Předkvalifikované ocelové přípoje (AISC) – Shrnutí, závěr a doporučení

Série ověřovacích příkladů byla připravena v rámci společného projektu Ohio State University a IDEA StatiCa. Autoři jsou uvedeni níže:

• Baris Kasapoglu, doktorand
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Momentový přípoj s redukovaným průřezem pásnice (RBS)

Jeden testovaný momentový přípoj RBS byl vybrán z experimentální studie (Uang et al., 2000) a bylo vytvořeno pět dalších variant. Momentové únosnosti šesti vzorků s příslušnými způsoby porušení byly stanoveny postupem AISC a pomocí IDEA StatiCa. Rozdíly mezi vypočtenými únosnostmi (1 – momentová únosnost dle IDEA StatiCa / momentová únosnost dle postupu AISC) se pohybují od -3 % do +7 %, přičemž průměrný rozdíl je přibližně 4 % (Tabulka 6.1). Dále byl porovnán vztah moment–rotace vypočtený pomocí IDEA StatiCa analýzou tuhosti s hodnotami uvedenými ve zkušební zprávě (Obrázek 6.1). Je patrné, že IDEA StatiCa je schopna identifikovat způsob porušení, vypočítat momentovou únosnost a sestrojit křivku moment–rotace momentových přípojů RBS.

Tabulka 6.1: Ohybová momentová únosnost momentových přípojů RBS vypočtená pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC (vztaženo k líci sloupu)

Obrázek 6.1: Porovnání plastické rotace momentového přípoje RBS (základní model) – moment vztažen k ose sloupu

Přečtěte si celý článek s ověřovacím příkladem pro přípoj s redukovaným průřezem pásnice

Momentový přípoj s čelní deskou (EPM)

Šest testovaných přípojů EPM bylo posouzeno postupem AISC a pomocí IDEA StatiCa. Jejich momentové únosnosti a způsoby porušení byly vypočteny a porovnány s výsledky experimentu (Sumner et al., 2000). Rozdíly mezi výsledky se pohybují od -7 % do +11 %, přičemž průměrný rozdíl je přibližně 2 % (Tabulka 6.2). Je třeba poznamenat, že rozhodujícím mezním stavem pro variantu 3 je plastifikace čelní desky, kde je vypočten rozdíl 11 %, zatímco z analýzy IDEA StatiCa vyplývá jako způsob porušení nedostatečná únosnost svaru mezi čelní deskou a stojinou nosníku. Když svar dosáhne své únosnosti, je v čelní desce vypočteno plastické přetvoření 1,9 %, což je méně než 5% limit plastického přetvoření pro plechy. Z tohoto příkladu lze usoudit, že postup uvedený v AISC 358 pro mezní stav plastifikace čelní desky poskytuje konzervativnější výsledek než IDEA StatiCa. Pro základní model byla křivka moment–rotace získaná pomocí IDEA StatiCa porovnána s experimentálně naměřenou křivkou. IDEA StatiCa prokazuje svou schopnost odhadnout únosnost při přetržení šroubu včetně vlivu páčení na únosnost šroubů a příspěvku výztuhy čelní desky na ohybovou únosnost vzorků EPM. Rozdíl mezi sklony křivek po plastifikaci a rozdíl mezi dosaženými maximálními hodnotami momentu lze přičíst degradaci tuhosti, kterou testovaný vzorek prodělal, resp. bilineárnímu materiálovému modelu používanému v IDEA StatiCa.

Obrázek 6.2: Porovnání plastické rotace momentového přípoje EPM (základní model) – moment vztažen k ose sloupu

Tabulka 6.2: Ohybová momentová únosnost přípojů EPM vypočtená pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC (vztaženo k líci sloupu)

Přečtěte si celý článek s ověřovacím příkladem pro momentový přípoj s čelní deskou (EPM)

Momentový přípoj se svařovanou nevyztuženou pásnicí a svařovanou stojinou (WUF-W) 

Momentové únosnosti a způsoby porušení šesti testovaných vzorků WUF-W byly vypočteny pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC a výsledky byly porovnány s výsledky zkoušek provedených Riclesem et al. (2000). Způsoby porušení získané ze tří zdrojů jsou ve všech přípojích podobné, zatímco momentové únosnosti vypočtené pomocí IDEA StatiCa jsou přibližně o 8 % vyšší než hodnoty získané postupem AISC, s výjimkou základního modelu (Tabulka 6.3). Důvod, proč IDEA StatiCa vypočítává vyšší momentové únosnosti než postup AISC pro varianty, lze spojit s předpokladem polohy plastického kloubu. Norma AISC 358 doporučuje uvažovat plastický kloub u momentových přípojů WUF-W v líci sloupu, což vede k menšímu přídavnému momentu od posouvající síly v místě plastického kloubu ve srovnání s případem, kdy se plastický kloub nachází ve vzdálenosti od líce sloupu. Pro základní model analýza IDEA StatiCa ukazuje, že vzorek dosahuje své únosnosti při porušení svaru mezi lícem sloupu a žiletkou. Obdobně ruční výpočty provedené postupem AISC naznačují, že svar nesplňuje požadovanou únosnost. Neexistuje však žádný postup stanovený normou AISC pro výpočet momentové únosnosti těchto typů přípojů, jejichž rozhodujícím prvkem je svar mezi sloupem a nosníkem nebo žiletkou. Je třeba poznamenat, že momentová únosnost vypočtená postupem AISC je založena na plastické momentové únosnosti nosníku, přestože tento přípoj není dle AISC přípustné navrhovat, protože požadavek na únosnost svaru není splněn. Celkově je průměrný rozdíl mezi momentovými únosnostmi vypočtenými pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC přibližně 5 %. Dále byla pro základní model provedena analýza moment–rotace pomocí IDEA StatiCa a ABAQUS a výsledky byly porovnány. Křivka plastické rotace moment–rotace vypočtená pomocí IDEA StatiCa byla porovnána s naměřenou křivkou poskytnutou výzkumníky (Obrázek 6.3). Rozdíl mezi sklony křivek lze přičíst degradaci tuhosti, kterou testovaný vzorek prodělal při cyklickém zatížení. Dalším poznatkem je, že vzhledem k tomu, že IDEA StatiCa používá bilineární materiálový model, nebylo možné zcela zachytit chování při deformačním zpevnění.

Tabulka 6.3: Ohybová momentová únosnost momentových přípojů WUF-W vypočtená pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC (vztaženo k líci sloupu)

Obrázek 6.3: Porovnání plastické rotace momentového přípoje WUF-W (základní model) – moment vztažen k ose sloupu

Přečtěte si celý článek s ověřovacím příkladem pro momentový přípoj se svařovanou nevyztuženou pásnicí a svařovanou stojinou (WUF-W)

Momentový přípoj se svařovanou nevyztuženou pásnicí a šroubovanou stojinou (WUF-B)

Ohybové chování pěti testovaných vzorků WUF-B (Lee et al., 1999) bylo zkoumáno celkem na osmi modelech s použitím dvou různých typů šroubů: 1) třecí, 2) otlačovací. Ohybové momentové únosnosti vzorků byly vypočteny pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC a porovnány (Tabulka 6.4). Vzhledem k tomu, že šrouby s řízeným skluzem lze dle AISC 341 (2016) navrhovat jako předepnuté otlačovací šrouby, pokud je součinitel tření styčné plochy větší nebo roven 0,30, lze vzorky obsahující šrouby s řízeným skluzem (např. Baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) při porovnání momentové únosnosti IDEA StatiCa a postupu AISC zanedbat. U ostatních přípojů se rozdíly mezi momentovými únosnostmi vypočtenými pomocí IDEA StatiCa a AISC pohybují od -18 % do -6 %, přičemž průměrný rozdíl je přibližně 13 %. Důvod, proč IDEA StatiCa vypočítává konzervativnější momentovou únosnost než postup AISC, lze spojit se slabou vazbou mezi stojinou nosníku a pásnicí sloupu. Další zkoumání lze provést nahrazením žiletky tupým svarem podél stojiny nosníku a stejným postupem v IDEA StatiCa získat výrazné zlepšení momentové únosnosti.

Pro základní model byla plastická rotace moment–rotace získána z analýzy IDEA StatiCa a porovnána s experimentálně naměřenou hodnotou (Obrázek 6.4). Je třeba poznamenat, že pro analýzu moment–rotace jsou použity třecí (s řízeným skluzem) šrouby, zatímco pro analýzu momentové únosnosti jsou použity otlačovací šrouby. Rozdíl mezi křivkami lze přičíst procesu extrakce dat. Protože naměřená křivka moment–rotace byla extrahována z obrázku uvedeného ve zkušební zprávě, jsou malé chyby nevyhnutelné. Rozdíl v chování po plastifikaci lze vysvětlit bilineárním materiálovým modelem používaným softwarem.

Obrázek 6.4: Porovnání plastické rotace momentového přípoje WUF-B (základní model) – moment vztažen k ose sloupu

Tabulka 6.4: Ohybová momentová únosnost momentových přípojů WUF-B vypočtená pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC (vztaženo k líci sloupu)

Přečtěte si celý článek s ověřovacím příkladem pro momentový přípoj se svařovanou nevyztuženou pásnicí a šroubovanou stojinou (WUF-B)

Momentový přípoj s dvojitým T-profilem

Šest testovaných přípojů s dvojitým T-profilem bylo posouzeno postupem AISC a pomocí IDEA StatiCa. Jejich momentové únosnosti byly vypočteny a výsledky porovnány.

Rozdíly mezi výsledky se pohybují od -9 % do +7 %, přičemž průměrný rozdíl je přibližně 3 % (Tabulka 6.5). Způsoby porušení byly rovněž odhadnuty s dostatečnou přesností. Analýza moment–rotace byla provedena pomocí IDEA StatiCa a ABAQUS s použitím dvou různých typů šroubů (otlačovací, třecí), protože typ šroubu s řízeným utažením není v IDEA StatiCa k dispozici. Křivky byly porovnány s experimentálně získanou křivkou z experimentu Leona (1999) pro základní model (Obrázek 6.5). Je patrné, že křivka plastické rotace testovaného vzorku leží, jak se očekávalo, mezi křivkami vypočtenými z analýz IDEA StatiCa pro třecí a otlačovací šrouby. Dále byly pro vzorky provedeny předkvalifikační kontroly uvedené v AISC 358. Pro základní model byla v IDEA StatiCa provedena analýza kapacitního návrhu a porovnána s výsledkem získaným postupem AISC. Lze konstatovat, že IDEA StatiCa je velmi schopna vypočítat momentovou únosnost a určit způsob porušení momentových přípojů s dvojitým T-profilem. Dále lze dodat, že analýza kapacitního návrhu (např. CD) je schopna určit, zda má přípoj dostatečnou únosnost při vzniku plastického kloubu v obou nosnících, jak vyžaduje AISC 358 pro seismické přípoje.

Tabulka 6.5: Ohybová momentová únosnost momentových přípojů s dvojitým T-profilem vypočtená pomocí IDEA StatiCa a postupem AISC (vztaženo k líci sloupu)

Obrázek 6.5: Porovnání plastické rotace momentového přípoje s dvojitým T-profilem (základní model) – moment vztažen k ose sloupu

Celkově je shoda mezi momentovými únosnostmi a způsoby porušení získanými ze zkoušek, analýzy IDEA StatiCa a postupu AISC dobrá. Doporučení pro další zlepšení softwaru jsou uvedena níže:

• Lze vyvinout nový typ šroubu pro šrouby s řízeným utažením/předepnuté šrouby a poskytnout jej uživatelům jako doplněk k otlačovacím a třecím typům šroubů.
• Síly, které mají být aplikovány s možností „zatížení jsou v rovnováze", lze vypočítat v IDEA StatiCa pro různé délky prvků a okrajové podmínky podle preferencí uživatele. Tímto způsobem lze provést analýzu pro požadované podmínky bez použití jiného softwaru nebo dodatečných ručních výpočtů. V aktuální verzi IDEA StatiCa (tj. v22) byly pro výpočet momentové únosnosti testovaných vzorků síly v přípoji vypočteny pomocí SAP2000 s reprezentací podmínek zkušebního uspořádání (např. délky prvků, okrajové podmínky) a tyto vypočtené síly byly následně aplikovány v IDEA StatiCa pomocí možnosti „zatížení jsou v rovnováze".
• Přírůstkové zatěžování může být aplikováno automaticky a systematicky pomocí IDEA StatiCa a momentová únosnost může být stanovena bez nutnosti úpravy zatížení a opětovného spuštění výpočtu.
• Předkvalifikační kontroly mohou být prováděny pomocí IDEA StatiCa.
• Do softwaru lze integrovat lepší nástroj pro tvorbu sítě.
• Zobrazení křivky moment–rotace lze zlepšit/obohatit poskytnutím nástrojů pro úpravu písma, barvy a velikosti grafu.
• Některé symboly je třeba opravit/upravit pro americké uživatele (např. θ místo ϕ pro rotaci dle AISC).

Přečtěte si celý článek s ověřovacím příkladem pro momentový přípoj s dvojitým T-profilem

Přečtěte si celou studii o předkvalifikovaných přípojích!