ความต้านทานโมเมนต์ของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบเชื่อมระหว่างคานและเสาหน้าตัดเปิดแกนแข็ง

รายงานนี้ได้รับการพัฒนาภายใต้กรอบความร่วมมือระหว่าง ISISE (Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering) ที่ มหาวิทยาลัย Coimbra  และ IDEA StatiCa โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนทุนร่วมกันจากทั้งสองหน่วยงาน และมีผู้เขียนดังนี้:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

บทสรุปผู้บริหาร

รายงานนี้นำเสนอการวิเคราะห์อย่างละเอียดของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบเชื่อมระหว่างคานและเสา โดยมุ่งเน้นเป็นพิเศษที่ส่วนประกอบแผ่นเอวเสารับแรงเฉือน โดยใช้แบบจำลอง 3D-FEM คุณภาพสูงที่ผ่านการตรวจสอบความถูกต้องอย่างเหมาะสม การศึกษาครอบคลุมการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบเชื่อมระหว่างคานและเสาหน้าตัดเปิดแกนแข็งที่ต้านทานโมเมนต์ ทั้งแบบมีและไม่มีแผ่นเสริมความแข็งตามขวาง ครอบคลุมการเชื่อมต่อด้านเดียวและสองด้านที่ตั้งอยู่ที่ชั้นกลาง (ภายใน) หรือชั้นสุดท้าย (หลังคา) และสำหรับการเชื่อมต่อภายในที่มีระดับแรงอัดตามแนวแกนของเสาที่แตกต่างกัน การศึกษาครอบคลุมสถานการณ์ที่หลากหลายในแง่ของความชะลูดของเสา อัตราส่วนด้านของการเชื่อมต่อ การกำหนดค่าการเชื่อมต่อ แผ่นเสริมความแข็ง แรงตามแนวแกน และอัตราส่วนโมเมนต์ (สำหรับการเชื่อมต่อสองด้าน) นอกจากนี้ยังพิจารณาประเด็นที่เกี่ยวข้องกับ FE เช่น แบบจำลองวัสดุ ประเภทการวิเคราะห์ ความหนาแน่นของตาข่าย ความไม่สมบูรณ์เริ่มต้น เป็นต้น

การศึกษานี้ครอบคลุมงานหนึ่งปีในพื้นที่ต่อไปนี้:

1. รายการชุดกรณีศึกษาประกอบด้วยกรณีที่มีแรงอัดตามแนวแกน 30%, 50% และ 70%
2. เกรดเหล็กที่ใช้ได้แก่ S235, S275 และ S355
3. มีการอภิปรายเกี่ยวกับเสารีด เสาเชื่อมด้วยรอยเชื่อมฟิลเล็ต และรอยเชื่อมชน
4. มีการรวมการศึกษาอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่าง GMNA และ MNA
5. มีการรวมการศึกษาอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับอิทธิพลของกฎหมายองค์ประกอบของวัสดุ
6. มีการศึกษาอิทธิพลของรอยเชื่อมฟิลเล็ตต่อพฤติกรรมของการเชื่อมต่อ

วัตถุประสงค์

วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้คือการประเมินความต้านทานโมเมนต์ดัดแกนแข็งของการเชื่อมต่อแบบเชื่อมในการกำหนดค่าระหว่างคานและเสาด้านเดียวและสองด้านที่มีชิ้นส่วนหน้าตัดเปิด (คานและเสา) รวมถึงอิทธิพลของแผ่นเสริมความแข็งตามขวาง โดยใช้: i) กฎการออกแบบของยุโรป ii) FEA (องค์ประกอบทรงตันสามมิติ) และ iii) IDEA StatiCa; และการเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จากแต่ละวิธี

วิธีการ

1. ประเมินความต้านทานการออกแบบของส่วนประกอบแผ่นเอวสำหรับการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบเชื่อมระหว่างคานและเสาในช่วงกว้างผ่านแบบจำลอง 3D FEM คุณภาพสูง ซึ่งใช้เป็นกรณีอ้างอิงในภายหลัง
2. เปรียบเทียบความต้านทานของการเชื่อมต่อกับแบบจำลอง CBFE (IDEA StatiCa) โดยอิงจากองค์ประกอบเปลือก
3. อภิปรายความเป็นไปได้ในการปรับปรุงคุณสมบัติและตัวเลือกเริ่มต้นที่ IDEA StatiCa นำเสนอ เพื่อให้แน่ใจว่าได้ค่าความต้านทานที่สมจริงและปลอดภัย
4. เปรียบเทียบความต้านทานของการเชื่อมต่อกับผลลัพธ์ที่ได้จากสมการการออกแบบที่ระบุใน Eurocode 3 ทั้งเวอร์ชันปัจจุบันและเวอร์ชันที่กำลังจะมาถึง
5. ประเมินความแตกต่างในความต้านทานโมเมนต์ที่เกิดจากเกณฑ์ความเครียดพลาสติกสมมูล 5% ที่ IDEA StatiCa นำมาใช้เพื่อกำหนด 'ค่าการออกแบบความต้านทาน' บนเส้นโค้งโมเมนต์-การหมุน เทียบกับเกณฑ์ทั่วไปอื่นๆ (เช่น การผ่อนคลายความแข็งเส้นสัมผัสเป็น 1/3 ของความแข็งเริ่มต้น)

คำถามที่ได้รับการตอบ

• การกระจายของผลลัพธ์เป็นอย่างไร?
• อิทธิพลของพารามิเตอร์ต่างๆ (ความชะลูด อัตราส่วนด้าน อัตราส่วนโมเมนต์ดัด แผ่นเสริมความแข็งตามขวาง แรงตามแนวแกน เป็นต้น) ต่อผลลัพธ์เหล่านี้เป็นอย่างไร?
• อิทธิพลของส่วนประกอบแผ่นเอวเสาต่อผลลัพธ์เหล่านี้เป็นอย่างไร?

ข้อยกเว้น

ไม่มีการประเมินความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์โปรแกรม เนื่องจากอยู่นอกขอบเขตของการศึกษานี้

สรุปข้อสรุป

การวิเคราะห์ผลลัพธ์ของ Abaqus ได้เน้นย้ำข้อสรุปต่อไปนี้:

1. เกี่ยวกับเกณฑ์ความเครียดพลาสติกสมมูล 5% ได้แสดงให้เห็นว่าสำหรับการเชื่อมต่อประเภทนี้ ให้ผลลัพธ์ความต้านทานที่คล้ายกับที่ได้จากแบบจำลองเชิงตัวเลขเดียวกันโดยมีการลดความแข็งเส้นสัมผัสเป็น 1/3 ของความแข็งเริ่มต้น
2. ความไม่สมบูรณ์เริ่มต้นมีบทบาทเล็กน้อยในพฤติกรรมของการเชื่อมต่อที่วิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม ควรรวมความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิต (การวิเคราะห์อันดับที่ 2) โดยเฉพาะในกรณีที่มีแรงตามแนวแกน
3. การรวม Strain hardening ส่งผลให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นเฉลี่ยเล็กน้อย 4% อย่างไรก็ตาม มีผลกระทบขนาดใหญ่ประมาณ 44% โดยเฉลี่ยต่อการหมุนของการเชื่อมต่อ

ความคิดเห็นต่อไปนี้มีความเกี่ยวข้องสำหรับการนำไปใช้ใน IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa ด้วยตาข่ายเริ่มต้นของโปรแกรม (เวอร์ชัน 23.1) และ MNA (การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางวัสดุ) ให้ความต้านทานที่มากกว่าที่ได้จาก Abaqus โดยเฉลี่ยมากกว่า 6% สำหรับเสารีดที่มีรอยเชื่อมชน และประมาณ 11% สำหรับเสาเชื่อมที่มีรอยเชื่อมชนหรือรอยเชื่อมฟิลเล็ต สำหรับเสารีดที่มีรอยเชื่อมฟิลเล็ต ผลลัพธ์โดยเฉลี่ยเหมือนกับของ Abaqus ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดที่สังเกตได้สำหรับกรณีเดียวคือ 22% (เสารีดที่มีรอยเชื่อมชน) และ 53% (เสาเชื่อมที่มีรอยเชื่อมชน)
   ความคิดเห็นของ IDEA StatiCa: สถานการณ์นี้ได้รับการแก้ไขโดยการเปลี่ยนแปลงสองอย่างที่นำมาใช้ในเวอร์ชัน 25.0:
   - การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิต
   - พื้นที่กระจายรอยเชื่อม – ลดลงสำหรับรอยเชื่อมชน กล่าวคือ ความต้านทานของเสาที่เชื่อมด้วยรอยเชื่อมชนลดลง
   
2. IDEA StatiCa ด้วยตาข่ายที่ละเอียดขึ้น (ลดขนาดตาข่ายเริ่มต้นลงครึ่งหนึ่ง) และ GMNA (การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตและวัสดุ) ให้ความต้านทานที่สอดคล้องกันดี (ภายใน ±5% โดยเฉลี่ย) กับผลลัพธ์ของ Abaqus ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดที่สังเกตได้สำหรับกรณีเดียวคือ 15% (เสารีดที่มีรอยเชื่อมชน) 5% (เสารีดที่มีรอยเชื่อมฟิลเล็ต) 27% (เสาเชื่อมที่มีรอยเชื่อมชน) และ 14% (เสาเชื่อมที่มีรอยเชื่อมฟิลเล็ต)
   ความคิดเห็นของ IDEA StatiCa: การลดขนาดตาข่ายลงครึ่งหนึ่งไม่จำเป็นอีกต่อไปด้วยการเปลี่ยนแปลงที่กล่าวถึงในจุดก่อนหน้า
   
3. อิทธิพลของความไม่สมบูรณ์เริ่มต้นได้รับการศึกษาสำหรับการเชื่อมต่อภายในด้านเดียวและพบว่าไม่มีนัยสำคัญ
   ความคิดเห็นของ IDEA StatiCa: ซึ่งหมายความว่า GMNA เพียงพอและไม่จำเป็นต้องใช้ GMNIA สำหรับช่วงการเชื่อมต่อที่ตรวจสอบ
   
4. การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางวัสดุล้วนโดยไม่มีผลอันดับที่ 2^nd นำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่อนุรักษ์นิยมในกรณีที่มีแรงตามแนวแกนบนเสา ดังนั้นจึงแนะนำให้เปิดใช้งานการวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตเป็นค่าเริ่มต้นในโปรแกรม
   ความคิดเห็นของ IDEA StatiCa: ในเวอร์ชัน 25.0 การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิต พร้อมใช้งานสำหรับทุกการเชื่อมต่อ ในแพตช์ที่กำลังจะมาถึง จะมีการแจ้งเตือน
   
5. ขนาดตาข่ายมีบทบาทสำคัญในความแม่นยำของผลลัพธ์ แนวทางที่เป็นไปได้ในการประมาณค่าที่ลู่เข้าอาจอิงจากกระบวนการอัตโนมัติที่ลดขนาดตาข่ายลงครึ่งหนึ่งและใช้การประมาณค่าแบบ Richardson กับความต้านทานโมเมนต์ที่ได้จากทั้งสองค่า
   ความคิดเห็นของ IDEA StatiCa: การประมาณค่าแบบ Richardson เป็นไปได้เมื่อกำหนดความต้านทานแรงกระทำ อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถทำได้สำหรับการตรวจสอบที่ผ่าน/ไม่ผ่าน ด้วยการเปลี่ยนแปลงที่กล่าวถึงก่อนหน้าในเวอร์ชัน 25.0 ตาข่ายเริ่มต้นให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำเพียงพออยู่แล้ว 
6. แบบจำลองวัสดุที่ IDEA StatiCa นำมาใช้ (ด้วยความชันของ Strain hardening E/1000) ส่งผลให้ความต้านทานโมเมนต์เพิ่มขึ้นเฉลี่ย 3% เมื่อเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ที่ได้จากวัสดุยืดหยุ่นพลาสติกสมบูรณ์

อ่านรายงานฉบับเต็มในไฟล์แนบ

Attached Downloads

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10.7 MB)