บทนำทั่วไปสำหรับการออกแบบโครงสร้างการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก
บทนำ
วิศวกรนิยมใช้ชิ้นส่วนคานในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก อย่างไรก็ตาม มีหลายตำแหน่งบนโครงสร้างที่ทฤษฎีของชิ้นส่วนไม่สามารถใช้ได้ เช่น จุดต่อเชื่อม การเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียว ฐานราก รูในผนัง ความสูงหน้าตัดที่เปลี่ยนแปลง และแรงกระทำแบบจุด การวิเคราะห์โครงสร้างในตำแหน่งดังกล่าวมีความซับซ้อนและต้องการความใส่ใจเป็นพิเศษ พฤติกรรมเป็นแบบไม่เชิงเส้น และต้องคำนึงถึงความไม่เชิงเส้นเหล่านี้ด้วย เช่น การครากของวัสดุแผ่นเหล็ก การสัมผัสระหว่างแผ่นปลายหรือแผ่นฐานกับบล็อกคอนกรีต การทำงานทิศทางเดียวของสลักเกลียวและพุก และรอยเชื่อม มาตรฐานการออกแบบ เช่น EN1993-1-8 รวมถึงเอกสารทางวิชาการ นำเสนอวิธีการแก้ปัญหาเชิงวิศวกรรม ลักษณะทั่วไปของวิธีการเหล่านี้คือการพัฒนาสำหรับรูปแบบโครงสร้างทั่วไปและแรงกระทำแบบง่าย โดยวิธีที่ใช้บ่อยที่สุดคือวิธีส่วนประกอบ
วิธีส่วนประกอบ
วิธีส่วนประกอบ (CM) แก้ปัญหาจุดต่อในฐานะระบบของรายการที่เชื่อมต่อกัน – ส่วนประกอบ โดยสร้างแบบจำลองที่สอดคล้องกันสำหรับแต่ละประเภทของจุดต่อ เพื่อให้สามารถกำหนดแรงและความเค้นในแต่ละส่วนประกอบได้ – ดังภาพต่อไปนี้
ส่วนประกอบของจุดต่อที่มีแผ่นปลายยึดด้วยสลักเกลียว โดยจำลองด้วย Spring
แต่ละส่วนประกอบจะถูกตรวจสอบแยกกันโดยใช้สูตรที่สอดคล้องกัน เนื่องจากต้องสร้างแบบจำลองที่เหมาะสมสำหรับแต่ละประเภทของจุดต่อ การใช้วิธีนี้จึงมีข้อจำกัดเมื่อแก้ปัญหาจุดต่อที่มีรูปทรงทั่วไปและแรงกระทำทั่วไป
IDEA StatiCa ร่วมกับทีมโครงการของภาควิชาโครงสร้างเหล็กและไม้ คณะวิศวกรรมโยธา กรุงปราก และสถาบันโครงสร้างโลหะและไม้ คณะวิศวกรรมโยธา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีบรโน ได้พัฒนาวิธีการสำหรับการออกแบบขั้นสูงของจุดต่อโครงสร้างเหล็ก
Component Based Finite Element Model (CBFEM) มีคุณสมบัติดังนี้:
- ทั่วไปเพียงพอ ที่จะใช้งานได้กับจุดต่อ ฐานราก และรายละเอียดส่วนใหญ่ในงานวิศวกรรมจริง
- ง่ายและรวดเร็ว เพียงพอในการใช้งานประจำวัน เพื่อให้ผลลัพธ์ในเวลาที่เทียบเคียงได้กับวิธีการและเครื่องมือในปัจจุบัน
- ครอบคลุม เพียงพอที่จะให้ข้อมูลที่ชัดเจนแก่วิศวกรโครงสร้างเกี่ยวกับพฤติกรรมของจุดต่อ ความเค้น ความเครียด และสำรองของส่วนประกอบแต่ละชิ้น รวมถึงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือโดยรวม
วิธี CBFEM อยู่บนพื้นฐานแนวคิดที่ว่าส่วนที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและมีประโยชน์มากที่สุดของ CM ควรได้รับการรักษาไว้ จุดอ่อนของ CM – ความเป็นทั่วไปในการวิเคราะห์ความเค้นของส่วนประกอบแต่ละชิ้น – ถูกแทนที่ด้วยการสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์โดยใช้วิธี Finite Element (FEM)
FEM เป็นวิธีทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้าง การใช้ FEM สำหรับการสร้างแบบจำลองจุดต่อในรูปทรงใดก็ได้ดูเหมือนจะเป็นอุดมคติ (Virdi, 1999) จำเป็นต้องใช้การวิเคราะห์แบบ elastic-plastic เนื่องจากเหล็กมักจะครากในโครงสร้าง ในความเป็นจริง ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์เชิงเส้นไม่มีประโยชน์สำหรับการออกแบบจุดต่อ
แบบจำลอง FEM ถูกใช้เพื่อวัตถุประสงค์การวิจัยพฤติกรรมของจุดต่อ ซึ่งมักใช้ elements เชิงพื้นที่และค่าคุณสมบัติวัสดุที่วัดได้จริง
แบบจำลอง FEM ของจุดต่อสำหรับการวิจัย ใช้ elements เชิงพื้นที่ 3D สำหรับทั้งแผ่นเหล็กและสลักเกลียว
ทั้งเอวและปีกของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อถูกจำลองโดยใช้ shell elements ในแบบจำลอง CBFEM ซึ่งมีวิธีแก้ปัญหาที่ทราบและได้รับการพิสูจน์แล้ว
ตัวยึด – สลักเกลียวและรอยเชื่อม – มีความยากที่สุดในแง่ของแบบจำลองการวิเคราะห์ การสร้างแบบจำลององค์ประกอบดังกล่าวในโปรแกรม FEM ทั่วไปเป็นเรื่องยาก เนื่องจากโปรแกรมไม่มีคุณสมบัติที่ต้องการ ดังนั้นจึงต้องพัฒนาส่วนประกอบ FEM พิเศษเพื่อจำลองพฤติกรรมของรอยเชื่อมและสลักเกลียวในจุดต่อ
แบบจำลอง CBFEM ของการเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวผ่านแผ่นปลาย
จุดต่อของชิ้นส่วนถูกจำลองเป็นจุดไร้มวลเมื่อวิเคราะห์โครงสร้างเฟรมเหล็กหรือโครงสร้างคาน สมการสมดุลถูกประกอบขึ้นที่จุดต่อ และแรงภายในที่ปลายคานถูกกำหนดหลังจากแก้ปัญหาโครงสร้างทั้งหมด ในความเป็นจริง จุดต่อถูกรับแรงโดยแรงเหล่านั้น ผลรวมของแรงจากชิ้นส่วนทั้งหมดในจุดต่อเป็นศูนย์ – จุดต่อทั้งหมดอยู่ในสมดุล
รูปทรงที่แท้จริงของจุดต่อไม่เป็นที่ทราบในแบบจำลองโครงสร้าง วิศวกรเพียงกำหนดว่าจุดต่อนั้นถือว่าเป็นแบบแข็งหรือแบบหมุนได้
จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองจุดต่อที่น่าเชื่อถือซึ่งสะท้อนสภาพที่แท้จริง เพื่อออกแบบจุดต่ออย่างถูกต้อง ในวิธี CBFEM จะใช้ปลายของชิ้นส่วนที่มีความยาว 2-3 เท่าของความสูงหน้าตัดสูงสุด โดยส่วนเหล่านี้ถูกจำลองโดยใช้ shell elements
จุดต่อเชิงทฤษฎี (ไร้มวล) และรูปทรงที่แท้จริงของจุดต่อโดยไม่มีการปรับปลายชิ้นส่วน
เพื่อความแม่นยำที่ดีขึ้นของแบบจำลอง CBFEM แรงที่ปลายของชิ้นส่วน 1D จะถูกนำไปใช้เป็นแรงกระทำที่ปลายของส่วน ชุดแรงหกองค์ประกอบจากจุดต่อเชิงทฤษฎีจะถูกถ่ายโอนไปยังปลายของส่วน – ค่าของแรงยังคงเดิม แต่โมเมนต์จะถูกปรับโดยการกระทำของแรงบนแขนที่สอดคล้องกัน
ปลายของส่วนที่จุดต่อไม่ได้เชื่อมต่อกัน จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองการเชื่อมต่อ ในวิธี CBFEM จะใช้สิ่งที่เรียกว่าการดำเนินการผลิตเพื่อจำลองการเชื่อมต่อ การดำเนินการผลิตได้แก่: การตัด การเลื่อน รู แผ่นเสริมความแข็ง ซี่เสริม แผ่นปลายและรอยต่อ เหล็กฉากยึด แผ่น Gusset และอื่นๆ รวมถึงการเพิ่มองค์ประกอบยึด (รอยเชื่อมและสลักเกลียว)
IDEA StatiCa Connection สามารถทำการวิเคราะห์ได้สองประเภท:
- การวิเคราะห์เชิงเส้นทางเรขาคณิตที่มีความไม่เชิงเส้นของวัสดุและการสัมผัส สำหรับการวิเคราะห์ความเค้นและความเครียด
- การวิเคราะห์ค่าลักษณะเฉพาะเพื่อกำหนดความเป็นไปได้ของการโก่งเดาะ
ในกรณีของการเชื่อมต่อ การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตไม่จำเป็น เว้นแต่แผ่นเหล็กจะบางมาก ความบางของแผ่นเหล็กสามารถกำหนดได้โดยการวิเคราะห์ค่าลักษณะเฉพาะ (การโก่งเดาะ) สำหรับความบางขีดจำกัดที่การวิเคราะห์เชิงเส้นทางเรขาคณิตยังคงเพียงพอ โปรดดูบทที่ 3.9 การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตไม่ได้ถูกนำไปใช้ในซอฟต์แวร์