เหตุใดจึงใช้ขีดจำกัดความเครียดพลาสติก 5% ในแผนภาพวัสดุสำหรับ AISC?

วิธีการทั่วไป

วิศวกรโครงสร้างทุกคนคุ้นเคยกับการใช้กำลังครากเป็นค่าขีดจำกัดในการตรวจสอบตามมาตรฐาน เนื่องจากมาตรฐานและรหัสการออกแบบเกือบทุกฉบับอิงแนวทางนี้ 

อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้ใช้กับพฤติกรรมยืดหยุ่นล้วนของวัสดุ ซึ่งอาจนำไปสู่การออกแบบที่อนุรักษ์นิยมเกินไปและบางครั้งทำให้โครงสร้างมีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น ส่งผลให้ใช้วัสดุมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมจริงของเหล็กนั้นแตกต่างออกไป และเป็นที่ยอมรับได้ที่จะสมมติพฤติกรรมพลาสติกของวัสดุหลังจากที่กำลังครากถูกเกินไปแล้ว

IDEA StatiCa และวิธี CBFEM

วิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) คือการผสานรวมระหว่าง Component Method และการวิเคราะห์ด้วยวิธี Finite Element 

การตรวจสอบตามมาตรฐานของจุดต่อในวิธี Component Method มาตรฐานและในวิธี CBFEM ที่ใช้ใน IDEA StatiCa Connection อิงจากการตรวจสอบส่วนประกอบทั้งหมดของจุดต่อ ส่วนประกอบเหล่านี้ได้แก่ สลักเกลียว, พุก, รอยเชื่อม, แผ่นเหล็ก และ Concrete ที่ฐานราก 

CBFEM แบ่งจุดต่อทั้งหมดออกเป็นส่วนประกอบแยกกันดังที่กล่าวข้างต้น จากนั้นซอฟต์แวร์จะสร้างแบบจำลองการวิเคราะห์โดยอัตโนมัติจากแต่ละส่วนประกอบ

แผ่นเหล็กทั้งหมด เช่น ปีกหรือเอวของหน้าตัด แผ่นเสริมความแข็ง ซี่เสริม ส่วนเสริมคาน เป็นต้น ถูกจำลองด้วย Finite Element วิธี Finite Element ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในวิศวกรรมโครงสร้างและให้ผลลัพธ์ที่ดีและเชื่อถือได้

พฤติกรรมของวัสดุอิงจากเกณฑ์การครากของ von Mises โดยสมมติว่าวัสดุมีพฤติกรรมยืดหยุ่นก่อนถึงค่าการออกแบบกำลังคราก fyd

เกณฑ์สภาวะขีดจำกัดสูงสุดสำหรับบริเวณที่ไม่เสี่ยงต่อการโก่งเดาะ คือการถึงค่าขีดจำกัดของความเครียดหลักในระนาบ โดยแนะนำให้ใช้ค่า 5% (เช่น EN 1993-1-5, App. C, Par. C.8, Note 1)

ANSI/AISC 360-16 ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป ใน Chapter B – ข้อกำหนดการออกแบบ มีบทความระบุว่า: "Connection Strength. The strength of a connection is the maximum moment that it is capable of carrying, Mn, as shown in Figure C-B3.2. The strength of a connection can be determined on the basis of an ultimate limit-state model of the connection, or from physical tests. If the moment-rotation response does not exhibit a peak load then the strength can be taken as the moment at a rotation of 0.02 rad (Hsieh and Deierlein, 1991; Leon et al., 1996)."

รูปภาพนำมาจาก ANSI/AISC 360-16, Comm. B3, p. 332, 333

ตัวอย่างการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบเชื่อมใน IDEA StatiCa แสดงดังนี้:

ความต้านทานแรงดัดในการออกแบบของการเชื่อมต่อนี้ ตามบทความใน AISC 360 ถูกกำหนดเป็นโมเมนต์ดัดที่การหมุน 20 mrad (MRd = 408.5 kip-in) ความต้านทานนี้ใกล้เคียงกับความต้านทานแรงดัดที่กำหนดโดยการจำกัดความเครียดพลาสติกที่ 5% ตามที่ EN 1993-1-5 แนะนำ (MRd = 402.5 kip-in)

ตัวอย่างอื่นของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กแบบสลักเกลียวแสดงผลลัพธ์ที่คล้ายกัน:

ในทำนองเดียวกัน ความต้านทานที่กำหนดโดยการหมุน 20 mrad (MRd = 372 kip-in) สอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับความต้านทานที่กำหนดโดยการจำกัดความเครียดพลาสติกที่ 5% (MRd = 374.7 kip-in)

บทสรุป

ANSI/AISC 360 เปิดให้การจำลองด้วยวิธี Finite Element (ดู Appendix 1 – การออกแบบด้วยการวิเคราะห์ขั้นสูง และ Chapter B – ข้อกำหนดการออกแบบ – 4. การออกแบบการเชื่อมต่อและจุดรองรับ – การวิเคราะห์โครงสร้าง) ขึ้นอยู่กับดุลยพินิจของวิศวกร การใช้แผนภาพวัสดุแบบยืดหยุ่น-พลาสติกสองเส้นตรงสำหรับแผ่นเหล็กและการจำกัดความเครียดพลาสติกเป็นแนวทางที่เรียบง่ายและสมเหตุสมผล ซึ่งช่วยให้สามารถแก้ปัญหาการเชื่อมต่อทุกประเภทที่รับแรงกระทำทั่วไปได้ ผลลัพธ์สอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับแนวทางที่ ANSI/AISC 360 แนะนำโดยเฉพาะ

ขีดจำกัดความเครียดพลาสติกสามารถแก้ไขได้ใน Code setup แม้ว่าการศึกษาการตรวจสอบจะดำเนินการด้วยค่าที่แนะนำที่ 5% ค่านี้โดยทั่วไปมีผลกระทบต่ำต่อความต้านทานของการเชื่อมต่อ ความแตกต่างในความต้านทานโมเมนต์ดัดระหว่างขีดจำกัดความเครียด 2% และ 10% มีเพียง 7% ในตัวอย่างที่สองของการเชื่อมต่อแบบสลักเกลียว

เอกสารอ้างอิง

ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 p.

EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 p.

Hsieh, S.H. and Deierlein, G.G. (1991), "Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, No. 5, pp. 995–1,009.

Leon, R.T. (1994), "Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. No. 2, pp. 57–67.