสัมผัสระหว่างเกลียวและน็อตถูกจำลองด้วยองค์ประกอบ Interface องค์ประกอบ Interface ไม่สามารถถ่ายแรงดึงได้ องค์ประกอบ Contact ที่อนุญาตให้ถ่ายแรงดันและแรงเสียดทานถูกใช้ระหว่างแผ่นรองและปีกของ T-stub จำลองหนึ่งในสี่ของตัวอย่างโดยใช้สมมาตร

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.2 Research FEM model}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.3 Geometry of the T-stubs}}}\]

ขอบเขตความถูกต้อง

CBFEM ได้รับการตรวจสอบสำหรับรูปทรงเรขาคณิต T-stub ทั่วไปที่เลือกไว้ ความหนาขั้นต่ำของปีกคือ 8 mm ระยะห่างสูงสุดของสลักเกลียวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสลักเกลียวถูกจำกัดโดย p/d_b ≤ 20 ระยะห่างของแนวสลักเกลียวถึงเอวถูกจำกัดที่ m/d_b ≤ 5 ภาพรวมของตัวอย่างที่พิจารณาด้วยแผ่นเหล็ก S235: f_y = 235 MPa, f_u = 360 MPa, E = E_bolt = 210 GPa แสดงในตารางที่ 5.1.1 และรูปที่ 5.1.3

ตารางที่ 5.1.1 ภาพรวมของตัวอย่าง T-stub ที่พิจารณา

พฤติกรรมโดยรวม

การเปรียบเทียบพฤติกรรมโดยรวมของ T-stub ที่อธิบายด้วยแผนภาพแรง-การเสียรูปสำหรับขั้นตอนการออกแบบทั้งหมดได้รับการจัดทำขึ้น ให้ความสนใจกับลักษณะสำคัญ ได้แก่ ความแข็งเริ่มต้น ความต้านทานการออกแบบ และความสามารถในการเสียรูป ตัวอย่าง tf20 ถูกเลือกเพื่อนำเสนอเป็นข้อมูลอ้างอิง ดูรูปที่ 5.1.4 และตารางที่ 5.1.2 CM โดยทั่วไปให้ความแข็งเริ่มต้นสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ CBFEM และ RM ในทุกกรณี RM ให้ความต้านทานการออกแบบสูงสุด ดังที่แสดงในบทที่ 6 ความสามารถในการเสียรูปก็ถูกเปรียบเทียบด้วย ความสามารถในการเสียรูปของ T-stub คำนวณตาม (Beg et al. 2004) RM ไม่พิจารณาการแตกร้าวของวัสดุ ดังนั้นการทำนายความสามารถในการเสียรูปจึงมีข้อจำกัด

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.4 Force–deformation diagram}}}\]

ตารางที่ 5.1.2 ภาพรวมพฤติกรรมโดยรวม

การตรวจสอบความต้านทาน

ความต้านทานการออกแบบที่คำนวณโดย CBFEM ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของ CM และ RM ในขั้นตอนถัดไป การเปรียบเทียบยังมุ่งเน้นไปที่ความสามารถในการเสียรูปและการระบุโหมดการวิบัติด้วย ผลลัพธ์ทั้งหมดเรียงลำดับในตารางที่ 5.1.3 การศึกษาดำเนินการสำหรับพารามิเตอร์ห้าตัว ได้แก่ ความหนาของปีก ขนาดสลักเกลียว วัสดุสลักเกลียว ระยะห่างสลักเกลียว และความกว้างของ T-stub

ตารางที่ 5.1.3 ภาพรวมพฤติกรรมโดยรวม

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.5 Sensitivity study of flange thickness}}}\]

การศึกษาความไวต่อความหนาของปีกแสดงให้เห็นว่า CBFEM ให้ความต้านทานสูงกว่า CM สำหรับตัวอย่างที่มีความหนาปีกถึง 20 mm RM ให้ความต้านทานสูงกว่าสำหรับตัวอย่างเหล่านี้ ดูรูปที่ 5.1.5 ความต้านทานที่สูงกว่าของแบบจำลองเชิงตัวเลขทั้งสองอธิบายได้จากการละเลยผลของเมมเบรนใน CM ในกรณีของเส้นผ่านศูนย์กลางสลักเกลียวและวัสดุสลักเกลียว (ดูรูปที่ 5.1.6 และรูปที่ 5.1.7 ตามลำดับ) ผลลัพธ์ของ CBFEM สอดคล้องกับ CM เนื่องจากความสอดคล้องที่ดีของทั้งสองวิธี จึงไม่จำเป็นต้องใช้ผลลัพธ์ของ RM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.6 Sensitivity study of the bolt diameter}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.7 Sensitivity study of the bolt material}}}\]

ในกรณีของระยะห่างสลักเกลียว ผลลัพธ์ของ CBFEM และ CM แสดงความสอดคล้องที่ดีโดยทั่วไป ดูรูปที่ 5.1.8 เมื่อระยะห่างสลักเกลียวเพิ่มขึ้น CBFEM ให้ความต้านทานสูงกว่า CM เล็กน้อย ด้วยเหตุนี้จึงแสดงผลลัพธ์ของ RM ด้วย RM ให้ความต้านทานสูงสุดในทุกกรณี

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.8 Sensitivity study of the bolt distance}}}\]

ในการศึกษาความกว้างของ T-stub CBFEM แสดงความต้านทานสูงกว่า CM เมื่อความกว้างเพิ่มขึ้น ผลลัพธ์ของ RM ได้รับการจัดทำขึ้น ซึ่งให้ความต้านทานสูงสุดในทุกกรณีอีกครั้ง ดูรูปที่ 5.1.9

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.9 Sensitivity study of T-stub width}}}\]

เพื่อแสดงการทำนายของแบบจำลอง CBFEM ผลลัพธ์ของการศึกษาถูกสรุปในกราฟที่เปรียบเทียบความต้านทานโดย CBFEM และ CM ดูรูปที่ 5.1.10 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความแตกต่างระหว่างสองวิธีการคำนวณส่วนใหญ่อยู่ที่ไม่เกิน 10 % ในกรณีที่ CBFEM/CM > 1,1 ความถูกต้องของ CBFEM ได้รับการตรวจสอบโดยผลลัพธ์ของ RM ซึ่งให้ความต้านทานสูงสุดในทุกกรณีที่เลือก

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.10 Summary of verification of CBFEM to CM}}}\]

ตัวอย่าง Benchmark

ข้อมูลนำเข้า

T-stub ดูรูปที่ 5.1.11

• เหล็ก S235
• ความหนาปีก t_f = 20 mm
• ความหนาเอว t_w = 20 mm
• ความกว้างปีก b_f = 300 mm
• ความยาว b = 100 mm
• รอยเชื่อมตะเข็บคู่ a_w = 10 mm

สลักเกลียว

• 2 × M24 8.8
• ระยะห่างของสลักเกลียว w = 165 mm

การตั้งค่ามาตรฐาน – แบบจำลองและ Mesh

• จำนวนองค์ประกอบบนชิ้นส่วนหรือปีกที่ใหญ่ที่สุด 16

ผลลัพธ์

• ความต้านทานการออกแบบรับแรงดึง F_T,Rd = 164 kN
• โหมดการวิบัติ – การครากเต็มที่ของปีกที่ความเครียดสูงสุด 5 %
• อัตราการใช้งานของสลักเกลียว 86,4 %
• อัตราการใช้งานของรอยเชื่อม 45,7 %

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.11 Benchmark example for the T-stub}}}\]

เอกสารอ้างอิง

EN 1993-1-5, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-5: Plated Structural Elements, CEN, Brussels, 2005.

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Beg D., Zupančič E., Vayas I. On the rotation capacity of moment connections, Journal of Constructional Steel Research, 60 (3–5), 2004, 601–620.

Gödrich L., Wald F., Sokol Z. To Advanced modelling of end plate joints, Connection and Joints in Steel and Composite Structures, Rzeszow, 2013.

Gödrich L., Wald F., Kabeláč J., Kuříková M. Design finite element model of a bolted T-stub connection component, Journal of Constructional Steel Research. 2019, (157), 198-206.

Wu Z., Zhang S., Jiang S. Simulation of tensile bolts in finite element modelling of semi-rigid beam-to-column connections, International Journal of Steel Structures 12 (3), 2012, 339-350.