การเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวสำหรับหน้าตัด Wide Flange (AISC)

ตัวอย่างการตรวจสอบนี้จัดทำโดย Mark D. Denavit และ Kayla Truman-Jarrell ในโครงการร่วมระหว่าง The University of Tennessee และ IDEA StatiCa

1 คำอธิบาย

การศึกษานี้นำเสนอการเปรียบเทียบระหว่างผลลัพธ์จากวิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) และวิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการปฏิบัติงานในสหรัฐอเมริกา สำหรับการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวหน้าตัด Wide Flange (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 แผนผังของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวหน้าตัด Wide Flange ที่ศึกษาในงานนี้

วิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมที่ใช้ในงานนี้อ้างอิงตามข้อกำหนดสำหรับการออกแบบด้วยวิธีแรงและตัวคูณความต้านทาน (LRFD) ใน AISC Specification (2016) สภาวะขีดจำกัดที่ประเมินในการคำนวณแบบดั้งเดิม ได้แก่ การแตกร้าวจากแรงเฉือน การรับแรงกด และการฉีกขาดของสลักเกลียวสำหรับความแข็งแรงของสลักเกลียว การครากจากแรงดึง การแตกร้าวจากแรงดึง การแตกร้าวแบบ Block Shear และการครากจากแรงอัดสำหรับความแข็งแรงของแผ่นต่อ รวมถึงการครากจากแรงดึง การแตกร้าวจากแรงดึง การครากจากแรงอัด และการครากจากการดัดสำหรับชิ้นส่วนหน้าตัด Wide Flange ทั้งนี้ได้สมมติให้การเสียรูปที่รูสลักเกลียวภายใต้แรงใช้งานเป็นเงื่อนไขในการออกแบบ และได้ประเมินการลื่นไถลสำหรับบางการเชื่อมต่อด้วย

ผลลัพธ์จาก CBFEM ได้มาจาก IDEA StatiCa เวอร์ชัน 22.1 แบบจำลองตัวอย่างแสดงในรูปที่ 2 แรงกระทำสูงสุดที่ยอมรับได้ถูกกำหนดโดยการปรับค่าแรงกระทำที่ป้อนเข้าซ้ำๆ จนได้ค่าที่โปรแกรมพิจารณาว่าปลอดภัย แต่หากเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย (เช่น 1 kip) โปรแกรมจะพิจารณาว่าไม่ปลอดภัย

รูปที่ 2 การเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวหน้าตัด Wide Flange ที่สร้างแบบจำลองใน IDEA StatiCa

สำหรับการเปรียบเทียบในการศึกษานี้ เสาบนเป็น W14×159 เสมอ และเสาล่างเป็น W14×159 หรือ W14×370 หน้าตัด Wide Flange ทั้งหมดสมมติให้เป็นไปตาม ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) การเชื่อมต่อแบบต่อชนอ้างอิงตาม Table 14-3 ของ AISC Manual (2017) ใช้สลักเกลียว A490 ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7/8 นิ้ว จำนวน 24 ตัว (เกลียวไม่ถูกยกเว้นจากระนาบแรงเฉือน) ในการเชื่อมต่อ (6 ตัวสำหรับแต่ละการเชื่อมต่อระหว่างแผ่นต่อกับปีกเสา) การเชื่อมต่อไม่ใช่แบบป้องกันการลื่นไถล เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ไม่มีช่องว่างระหว่างเสา การเชื่อมต่อได้รับการประเมินทั้งโดยคำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส (Muir 2015) และโดยไม่คำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส ระยะห่างระหว่างสลักเกลียวคือ s = 3 นิ้ว และระยะขอบแนวตั้งคือ l_ev1 = 1.5 นิ้ว และ l_ev2 = 1.75 นิ้ว รวมความยาวทั้งหมด 18.5 นิ้ว สำหรับแผ่นต่อ แผ่นต่อมีความกว้าง 14 นิ้ว ระยะ Gage ของสลักเกลียวคือ g = 11.5 นิ้ว และระยะขอบแนวนอนคือ l_eh = 1.25 นิ้ว สำหรับบางกรณีตามที่แนะนำใน Table 14-3 ในกรณีอื่นๆ ระยะ Gage ของสลักเกลียวคือ g = 8 นิ้ว และระยะขอบแนวนอนคือ l_eh = 3 นิ้ว เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวแบบ Block Shear ความหนาของแผ่นต่อมีการเปลี่ยนแปลงในการวิเคราะห์ Table 14-3 แนะนำความหนาแผ่นต่อ 0.5 นิ้ว สำหรับเสา W14×159 แผ่นต่อสมมติให้เป็นไปตาม ASTM A36 (F_y = 36 ksi, F_u = 58 ksi)

การออกแบบการต่อเสานี้เหมาะสมที่สุดสำหรับการเชื่อมต่อเสาสองต้นที่รับแรงอัดในแนวแกนผ่านการรับแรงกดแบบสัมผัส การศึกษานี้ตรวจสอบกรณีที่ไม่คำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส รวมถึงกรณีที่เสารับแรงดึงหรือรับแรงดัดรอบแกนหลักร่วมกัน ใช้การเชื่อมต่อแบบเดียวกันตลอดการศึกษาเพื่อความสม่ำเสมอและความสะดวกในการเปรียบเทียบ อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อที่แตกต่างกันอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับกรณีที่มีแรงดึงหรือแรงดัดร่วมที่มีนัยสำคัญ

2 การรับแรงในแนวแกน

ขั้นแรก ได้ตรวจสอบความแข็งแรงของการเชื่อมต่อภายใต้แรงในแนวแกนสำหรับกรณีเสาที่มีความลึกเท่ากันและระยะ Gage ของสลักเกลียว g = 11.5 นิ้ว การเปลี่ยนแปลงของแรงอัดในแนวแกนสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อแสดงในรูปที่ 3 ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อมีค่ามากกว่ามากเมื่อคำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัสเมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่คำนึงถึง เมื่อคำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส ขีดจำกัดความเครียดพลาสติกในเอวเสาควบคุมสำหรับ IDEA StatiCa และการครากจากแรงอัดของเสาควบคุมสำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม สลักเกลียวและแผ่นต่อแทบไม่มีความเค้นในการวิเคราะห์เหล่านี้ ดังนั้นความแข็งแรงจึงไม่เปลี่ยนแปลงตามความหนาของแผ่นต่อ IDEA StatiCa ให้แรงกระทำสูงสุดที่ยอมรับได้มากกว่าการคำนวณแบบดั้งเดิมประมาณ 4% ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการเสริมความแข็งจากความเครียดเล็กน้อยที่สมมติในแบบจำลองและความแตกต่างเล็กน้อยในพื้นที่หน้าตัดของหน้าตัด Wide Flange (กล่าวคือ IDEA StatiCa ไม่ได้สร้างแบบจำลอง Fillet และพื้นที่บางส่วนที่จุดเชื่อมต่อของเอวและปีกแต่ละจุดถูกนับซ้ำสองครั้ง)

เมื่อไม่คำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส แรงจะถ่ายจากหน้าตัด Wide Flange หนึ่งไปยังอีกหน้าตัดหนึ่งผ่านสลักเกลียวและแผ่นต่อ สำหรับแผ่นต่อที่บางที่สุด (คือ 3/8 นิ้ว) ขีดจำกัดความเครียดพลาสติกในแผ่นต่อควบคุมสำหรับ IDEA StatiCa และการครากจากแรงอัดของแผ่นต่อควบคุมสำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม โปรดทราบว่า L_c/r ≤ 25 สำหรับแผ่นต่อเมื่อใช้ตัวคูณความยาวประสิทธิผลเท่ากับ 0.65 สำหรับเงื่อนไขปลายยึดแน่น-ยึดแน่น ดังนั้นจึงไม่ได้ใช้การลดค่าเสถียรภาพ แรงกระทำสูงสุดคือ 309 kips สำหรับ IDEA StatiCa และ 340 kips สำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม IDEA StatiCa ให้แรงกระทำสูงสุดที่น้อยกว่าเนื่องจากความเค้นในแผ่นต่อกระจุกตัวอยู่บริเวณรูสลักเกลียว สำหรับความหนาของแผ่นต่ออื่นๆ ทั้งหมด การแตกร้าวจากแรงเฉือนของสลักเกลียวควบคุมทั้งสำหรับ IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิม และแรงกระทำสูงสุดมีค่าเท่ากัน

รูปที่ 3 แรงอัดสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อ

การเปลี่ยนแปลงของแรงดึงในแนวแกนสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อแสดงในรูปที่ 4 การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa ดำเนินการทั้งโดยมีและไม่มีการดำเนินการรับแรงกดแบบสัมผัส อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์จากทั้งสองกรณีเหมือนกัน ความแข็งแกร่งของการสัมผัสในแรงดึงมีค่าน้อยมากจนละเลยได้

สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนากว่า (หนา 5/8 นิ้ว หรือมากกว่า) การแตกร้าวจากแรงเฉือนของสลักเกลียวควบคุมทั้งสำหรับ IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิม แรงกระทำสูงสุดมีค่าเท่ากันสำหรับทั้งสองวิธี สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางกว่า การฉีกขาดควบคุมความแข็งแรงตาม IDEA StatiCa และการแตกร้าวแบบ Block Shear ของแผ่นต่อควบคุมความแข็งแรงตามการคำนวณแบบดั้งเดิม ความไม่สอดคล้องกันของสภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสามารถแก้ไขได้โดยการปรับแต่งตาข่ายใน IDEA StatiCa สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว และตาข่ายเริ่มต้น (ขนาดตาข่ายสูงสุด 1.969 นิ้ว) การฉีกขาดควบคุมโดยมีแรงดึงสูงสุดที่กระทำ 341 kips สำหรับขนาดตาข่ายสูงสุด 1 นิ้ว ขีดจำกัดความเครียดพลาสติกถูกบรรลุในแผ่นต่อที่แรงกระทำ 338 kips การปรับแต่งเพิ่มเติมเป็นขนาดตาข่ายสูงสุด 0.25 นิ้ว ให้แรงกระทำสูงสุด 328 kips โดยความเครียดพลาสติกของแผ่นต่อเป็นตัวควบคุม รูปแบบของความเครียดพลาสติกสำหรับการเชื่อมต่อนี้สอดคล้องกับการวิบัติแบบ Block Shear (รูปที่ 5) แม้จะมีการปรับแต่งตาข่ายแล้ว IDEA StatiCa ยังคงให้แรงกระทำสูงสุดที่มากกว่าการคำนวณแบบดั้งเดิม สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว แรงกระทำสูงสุดตามการคำนวณแบบดั้งเดิมคือ 308 kips

นักวิจัยได้สังเกตว่าข้อกำหนดการแตกร้าวแบบ Block Shear ใน AISC Specification (2016) อาจให้ค่าที่ปลอดภัยเกินไปเมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดสอบจริง และได้เสนอสมการทางเลือกเพื่อทำนายความแข็งแรงการแตกร้าวแบบ Block Shear ได้ดีขึ้น (Teh and Deierlein 2017) สมการที่เสนอสำหรับความแข็งแรงระบุสำหรับการแตกร้าวแบบ Block Shear คือ R_n = F_uA_nt + 0.6F_uA_ev ซึ่งใช้พื้นที่แรงเฉือนประสิทธิผล A_ev เท่ากับค่าเฉลี่ยของพื้นที่แรงเฉือนรวมและพื้นที่แรงเฉือนสุทธิที่ใช้อยู่ใน AISC Specification ในปัจจุบัน (กล่าวคือ A_ev = (A_gv + A_nv)/2) ความแข็งแรงที่ใช้ได้สำหรับการแตกร้าวแบบ Block Shear สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว โดยใช้สมการนี้คือ 391 kips ดังนั้นสภาวะขีดจำกัดอื่นๆ จะเป็นตัวควบคุม หากสมการที่เสนอโดย Teh and Deierlein (2017) มีความถูกต้อง ผลลัพธ์จาก IDEA StatiCa จะให้ค่าที่ปลอดภัยเกินไป

รูปที่ 4 แรงดึงสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อ

รูปที่ 5 ความเครียดพลาสติกในแผ่นต่อที่แรงกระทำ 328 kips สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2  นิ้ว และขนาดตาข่ายสูงสุด 0.25 นิ้ว

เพื่อศึกษาพฤติกรรมของการเชื่อมต่อนี้ภายใต้แรงดึงเพิ่มเติม การวิเคราะห์ได้ดำเนินการซ้ำโดยใช้ระยะ Gage ของสลักเกลียว g = 8 นิ้ว การแตกร้าวแบบ Block Shear ไม่ควบคุมความแข็งแรงแรงดึงของแผ่นต่อด้วยค่า g นี้ การเปลี่ยนแปลงของแรงดึงในแนวแกนสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อสำหรับกรณีนี้แสดงในรูปที่ 6 ผลลัพธ์จาก IDEA StatiCa โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับกรณีที่มีระยะ Gage ของสลักเกลียวที่ใหญ่กว่า สำหรับ IDEA StatiCa และการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางที่สุดสองแผ่น (คือ 3/8 นิ้ว และ 1/2 นิ้ว) สภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมคือการฉีกขาด โดยมีเพียงสลักเกลียวที่ปลายสุดของแผ่นต่อเท่านั้นที่ถึง 100% ของอัตราการใช้งาน (รูปที่ 7) การแตกร้าวจากแรงเฉือนของสลักเกลียวควบคุมสำหรับการเชื่อมต่ออื่นๆ ใน IDEA StatiCa โดยสลักเกลียวทั้งหมดถึง 100% ของอัตราการใช้งาน สำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม ความแข็งแรงของกลุ่มสลักเกลียวควบคุมสำหรับทุกกรณี อย่างไรก็ตาม แรงกระทำสูงสุดสำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิมมีค่ามากกว่า IDEA StatiCa สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางที่สุดสองแผ่น สำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม ความแข็งแรงประสิทธิผลของสลักเกลียวแต่ละตัวในกลุ่มจะถูกประเมินและรวมกันเพื่อให้ได้ความแข็งแรงของกลุ่มสลักเกลียว ดังนั้น สลักเกลียวบางตัวถูกควบคุมโดยการฉีกขาดในขณะที่ตัวอื่นๆ ถูกควบคุมโดยการแตกร้าวจากแรงเฉือน แต่ทั้งหมดมีส่วนร่วมในความแข็งแรงสูงสุดของกลุ่มสลักเกลียว ใน IDEA StatiCa สลักเกลียวทั้งหมดถูกสร้างแบบจำลองด้วยความแข็งแกร่งเท่ากัน ดังนั้นทั้งหมดจึงรับแรงที่ใกล้เคียงกันในการเชื่อมต่อนี้ สำหรับแผ่นต่อที่บางกว่า การฉีกขาดควบคุมความแข็งแรงของสลักเกลียวที่ปลายสุดและสลักเกลียวเหล่านั้นบรรลุความแข็งแรงก่อนที่สลักเกลียวที่เหลือจะบรรลุความแข็งแรงได้ ซึ่งคล้ายกับวิธี Poison Bolt ที่ใช้กันทั่วไปมากกว่าสำหรับกลุ่มสลักเกลียวที่รับแรงนอกศูนย์ในการคำนวณแบบดั้งเดิม การใช้วิธี Poison Bolt ในกรณีนี้ให้ผลความแข็งแรงที่ใกล้เคียงกับผลจาก IDEA StatiCa มากกว่า

รูปที่ 6 แรงดึงสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อ (ระยะ Gage ของสลักเกลียว g = 8 นิ้ว)

รูปที่ 7 การแสดงผลอัตราการใช้งานของสลักเกลียวที่แรงกระทำ 256 kips สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 3/8 นิ้ว

3 การรับแรงในแนวแกนกับเสาที่มีความลึกไม่เท่ากัน

เมื่อเสาที่จะเชื่อมต่อมีความลึกต่างกัน จะใช้แผ่นเสริม (Filler Plate) เพื่อเพิ่มความลึกของเสาที่เล็กกว่าและสร้างพื้นผิวที่เรียบสำหรับแผ่นต่อ แผ่นเสริมสามารถเป็นแบบพัฒนาหรือไม่พัฒนา แผ่นเสริมแบบพัฒนามีการยึดเพิ่มเติมกับเสานอกเหนือจากแผ่นต่อ แผ่นเสริมแบบไม่พัฒนาไม่มีการยึดเพิ่มเติม AISC Specification (2016) กำหนดให้ลดความแข็งแรงแรงเฉือนและความแข็งแรงการลื่นไถลสำหรับการเชื่อมต่อแบบสลักเกลียวที่มีแผ่นเสริมแบบไม่พัฒนา

ผลลัพธ์ที่นำเสนอในส่วนนี้เป็นสำหรับการเชื่อมต่อแบบต่อชนที่มีเสาบน W14×159 และเสาล่าง W14×370 ความแตกต่างของความลึกระหว่างหน้าตัดทั้งสองคือ 2.90 นิ้ว ดังนั้นจึงสมมติว่าความหนารวมของแผ่นเสริมคือ 1.45 นิ้ว ซึ่งทำได้โดยใช้สองชั้น ชั้นหนึ่งหนา 1-1/4 นิ้ว และอีกชั้นหนา 3/16 นิ้ว

การเปลี่ยนแปลงของแรงอัดในแนวแกนสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อแสดงในรูปที่ 8 ระยะ Gage ของสลักเกลียวถูกกำหนดเป็น g = 11.5 นิ้ว สำหรับกรณีนี้ตามที่เป็นปกติสำหรับการต่อเสา เมื่อคำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส ผลลัพธ์โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับกรณีที่มีเสาความลึกเท่ากันและไม่มีแผ่นเสริม อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าการสัมผัสถูกกำหนดทั้งระหว่างหน้าตัด Wide Flange บนกับหน้าตัด Wide Flange ล่าง และระหว่างแผ่นเสริมกับหน้าตัด Wide Flange ล่าง หากการสัมผัสถูกกำหนดเฉพาะระหว่างชิ้นส่วน Wide Flange ทั้งสอง การชดเชยของแนวกึ่งกลางปีกส่งผลให้เกิดการดัดของปีก (รูปที่ 9) และความแข็งแรงที่ลดลงบ้างใน IDEA StatiCa (1879 kips โดยไม่มีการสัมผัสของแผ่นเสริม เทียบกับ 2121 kips เมื่อมีการสัมผัสของแผ่นเสริม สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว) การรับแรงกดแบบสัมผัสเต็มรูปแบบเกิดขึ้นเนื่องจากเสาทั้งสองอยู่ในตระกูลเดียวกัน (คือ W14) และระยะห่างระหว่างปีกเท่ากัน ดังนั้นการคำนวณแบบดั้งเดิมจึงไม่ได้รับผลกระทบ

เมื่อไม่คำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัส ความแข็งแรงของการต่อชนมีค่าน้อยกว่ามาก และ IDEA StatiCa แสดงความแข็งแรงเท่ากันกับการคำนวณแบบดั้งเดิมสำหรับทุกกรณียกเว้นการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางที่สุด (คือหนา 3/8 นิ้ว) โปรดทราบว่าการลดความแข็งแรงแรงเฉือนสำหรับแผ่นเสริมที่กำหนดใน Section J5.2 ของ AISC Specification (2016) ถูกนำไปใช้ทั้งใน IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิม สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางที่สุด ความเครียดพลาสติกในแผ่นต่อควบคุมใน IDEA StatiCa ส่งผลให้ความแข็งแรงต่ำกว่าการคำนวณแบบดั้งเดิม

รูปที่ 8 แรงอัดสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อสำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นเสริม

รูปที่ 9 ผลความเครียดพลาสติกที่แรงกระทำ 1920 kips สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว และไม่มีการสัมผัสระหว่างแผ่นเสริมกับหน้าตัด Wide Flange ล่าง (ตัวคูณมาตราส่วนการเสียรูป = 10)

การเปลี่ยนแปลงของแรงดึงในแนวแกนสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อแสดงในรูปที่ 10 ระยะ Gage ของสลักเกลียวถูกกำหนดเป็น g = 8 นิ้ว สำหรับกรณีนี้เพื่อหลีกเลี่ยงสภาวะขีดจำกัดการแตกร้าวแบบ Block Shear เช่นเดียวกับกรณีแรงอัด IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิมให้ความแข็งแรงเท่ากันสำหรับทุกกรณียกเว้นการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางที่สุด สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อบางที่สุด การฉีกขาดควบคุมสลักเกลียวบางตัวและเกิดความแตกต่างในความแข็งแรงเนื่องจากวิธีที่ IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิมจัดการกลุ่มสลักเกลียวที่มีสลักเกลียวความแข็งแรงต่างกันแตกต่างกัน

การลดความแข็งแรงยังใช้กับสภาวะขีดจำกัดการลื่นไถลสำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นเสริมสองแผ่นหรือมากกว่าระหว่างชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ การลดถูกกำหนดโดย h_f ซึ่งเป็นตัวคูณสำหรับแผ่นเสริม ใน Equation J3-4 ของ AISC Specification (2016) โดย h_f = 0.85 สำหรับกรณีที่มีแผ่นเสริมสองแผ่นหรือมากกว่าระหว่างชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ และ h_f = 1.0 ในกรณีอื่นๆ หากการเชื่อมต่อแบบต่อชนเป็นแบบป้องกันการลื่นไถล ความแข็งแรงที่ใช้ได้จะเป็น 199 kips สำหรับกรณีที่ไม่มีแผ่นเสริมหรือแผ่นเสริมชั้นเดียว และ 169 kips สำหรับกรณีที่มีแผ่นเสริมหลายชั้น เมื่อไม่คำนึงถึงการรับแรงกดแบบสัมผัสและกำหนดการเชื่อมต่อเป็นแบบป้องกันการลื่นไถล แรงในแนวแกนสูงสุดที่กระทำในแรงดึงตาม IDEA StatiCa คือ 152 kips สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นเสริมและแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว IDEA StatiCa ตรวจจับแผ่นเสริมหลายชั้นและใช้ตัวคูณที่เหมาะสมสำหรับแผ่นเสริม ความแข็งแรงที่ต่ำกว่าจาก IDEA StatiCa เกิดจากการที่ IDEA StatiCa คำนึงถึงการรับแรงนอกศูนย์ของแผ่นเสริม ซึ่งถูกต้านทานโดยคู่แรงที่เกิดจากแรงกดสัมผัสและแรงดึงในสลักเกลียว (รูปที่ 11) IDEA StatiCa ละเลยแรงเสียดทานจากแรงกดสัมผัสอย่างระมัดระวัง ในขณะที่คำนึงถึงแรงดึงที่กระทำในสลักเกลียวโดยใช้ตัวคูณลด k_sc (AISC Specification (2016) Section J3.9)

รูปที่ 10 แรงดึงสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อสำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นเสริม

รูปที่ 11 ความเค้นในจุดสัมผัสและผลแรงในสลักเกลียวที่แรงดึงกระทำ 152 kips สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว และสลักเกลียวแบบเสียดทาน (ป้องกันการลื่นไถล) (ตัวคูณมาตราส่วนการเสียรูป = 10)

4 การรับแรงในแนวแกนและแรงดัดรอบแกนหลักร่วมกัน

การเชื่อมต่อแบบต่อชนอาจต้องรองรับมากกว่าแค่แรงในแนวแกน สำหรับกรณีที่มีโมเมนต์ดัดรอบแกนหลัก 1000 kip-in. กระทำพร้อมกันกับแรงในแนวแกน การเปลี่ยนแปลงของแรงอัดสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อแสดงในรูปที่ 12 และการเปลี่ยนแปลงของแรงดึงสูงสุดที่กระทำตามความหนาของแผ่นต่อแสดงในรูปที่ 13 ระยะ Gage ของสลักเกลียวถูกกำหนดเป็น g = 8 นิ้ว สำหรับการวิเคราะห์ในส่วนนี้เพื่อหลีกเลี่ยงสภาวะขีดจำกัดการแตกร้าวแบบ Block Shear

ในกรณีแรงอัดและมีการรับแรงกดแบบสัมผัส ความแข็งแรงของชิ้นส่วนควบคุมทั้งการวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิม แรงกระทำสูงสุดทั้งสองลดลงจากกรณีที่รับแรงอัดล้วน (รูปที่ 3) เนื่องจากโมเมนต์ดัดที่กระทำพร้อมกัน ในกรณีแรงอัดโดยไม่มีการรับแรงกดแบบสัมผัสและในกรณีแรงดึง IDEA StatiCa ให้แรงกระทำสูงสุดที่มากกว่าการคำนวณแบบดั้งเดิมเล็กน้อยสำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนากว่าซึ่งการแตกร้าวจากแรงเฉือนของสลักเกลียวเป็นตัวควบคุม ในทางตรงกันข้าม IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิมให้ความแข็งแรงเท่ากันภายใต้แรงกระทำที่ศูนย์กลาง สำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม แรงในแต่ละกลุ่มสลักเกลียวถูกกำหนดเป็น P/2 ± M/d โดยที่ d คือความลึกของหน้าตัด Wide Flange (Tamboli 2016) สมการนี้สมมติว่าแรงเฉือนในสลักเกลียวเป็นแรงเดียวที่พื้นผิวสัมผัสระหว่างปีกเสาและแผ่นต่อ ด้วยการสร้างแบบจำลองการเชื่อมต่ออย่างชัดเจนใน IDEA StatiCa พบความเค้นสัมผัสที่พื้นผิวสัมผัส (รูปที่ 14) ซึ่งไม่ได้เพิ่มความสามารถโดยตรง (เนื่องจาก IDEA StatiCa ละเลยแรงเสียดทานที่พื้นผิวสัมผัส) แต่ทำให้แขนโมเมนต์ที่ต้านทานโมเมนต์เลื่อนออกด้านนอกและลดแรงเฉือนในสลักเกลียว

รูปที่ 12 แรงอัดสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อสำหรับการเชื่อมต่อที่รับแรงดัดรอบแกนหลักร่วมกัน

รูปที่ 13 แรงดึงสูงสุดที่กระทำเทียบกับความหนาของแผ่นต่อสำหรับการเชื่อมต่อที่รับแรงดัดรอบแกนหลักร่วมกัน

รูปที่ 14 ความเค้นในจุดสัมผัสที่แรงดึงกระทำ 212 kips และโมเมนต์รอบแกนหลักกระทำ 1000 kip-in สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว (ตัวคูณมาตราส่วนการเสียรูป = 10)

การเปลี่ยนแปลงของแรงในแนวแกนสูงสุดที่กระทำตามโมเมนต์ดัดรอบแกนหลักที่กระทำสำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นต่อหนา 1/2 นิ้ว ไม่มีการรับแรงกดแบบสัมผัส และระยะ Gage ของสลักเกลียว g = 8 นิ้ว แสดงในรูปที่ 15 ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันว่า IDEA StatiCa ให้ผลที่สอดคล้องกับการคำนวณแบบดั้งเดิมได้ดีตลอดช่วงของแรงในแนวแกนและโมเมนต์ดัดที่กระทำสำหรับการเชื่อมต่อนี้

รูปที่ 15 แรงในแนวแกนสูงสุดที่กระทำเทียบกับโมเมนต์ดัดรอบแกนหลักที่กระทำ (แรงอัดเป็นลบ)

5 สรุป

การศึกษานี้เปรียบเทียบการออกแบบการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวหน้าตัด Wide Flange โดยใช้วิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการปฏิบัติงานในสหรัฐอเมริกาและ IDEA StatiCa ข้อสังเกตสำคัญจากการศึกษา ได้แก่:

• ความแข็งแรงที่ใช้ได้ที่ได้จาก IDEA StatiCa สอดคล้องกับการคำนวณแบบดั้งเดิมได้ดี
• ในบรรดาความแตกต่างของความแข็งแรงที่มากที่สุดคือสำหรับการเชื่อมต่อที่การฉีกขาดควบคุมความแข็งแรงของสลักเกลียวบางตัว IDEA StatiCa บรรลุ 100% ของอัตราการใช้งานของสลักเกลียวที่ถูกควบคุมโดยการฉีกขาด ในขณะที่สลักเกลียวอื่นๆ ไม่บรรลุ 100% ของอัตราการใช้งาน ส่งผลให้การเปรียบเทียบกับการคำนวณแบบดั้งเดิมมีความปลอดภัยเกินไป ซึ่งการคำนวณแบบดั้งเดิมอนุญาตให้ความแข็งแรงของสลักเกลียวทั้งหมดในกลุ่มสลักเกลียวที่รับแรงที่ศูนย์กลางถูกบรรลุพร้อมกัน
• IDEA StatiCa ให้ความแข็งแรงที่สูงกว่าการคำนวณแบบดั้งเดิมบ้างเมื่อการแตกร้าวแบบ Block Shear เป็นตัวควบคุม
• IDEA StatiCa ระบุการเชื่อมต่อทั้งหมดในการศึกษานี้ที่มีแผ่นเสริมแบบไม่พัฒนาได้อย่างถูกต้อง และนำการลดความแข็งแรงแรงเฉือนของสลักเกลียวหรือความแข็งแรงการลื่นไถลที่เหมาะสมตามที่กำหนดใน AISC Specification (2016) ไปใช้ อย่างไรก็ตาม อัลกอริทึมใน IDEA StatiCa สำหรับการระบุแผ่นเสริมแบบไม่พัฒนาไม่ครอบคลุมทุกกรณี และจำเป็นต้องใช้วิจารณญาณทางวิศวกรรมในกรณีที่ไม่เป็นมาตรฐานเพื่อให้แน่ใจว่าผลความแข็งแรงถูกนำไปใช้เมื่อเหมาะสม

6 เอกสารอ้างอิง

AISC. (2016). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

AISC. (2017). Steel Construction Manual, 15th Edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

Muir, L. (2015). "Bear It and Grin." Modern Steel Construction, (December).

Tamboli, A. (2016). Handbook of Structural Steel Connection Design and Details, Third Edition. McGraw Hill, New York, NY.

Teh, L. H., and Deierlein, G. G. (2017). "Effective Shear Plane Model for Tearout and Block Shear Failure of Bolted Connections." Engineering Journal, AISC, 54(3), 181–194.