การเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือน (AISC)

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

1 คำอธิบาย

ส่วนนี้นำเสนอการเปรียบเทียบระหว่างผลลัพธ์จาก วิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) และวิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการปฏิบัติในสหรัฐอเมริกาสำหรับการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือน แผนผังของการเชื่อมต่อที่ตรวจสอบแสดงไว้ในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือน

วิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมที่ใช้ในงานนี้อ้างอิงตามคำแนะนำที่นำเสนอใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) โดย Part 10 ของ AISC Manual นำเสนอแนวทางสองแนวทางสำหรับการออกแบบการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือน แนวทางแรกสำหรับการกำหนดค่าแบบ "มาตรฐาน" (conventional) เสนอการลดความซับซ้อนบางประการหากเป็นไปตามข้อจำกัดด้านมิติบางประการ แนวทางที่สองสำหรับการกำหนดค่าแบบ "ขยาย" (extended) มีความครอบคลุมกว้างกว่าแต่ไม่มีการลดความซับซ้อนที่อนุญาตสำหรับการออกแบบการกำหนดค่าแบบมาตรฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกำหนดค่าแบบมาตรฐานต้องมีแถวแนวตั้งเดียวของสลักเกลียวระหว่าง 2 ถึง 12 ตัว ระยะห่างระหว่างแนวสลักเกลียวและแนวรอยเชื่อม a ต้องเท่ากับหรือน้อยกว่า 3.5 นิ้ว สลักเกลียวต้องอยู่ในรูมาตรฐานหรือรูร่องสั้นตั้งฉากกับแรงปฏิกิริยาของชิ้นส่วน ระยะขอบแนวตั้ง l_ev ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดระยะขอบขั้นต่ำของตาราง J3.4 ของ AISC Specification (2016) ระยะขอบแนวนอน l_eh ต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 2d โดยที่ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางสลักเกลียว และความหนาของแผ่น t­_p หรือความหนาของแผ่นเอวคาน t_w ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดความหนาสูงสุด

การลดความซับซ้อนหลักในการออกแบบสำหรับการเชื่อมต่อที่เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้คือ ความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียวอาจประเมินได้ดังนี้: ตรวจสอบความสามารถรับแรงเฉือนของสลักเกลียวโดยใช้ค่าความเยื้องศูนย์ที่ระบุในตาราง 10-9 ของ AISC Manual (2017) และตรวจสอบการรับแรงกดและการฉีกขาดโดยสมมติว่าแรงปฏิกิริยากระทำที่จุดศูนย์กลาง การลดความซับซ้อนนี้หลีกเลี่ยงความจำเป็นในการพิจารณาการฉีกขาดในกลุ่มสลักเกลียวที่รับแรงแบบเยื้องศูนย์ สำหรับการคำนวณการกำหนดค่าแบบขยาย ซึ่งพิจารณาการฉีกขาดในการกำหนดความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียวที่รับแรงแบบเยื้องศูนย์ มีการใช้สองวิธีที่แตกต่างกัน วิธีแรกเป็นการประมาณค่าแบบอนุรักษ์นิยมที่ใช้กันทั่วไปซึ่งรู้จักกันในชื่อวิธี "poison bolt" ในวิธีนี้ ความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียวที่รับแรงแบบเยื้องศูนย์ได้มาจากการระบุความสามารถรับแรงที่น้อยที่สุดที่เป็นไปได้สำหรับสลักเกลียวใดๆ ในทิศทางของแรงใดๆ จากนั้นใช้ค่าความสามารถรับแรงนั้นร่วมกับค่า C จากตารางใน Part 7 ของ AISC Manual (2017) ค่า C ที่ระบุในตารางคำนวณจากวิธีจุดศูนย์กลางการหมุนทันที (IC) วิธีที่สองคือการใช้วิธีจุดศูนย์กลางการหมุนทันทีที่ปรับปรุงแล้วซึ่งพัฒนาโดย Denavit et al. (2021) ซึ่งพิจารณาการฉีกขาดอย่างชัดเจนภายในขั้นตอนการวนซ้ำสำหรับการกำหนดความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียว

นอกเหนือจากความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียว ยังมีการตรวจสอบการครากจากแรงเฉือนของแผ่น การแตกหักจากแรงเฉือนของแผ่น การแตกหักแบบ block shear ของแผ่น และแรงเฉือนของรอยเชื่อมสำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐาน การตรวจสอบเพิ่มเติมสำหรับการกำหนดค่าแบบขยายได้แก่ การแตกหักจากแรงดัด ความสามารถรับแรงของแผ่นแบบผสม และการโก่งเดาะของแผ่น

การคำนวณแบบดั้งเดิมทั้งหมดดำเนินการตามบทบัญญัติสำหรับการออกแบบตามปัจจัยแรงและความต้านทาน (LRFD) ใน AISC Specification (2016)

ผลลัพธ์ CBFEM ได้มาจาก IDEA StatiCa เวอร์ชัน 21.0 แบบจำลองตัวอย่างแสดงในรูปที่ 2 แรงที่อนุญาตสูงสุดถูกกำหนดโดยการวนซ้ำโดยการปรับค่าแรงกระทำที่ป้อนเข้าไปยังค่าที่โปรแกรมถือว่าปลอดภัย แต่หากเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (เช่น 0.1 kip) โปรแกรมจะถือว่าไม่ปลอดภัย ในแบบจำลองทั้งหมด คานที่รองรับถูกกำหนดประเภทแบบจำลองเป็น "N-Vz-My" เพื่อให้แน่ใจว่ามีพฤติกรรมในระนาบ หากไม่ได้ระบุไว้เป็นอย่างอื่น แรงถูกกำหนดให้จุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์อยู่ที่แนวรอยเชื่อม ซึ่งสอดคล้องกับสมมติฐานของวิธีการออกแบบที่นำเสนอใน Part 10 ของ AISC Manual (2017)

รูปที่ 2 การเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนที่สร้างแบบจำลองใน IDEA StatiCa

2 ความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียว

ขั้นแรก ตรวจสอบการเชื่อมต่อที่ความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียวควบคุมความสามารถรับแรงของการเชื่อมต่อ สำหรับการเปรียบเทียบเหล่านี้ เสาเป็น W14x90 และคานที่รองรับซึ่งต่อเข้ากับปีกของเสาเป็น W18x50 ทั้งสองเป็นไปตาม ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) แผ่นมีความสูง 15 นิ้ว (s = 3 นิ้ว, l_ev = 1.5 นิ้ว) หนา 1/2 นิ้ว และเป็นไปตาม ASTM A36 (F_y = 36 ksi, F_u = 58 ksi) แต่ละแถวแนวตั้งของสลักเกลียวมีสลักเกลียว A325 เส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4 นิ้ว จำนวน (5) ตัว โดยเกลียวไม่ถูกแยกออกจากระนาบแรงเฉือน และระยะขอบแนวนอน l_eh = 2.0 นิ้ว รอยเชื่อมเป็นรอยเชื่อมฟิลเล็ต 5/16 นิ้ว ทั้งสองด้านตามกฎ (⁵/₈)t_p ที่ระบุใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) ระยะห่างจากแนวรอยเชื่อมถึงแนวสลักเกลียว a ถูกเปลี่ยนแปลงจาก 2 นิ้ว ถึง 5 นิ้ว (รูปที่ 3) โปรดทราบว่าการเชื่อมต่อนี้เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐานเมื่อ a ≤ 3.5 นิ้ว

รูปที่ 3 การเปลี่ยนแปลงค่า 'a' ในแบบจำลอง IDEA StatiCa

การเปลี่ยนแปลงของความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อตามระยะ a แสดงในรูปที่ 4 การแตกหักจากแรงเฉือนของสลักเกลียวเป็นสภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสำหรับค่า a ทุกค่าและทุกวิธีการคำนวณ ผลลัพธ์ของ IDEA StatiCa สอดคล้องดีกับการคำนวณแบบดั้งเดิมสำหรับการกำหนดค่าแบบขยาย ในกรณีที่เกี่ยวข้อง การคำนวณแบบดั้งเดิมสำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐานให้ความสามารถรับแรงเฉือนที่มากกว่าเล็กน้อย เหตุผลคือสามารถสมมติค่าความเยื้องศูนย์ที่ลดลงเป็น a/2 สำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐานตามตาราง 10-9 ของ AISC Manual (2017) ค่าความเยื้องศูนย์ของกลุ่มสลักเกลียวถูกกำหนดเป็น a สำหรับการคำนวณการกำหนดค่าแบบขยาย ค่าความเยื้องศูนย์ของกลุ่มสลักเกลียวยังเท่ากับ a สำหรับ IDEA StatiCa เนื่องจากจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์ถูกกำหนดให้อยู่ที่แนวรอยเชื่อม วิธี poison bolt และวิธี IC ที่ปรับปรุงแล้วให้ผลลัพธ์เดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าการฉีกขาดไม่ได้ควบคุมสำหรับสลักเกลียวใดๆ (กล่าวคือ แผ่นและแผ่นเอวคานมีความหนาเพียงพอ และระยะห่างของสลักเกลียวและระยะขอบมีขนาดเพียงพอ)

รูปที่ 4 ความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนตามค่า 'a'

การเปลี่ยนแปลงของความสามารถรับแรงเฉือนตามระยะ a แสดงในรูปที่ 5 สำหรับการเชื่อมต่อที่มีคุณสมบัติเดียวกับที่อธิบายไว้ก่อนหน้า แต่มีสองแถวแนวตั้งของสลักเกลียว (รูปที่ 6) และ l_eh = 1.5 นิ้ว ระยะห่างแนวนอนระหว่างแถวแนวตั้งของสลักเกลียวเป็น 3 นิ้ว การเชื่อมต่อเหล่านี้เป็นการกำหนดค่าแบบขยายโดยไม่คำนึงถึงค่า a เนื่องจากมีมากกว่าหนึ่งแถวแนวตั้งของสลักเกลียว อีกครั้ง การแตกหักจากแรงเฉือนของสลักเกลียวเป็นสภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสำหรับค่า a ทุกค่าและทุกวิธี และผลลัพธ์ของ IDEA StatiCa สอดคล้องดีกับการคำนวณแบบดั้งเดิม

รูปที่ 5 ความสามารถรับแรงเฉือนของการกำหนดค่าแบบขยายที่มีสองแถวของสลักเกลียวตามค่า 'a'

รูปที่ 6 การกำหนดค่าแบบขยายที่มี 2 แถวของสลักเกลียวที่สร้างแบบจำลองใน IDEA StatiCa

3 ความหนาของแผ่น

การเปลี่ยนแปลงความหนาของแผ่นช่วยให้สภาวะขีดจำกัดที่หลากหลายขึ้นสามารถควบคุมได้ รวมถึงการรับแรงกดและการฉีกขาดที่รูสลักเกลียว และการครากจากแรงเฉือนและการแตกหักของแผ่น สำหรับการเปรียบเทียบเหล่านี้ เสาเป็น W14x90 และคานที่รองรับซึ่งต่อเข้ากับปีกของเสาเป็น W18x130 ทั้งสองเป็นไปตาม ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) แผ่นมีความสูง 14 นิ้ว (s = 3 นิ้ว, l_ev = 1 นิ้ว) และเป็นไปตาม ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) ความหนาของแผ่นเปลี่ยนแปลงจาก 3/16 นิ้ว ถึง 3/4 นิ้ว ในการวิเคราะห์เหล่านี้ มีแถวแนวตั้งเดียวของสลักเกลียว A490 เส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4 นิ้ว จำนวน (5) ตัว โดยเกลียวไม่ถูกแยกออกจากระนาบแรงเฉือน และระยะขอบแนวนอน l_eh = 1.5 นิ้ว รอยเชื่อมฟิลเล็ตถูกจัดให้ทั้งสองด้านของแผ่นโดยมีขนาดเปลี่ยนแปลงตามความหนาของแผ่นตามกฎ (⁵/₈)t_p ที่ระบุใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) ระยะห่างจากแนวรอยเชื่อมถึงแนวสลักเกลียว a เป็น 3.0 นิ้ว การเชื่อมต่อเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐานสำหรับความหนาของแผ่นที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 7/16 นิ้ว

การเปลี่ยนแปลงของความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อตามความหนาของแผ่นแสดงในรูปที่ 7 โดยมีสภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมแสดงในตารางที่ 1 ผลลัพธ์ที่น่าสังเกตที่สุดคือการคำนวณแบบดั้งเดิมสำหรับการกำหนดค่าแบบขยายโดยใช้วิธี poison bolt แสดงความสามารถรับแรงที่ต่ำกว่าวิธีอื่นๆ มาก วิธี poison bolt ซึ่งใช้ความสามารถรับแรงที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้สำหรับสลักเกลียวใดๆ เป็นความสามารถรับแรงของสลักเกลียวทุกตัว อาจมีความอนุรักษ์นิยมสูง อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ถูกใช้ในทางปฏิบัติสำหรับการประเมินกลุ่มสลักเกลียวที่รับแรงแบบเยื้องศูนย์ซึ่งการฉีกขาดอาจควบคุม สำหรับการเชื่อมต่อนี้ ความสามารถรับแรงของสลักเกลียวทั้งหมดอ้างอิงจากความสามารถรับแรงฉีกขาดของสลักเกลียวล่างสุดโดยใช้ระยะขอบ l_ev = 1 นิ้ว ส่งผลให้ระยะสุทธิ l_c = 0.594 นิ้ว ใน IDEA StatiCa และวิธี IC ที่ปรับปรุงแล้ว ความสามารถรับแรงของสลักเกลียวแต่ละตัวอ้างอิงจากระยะสุทธิในทิศทางของแรงสำหรับสลักเกลียวแต่ละตัวนั้น ตัวอย่างเช่น ที่ความสามารถรับแรงเฉือนขีดจำกัดของการเชื่อมต่อที่มีแผ่นหนา 1/4 นิ้ว ระยะสุทธิสำหรับสลักเกลียวล่างสุดที่คำนวณโดย IDEA StatiCa คือ l_c = 1.240 นิ้ว โดยอ้างอิงจากมุมของแรงในสลักเกลียว (รูปที่ 8b) ความสามารถรับแรงฉีกขาดแปรผันตามระยะสุทธิ ดังนั้นความสามารถรับแรงของสลักเกลียวตาม IDEA StatiCa จึงมากกว่าที่สมมติในวิธี poison bolt อย่างมีนัยสำคัญ

สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นบางกว่า แผ่นเป็นตัวควบคุมทั้งใน IDEA StatiCa และการคำนวณแบบดั้งเดิม (ยกเว้นวิธี poison bolt) อย่างไรก็ตาม ใน IDEA StatiCa ความเครียดพลาสติกกระจุกตัวที่รูของสลักเกลียวบนสุดและโดยเฉพาะอย่างยิ่งสลักเกลียวล่างสุด (รูปที่ 8) ซึ่งแตกต่างจากระนาบการวิบัติจากแรงเฉือนที่สมมติในการคำนวณแบบดั้งเดิม (กล่าวคือ เส้นแนวตั้งผ่านจุดศูนย์กลางของสลักเกลียว) แม้จะมีความแตกต่างในพฤติกรรม แต่ความสามารถรับแรงเฉือนที่ได้ใกล้เคียงกัน โดย IDEA StatiCa ให้ความสามารถรับแรงเฉือนที่ต่ำกว่าเล็กน้อยสำหรับการเชื่อมต่อที่มีแผ่นบางกว่า

รูปที่ 7 ความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนตามความหนาของแผ่น

ตารางที่ 1 สภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสำหรับผลลัพธ์ที่นำเสนอในรูปที่ 7

รูปที่ 8 ผลลัพธ์โดยละเอียดสำหรับการเชื่อมต่อที่มีความหนาของแผ่น 1/4 นิ้ว

4 การกำหนดค่าโครงสร้างอื่นๆ

การเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนถูกใช้สำหรับการกำหนดค่าโครงสร้างที่หลากหลาย ส่วนนี้ตรวจสอบการกำหนดค่าเพิ่มเติมสองแบบ แบบหนึ่งที่คานที่รองรับต่อเข้ากับแผ่นเอวของเสา และอีกแบบหนึ่งที่คานที่รองรับต่อเข้ากับแผ่นเอวของคานหลัก

สำหรับกรณีที่คานที่รองรับต่อเข้ากับแผ่นเอวของเสา (รูปที่ 9) เสาเป็น W27x114 และคานที่รองรับเป็น W18x50 สำหรับกรณีที่คานที่รองรับต่อเข้ากับแผ่นเอวของคานหลัก (รูปที่ 11) คานหลักเป็น W21x55 และคานที่รองรับเป็น W18x46 รูปตัดปีกกว้างทั้งหมดเป็นไปตาม ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) สำหรับทั้งสองกรณี แผ่นมีความสูง 13 นิ้ว (s = 3 นิ้ว, l_ev = 2 นิ้ว) หนา 3/8 นิ้ว และเป็นไปตาม ASTM A36 (F_y = 36 ksi, F_u = 58 ksi) การเชื่อมต่อมีแถวแนวตั้งเดียวของสลักเกลียว A325 เส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4 นิ้ว จำนวน (4) ตัว โดยเกลียวไม่ถูกแยกออกจากระนาบแรงเฉือน และระยะขอบแนวนอน l_eh = 2 นิ้ว รอยเชื่อมเป็นรอยเชื่อมฟิลเล็ต 5/16 นิ้ว ทั้งสองด้านของแผ่น ระยะห่างจากแนวรอยเชื่อมถึงแนวสลักเกลียว a ถูกเปลี่ยนแปลงจาก 3 นิ้ว ถึง 5.5 นิ้ว

การเปลี่ยนแปลงของความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อตามระยะ a แสดงในรูปที่ 10 สำหรับกรณีที่คานที่รองรับต่อเข้ากับแผ่นเอวของเสา และรูปที่ 12 สำหรับกรณีที่คานที่รองรับต่อเข้ากับแผ่นเอวของคานหลัก การแตกหักจากแรงเฉือนของสลักเกลียวเป็นสภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสำหรับค่า a ทุกค่าและทุกวิธีในทั้งสองการกำหนดค่าโครงสร้าง ความสามารถรับแรงที่กำหนดจาก IDEA StatiCa สอดคล้องกับการคำนวณแบบดั้งเดิม

รูปที่ 9 แบบจำลอง IDEA StatiCa ของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนที่เชื่อมกับแกนอ่อนของเสา

รูปที่ 10 ความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนที่เชื่อมกับแกนอ่อนของเสาตามค่า 'a'

รูปที่ 11 แบบจำลอง IDEA StatiCa ของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนที่เชื่อมกับแผ่นเอวคาน

รูปที่ 12 ความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนที่เชื่อมกับแผ่นเอวคานตามค่า 'a'

5 ตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์

วิธีการออกแบบสำหรับการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) สมมติว่าตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์อยู่ที่แนวรอยเชื่อม ดังนั้น การวิเคราะห์ IDEA StatiCa ทั้งหมดในเอกสารนี้จนถึงขณะนี้ได้ใช้สมมติฐานที่เทียบเท่าสำหรับตำแหน่งบนชิ้นส่วนจาก Node ที่แรงถูกกระทำ X อย่างไรก็ตาม อาจมีการเลือกตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์แบบอื่นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากการเลือกนั้นสอดคล้องกับตำแหน่งของจุดหมุนในแบบจำลองการวิเคราะห์โครงสร้างของโครง

การวิเคราะห์ถูกดำเนินการเพื่อตรวจสอบผลกระทบของตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์ สำหรับการวิเคราะห์เหล่านี้ เสาเป็น W14x90 และคานที่รองรับซึ่งต่อเข้ากับปีกของเสาเป็น W18x143 ทั้งสองเป็นไปตาม ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) แผ่นมีความสูง 14 นิ้ว (s = 3 นิ้ว, l_ev = 1 นิ้ว) หนา 3/8 นิ้ว และเป็นไปตาม ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) มีแถวแนวตั้งเดียวของสลักเกลียว A490 เส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4 นิ้ว จำนวน (5) ตัว โดยเกลียวถูกแยกออกจากระนาบแรงเฉือน และระยะขอบแนวนอน l_eh = 1 นิ้ว รอยเชื่อมฟิลเล็ตถูกจัดให้ทั้งสองด้านของแผ่นโดยมีขนาดเปลี่ยนแปลงตามความหนาของแผ่นตามกฎ (⁵/₈)t_p ที่ระบุใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) ระยะห่างจากแนวรอยเชื่อมถึงแนวสลักเกลียว a เป็น 9 นิ้ว

การเปลี่ยนแปลงของความสามารถรับแรงเฉือนตามระยะ X (วัดจากแนวกึ่งกลางของเสาถึงตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์) แสดงในรูปที่ 13 สภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมตาม IDEA StatiCa คือการฉีกขาดของสลักเกลียวสำหรับ x ≤ 16 นิ้ว และความต้านทานของรอยเชื่อมสำหรับค่า X ที่มากกว่า สภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิมโดยใช้วิธี IC ที่ปรับปรุงแล้วคือความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียวสำหรับ x < 17 นิ้ว และการแตกหักจากแรงเฉือนของแผ่นสำหรับค่า X ที่มากกว่า สภาวะขีดจำกัดที่ควบคุมสำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิมโดยใช้วิธี poison bolt คือความสามารถรับแรงของกลุ่มสลักเกลียวสำหรับค่า X ทุกค่า น่าสังเกตว่าผลลัพธ์ของ IDEA StatiCa ใกล้เคียงกับผลลัพธ์จากวิธี poison bolt สำหรับการเปรียบเทียบนี้ สำหรับกรณีเหล่านี้ ทิศทางของแรงในสลักเกลียวที่ควบคุมใกล้เคียงกับเงื่อนไขกรณีเลวร้ายที่สุดที่ใช้ในวิธี poison bolt (รูปที่ 14)

รูปที่ 13 ความสามารถรับแรงเฉือนของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนเทียบกับตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์

รูปที่ 14 ผลลัพธ์โดยละเอียดสำหรับการเชื่อมต่อที่ตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์อยู่ที่แนวรอยเชื่อม

6 การวิเคราะห์ความแข็งเกร็ง

นอกเหนือจากข้อกำหนดด้านความสามารถรับแรง การเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนยังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดความสามารถในการหมุน มาตรา B3.4a ของ AISC Specification (2016) ระบุว่า "การเชื่อมต่อแบบอิสระต้องมีความสามารถในการหมุนเพียงพอเพื่อรองรับการหมุนที่ต้องการซึ่งกำหนดจากการวิเคราะห์โครงสร้าง" สำหรับการคำนวณแบบดั้งเดิม ข้อกำหนดนี้ได้รับการตอบสนองโดยข้อจำกัดความหนาสูงสุดของแผ่นและแผ่นเอวคานที่อธิบายไว้ใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) ด้วย IDEA StatiCa ข้อกำหนดนี้สามารถตอบสนองได้โดยการดำเนินการวิเคราะห์ความแข็งเกร็ง

ความสามารถในการหมุนจากชุดการวิเคราะห์บนการเชื่อมต่อที่มีความหนาของแผ่นเปลี่ยนแปลงแสดงในรูปที่ 15 สำหรับการวิเคราะห์เหล่านี้ เสาเป็น W14x90 และคานที่รองรับซึ่งต่อเข้ากับปีกของเสาเป็น W18x130 ทั้งสองเป็นไปตาม ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) แผ่นมีความสูง 15 นิ้ว (s = 3 นิ้ว, l_ev = 1.5 นิ้ว) และเป็นไปตาม ASTM A572 Gr. 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi) มีแถวแนวตั้งเดียวของสลักเกลียว A325 เส้นผ่านศูนย์กลาง 7/8 นิ้ว จำนวน (5) ตัว โดยเกลียวไม่ถูกแยกออกจากระนาบแรงเฉือน และระยะขอบแนวนอน l_eh = 1.5 นิ้ว รอยเชื่อมฟิลเล็ตถูกจัดให้ทั้งสองด้านของแผ่นโดยมีขนาดเปลี่ยนแปลงตามความหนาของแผ่นตามกฎ (⁵/₈)t_p ที่ระบุใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) ระยะห่างจากแนวรอยเชื่อมถึงแนวสลักเกลียว a เป็น 3 นิ้ว การเชื่อมต่อเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐานและความสามารถในการหมุน เนื่องจากความหนาของแผ่นทั้งหมดน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1/2 นิ้ว (AISC Manual ตาราง 10-9)

การวิเคราะห์ดำเนินการโดยใช้ประเภทการวิเคราะห์ 'ST' (ความแข็งเกร็ง) ต่างจากการวิเคราะห์ก่อนหน้า แบบจำลองเหล่านี้ถูกโหลดด้วยโมเมนต์ดัดรอบแกนหลักของคาน ความสามารถในการหมุนไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของแรงกระทำที่ใช้

ตามมาตรา B3.4a ของ AISC Specification (2016) ความสามารถในการหมุนที่ต้องการถูกกำหนดจากการวิเคราะห์โครงสร้างและขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าโครงสร้างและแรงกระทำ ค่า 0.03 rad หรือ 30 mrad เป็นที่ยอมรับกันทั่วไปว่าเป็นขอบเขตบนที่สมเหตุสมผลสำหรับการหมุนที่ปลายคาน และข้อจำกัดความหนาของแผ่นใน Part 10 ของ AISC Manual (2017) ได้รับการปรับเทียบเพื่อให้เป็นไปตามขอบเขตบนนี้ (Muir and Thornton 2011) ความสามารถในการหมุนที่แสดงในรูปที่ 15 น้อยกว่า 30 mrad แม้จะเป็นไปตามข้อกำหนดความหนาของแผ่น ค่าเหล่านี้อาจยังเป็นที่ยอมรับได้สำหรับกรณีที่หลากหลายซึ่งมีการหมุนที่ปลายคานน้อยกว่าขอบเขตบน อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้เช่นกันว่าการวิเคราะห์ความแข็งเกร็งใน IDEA StatiCa ไม่ได้จับความเหนียวของการเชื่อมต่อได้อย่างครบถ้วน 

รูปที่ 15 ความสามารถในการหมุนตามความหนาของแผ่นที่เปลี่ยนแปลง

7 สรุป

การศึกษานี้เปรียบเทียบการออกแบบการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนโดยวิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการปฏิบัติในสหรัฐอเมริกาและ IDEA StatiCa ข้อสังเกตสำคัญจากการศึกษาได้แก่:

• ความสามารถรับแรงที่มีอยู่ของการเชื่อมต่อแบบแผ่นเดี่ยวรับแรงเฉือนตาม IDEA StatiCa สอดคล้องดีกับการคำนวณแบบดั้งเดิมโดยใช้วิธีสำหรับการกำหนดค่าแบบขยาย
• ความสามารถรับแรงที่มีอยู่ตาม IDEA StatiCa พบว่ามีความอนุรักษ์นิยมเมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณแบบดั้งเดิมโดยใช้วิธีสำหรับการกำหนดค่าแบบมาตรฐาน ซึ่งสมมติค่าความเยื้องศูนย์ที่ลดลงในบางกรณี
• IDEA StatiCa ตรวจจับระยะสุทธิสำหรับสลักเกลียวแต่ละตัวแยกกันสำหรับการพิจารณาการฉีกขาด ส่งผลให้มีการลดความสามารถรับแรงที่เหมาะสมเมื่อระยะขอบมีขนาดเล็ก
• IDEA StatiCa ช่วยให้สามารถตรวจสอบตำแหน่งที่สมมติของจุดที่โมเมนต์เป็นศูนย์ที่แตกต่างกันได้
• การวิเคราะห์ความแข็งเกร็งใน IDEA StatiCa สามารถใช้ประเมินข้อกำหนดความสามารถในการหมุนของ AISC Specification มาตรา B3.4a อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์พบว่ามีความอนุรักษ์นิยมเมื่อเปรียบเทียบกับกฎการออกแบบที่นำเสนอใน AISC Manual สำหรับกรณีที่ตรวจสอบ

8 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.

Denavit, M. D., Franceschetti, N., and Shahan, A. (2021). Investigation of Bearing and Tearout of Steel Bolted Connections. Final Research Report to the American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

Muir, L. S., and Thornton, W. A. (2011). "The Development of a New Design Procedure for Conventional Single-Plate Shear Connections." AISC Engineering Journal, 48(2), 141–152.