Az IDEA StatiCa számítások ellenőrzése acél kapcsolat tervezéséhez (AISC)

Szerzők:

• Baris Kasapoglu, Ph.D. hallgató (Mélyépítési, Környezeti és Geodéziai Mérnöki Tanszék)
• Rafael Arthur Giorjao, Ph.D. (Anyagtudományi és Mérnöki Tanszék)
• Ali Nassiri, Ph.D. (Integrált Rendszermérnöki Tanszék)
• Halil Sezen, Ph.D. (Mélyépítési, Környezeti és Geodéziai Mérnöki Tanszék)

2021. június

Bevezetés

A szerkezeti és mélyépítési mérnöki területen az épület szerkezeti viselkedésének és integritásának megértése kritikus fontosságú a benne tartózkodók biztonságának garantálása érdekében. Ugyanakkor kihívást jelent egy összetett szerkezet viselkedésének elemzése és meghatározása hagyományos analitikai módszerekkel, különböző terhelési feltételek esetén. Ezért a végeselem-módszer (FEA) értékes eszköz az analitikai megoldásokhoz túl összetett fizikai szerkezetek numerikus modellezéséhez. E jelentés átfogó célja az IDEA StatiCa szoftvercsomagból kapott FEA-eredmények értékelése az Egyesült Államokban használt három általános acél kapcsolattípus esetén (azaz egyszerű, félmerev és merev kapcsolatok), és összehasonlításuk a rendelkezésre álló kísérleti adatokkal, valamint egy másik FEA-szoftver, az ABAQUS eredményeivel. Az IDEA StatiCa szoftverből kapott gerenda-oszlop csomóponti választ ezután összehasonlítják az AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016) és az AISC Steel Construction Manual (2017) szabványok követelményei szerint elvégzett tervezési számításokkal.

Ez a jelentés négy fejezetet tartalmaz. Az 1–3. fejezetekben minden kapcsolattípushoz egy kísérletileg validált kapcsolattervezést választottak ki az irodalomból alapmodellként. A szabványos tervezési ellenőrzéseket és számításokat az amerikai építési szabványok szerint végezték el minden alapmodellre és annak tíz változatára. Ezután az eredményeket összehasonlították az IDEA StatiCa előrejelzéseivel. Emellett az IDEA StatiCa FEA-eredményeit összehasonlították az ABAQUS eredményeivel. Az AISC tervezési szabványok szerinti összes szükséges lépés és az összes geometriai és tervezési ellenőrzés részletei a függelékekben szerepelnek. Az utolsó fejezet az IDEA StatiCa szoftver átfogó értékelését tartalmazza az acél kapcsolatok pontossága és az amerikai építési szabványok követelményeivel való kompatibilitása szempontjából.

1 EGYSZERŰ KAPCSOLATOK

Ebben a tanulmányban tíz csuklós kapcsolati próbatest tervezési teherbírási kapacitásait számították ki az AISC 360 (2016) ésaz AISC Construction Manual (2017) követelményei szerint. Négy próbatestet választottak ki McMullin és Astaneh (1988) által a Kaliforniai Egyetem Berkeley-i Mélyépítési Mérnöki Tanszékén végzett kísérleti tanulmányból. Hat további modellt fejlesztettek ki ellenőrzési célokra a rendelkezésre álló próbatestek paramétereinek módosításával. Ezután az alapmodellt az ABAQUS (2020) és az IDEA StatiCa (20.1.3471.1 verzió) segítségével elemezték, és az eredményeket összehasonlították.

Kísérleti tanulmány

Hét teljes méretű acél gerenda-oszlop kapcsolati próbatestet vizsgáltak, és az eredményeket McMullin és Astaneh (1988) mutatta be. Minden kapcsolati próbatestet csavarral rögzítettek a gerendához és hegesztéssel kötöttek az oszlophoz kettős szögacél szelvényekkel. Ezen vizsgálatok fő célja, hogy csak nyíróerőt vigyenek fel a kapcsolatra, nagyon kis hajlítással vagy nyomatékkal. E cél elérése érdekében a kapcsolat közelében lévő aktuátor alkalmazza a nyíróerőt. A konzol végéhez közeli aktuátor célja a gerenda vízszintes tartása és a kapcsolat elfordulásának (hajlításának) korlátozása. 

A kísérlet során használt műszerezés vázlata (McMullin és Astaneh, 1988)

Szabványos tervezési számítások és összehasonlítások

A kapcsolatok tervezési teherbírási kapacitásait (\(\phi\)R_n) az AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) és az AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017) követelményei szerint számították ki. A névleges teherbírás, R_n, és a megfelelő ellenállási tényező, \(\phi\), minden kapcsolattervezési határállapothoz a terhelési és ellenállási tényezős tervezés (LRFD) esetén az AISC 360 J fejezetében található. A következő 13 tervezési ellenőrzést végezték el az AISC 360-ban vagy az AISC Manual-ban szereplő LRFD tervezési egyenletek szerint.

• Csavar nyírási ellenőrzés                                                       (J3-1 egyenlet, AISC 360-16)
• Csavar húzási ellenőrzés                                                     (J3-1 egyenlet, AISC 360-16)
• Csavar palástnyomás a gerendán                                                (AISC 360-16, J3-6a egyenlet)
• Csavar kiszakadás a gerendán                                                (AISC 360-16, J3-6c egyenlet)
• Csavar palástnyomás a szögacélokon                                    (AISC 360-16, J3-6a egyenlet)
• Csavar kiszakadás a szögacélokon                                     (AISC 360-16, J3-6c egyenlet)
• Nyírási szakadás a szögacélokon (gerenda oldal)                      (AISC 360-16, J4-4 egyenlet)
• Blokknyírás a szögacélokon (gerenda oldal) &nbsp                          (AISC 360-16, J4-5 egyenlet)
• Nyírási folyás a szögacélokon                                           (AISC 360-16, J4-3 egyenlet)
• Nyírási folyás a gerendán                                             (AISC 360-16, J4-3 egyenlet)
• Hegesztés szakadás a szögacélokon (támaszkodó oldal)                  (9-5. oldal, AISC Manual)
• Hegesztés kapacitás                                                             (10–11. oldal, AISC Manual)
• Hegesztés kapacitás (excentricitás nélkül)                                 (AISC 360-16, J4-2 egyenlet)

IDEA StatiCa elemzés

Az IDEA StatiCa négy különböző tönkremeneteli forgatókönyvet ellenőriz ennél az acél kapcsolattípusnál: (1) lemez tönkremenetel, (2) csavar tönkremenetel, (3) hegesztés tönkremenetel és (4) kihajlás. A kiválasztott négy próbatestet (1.4. táblázat) és hat további modellt (1.6. táblázat) az IDEA StatiCa-ban modellezték és nyíróerő alatt elemezték, ahogy az 1.9. ábrán látható. A szoftverben a nyíróerő helye tetszőlegesen megválasztható. Két nyíróerő-helyzetet vizsgáltak: (1) a csavaroknál és (2) az oszlop felületénél.

Nyírási kapacitások összehasonlítása: Négy vizsgált próbatest

Nyírási kapacitások összehasonlítása: hat további modell 

Eredmények összefoglalása és összehasonlítása

Minden próbatesthez két különböző hegesztési kapacitást számítottak ki az AISC LRFD tervezési követelmények szerint. Ugyanazon négy próbatesthez két különböző hegesztési kapacitást számítottak ki az IDEA StatiCa modellekből, a nyíróerőt különböző helyeken alkalmazva. Minden terhelési forgatókönyvben megállapították, hogy a kapcsolatok leggyengébb eleme a hegesztés volt. A hegesztési kapacitásoknak megfelelő meghatározó vagy legkisebb számított teherbírásokat bemutatják és összehasonlítják a kísérlet során mért maximális hegesztési nyírási kapacitással.

A próbatestek hegesztési kapacitásait kétféleképpen számították ki az AISC LRFD szabványkövetelmények (AISC 360-16 és AISC Manual, 2017) alapján. A 4. teszt esetén, ha az AISC 360-16 J2.4 egyenletét alkalmazzák, a próbatest hegesztési tervezési kapacitása 228,3 kips. Ebben a megoldásban nem vesznek figyelembe excentricitást. Ennek az megközelítésnek az IDEA StatiCa elemzéssel való összehasonlításához a függőleges nyíróerőt a hegesztésre alkalmazták (párhuzamosan a hegesztési vonallal), és ennek a próbatestnek a hegesztési kapacitása 216,6 kips-nek adódott, ami nagyon közel van az AISC 360-16 J2.4 egyenletéből számított értékhez (228,3 kips).

Amikor a nyíróerőt a csavarokra alkalmazzák (külső függőleges erő párhuzamosan a csavarvonallal) az IDEA StatiCa modellben, a kapcsolat kapacitása 130,2 kips-nek adódott. Ha a hegesztési kapacitást az LRFD hegesztési teherbírási egyenlet alapján számítják (AISC Construction Manual, 2017, 10-11. oldal), amely figyelembe veszi a terhelés excentricitását a támaszkodó oldalon, a próbatest hegesztési kapacitása 186,8 kips. Ugyanakkor ez az AISC LRFD egyenlet konzervatívan nem veszi figyelembe a csavarok és a hegesztés közötti résből eredő excentricitást. Úgy vélik, hogy ez a feltételezés az oka az IDEA StatiCa és az AISC Manual (2017) LRFD teherbírási egyenletéből számított eredmények közötti különbségnek.

Az IDEA StatiCa és az ABAQUS eredményeinek összehasonlítása

Általánosságban jó egyezés mutatkozott a két szoftvercsomag eredményei között. Az 1. esetben, amelyben a terhelést a csavarcsoport súlypontjára alkalmazták, nagyobb alakváltozás volt megfigyelhető a kettős szögacélokon az ABAQUS modellben. Emellett a gerendán, oszlopon és hegesztési vonalakon előrejelzett maximális feszültség kissé magasabb volt az ABAQUS modellben. Ezenkívül kissé eltérő feszültségeloszlás volt megfigyelhető a gerendán az ABAQUS modellben. Mivel a terhelés csavarcsoportra való alkalmazása nem szokásos a hagyományos végeselem-szoftverekben, ez az eltérés összefügghetkülönböző kontaktformulációkkal vagy elemtípusokkal (azaz tömör elem az ABAQUS-ban szemben a héjelemmel az IDEA StatiCa-ban). Emellett a kényszerfeltétel természetéből adódóan nagyobb feszültségek adódtak az oszlopon az ABAQUS modellben. A 2. esetben, amelyben a terhelést a hegesztési vonalakra alkalmazták, sokkal jobb egyezés volt megfigyelhető a két modell között. Mindkét modellben megállapították, hogy a kapcsolatok leggyengébb eleme a hegesztési vonalak voltak. Ez összhangban van az LRFD szabványos tervezési ellenőrzésekkel is. 

Előrejelzett von Mises feszültség az IDEA StatiCa és az ABAQUS modellek között; 1. eset (felső sor): a nyírási terhelést a csavarcsoport súlypontjára alkalmazták, és 2. eset (alsó sor): a nyírási terhelést a hegesztési vonalakra alkalmazták

2 FÉLMEREV KAPCSOLATOK

Ebben a fejezetben tíz félmerev kapcsolati próbatest tervezési teherbírási kapacitásait számították ki az AISC 360 (2016) és az AISC Construction Manual (2017) követelményei szerint. Ezeket a próbatesteket Azizinamini és munkatársai (1985) által a Dél-Karolinai Egyetem Mélyépítési Mérnöki Tanszékén végzett kísérleti tanulmányból választották ki. Az összes próbatestet az IDEA StatiCa segítségével elemezték, míg egyiküket az ABAQUS (2020) segítségével is. Ezután az eredményeket összehasonlították.

Kísérleti tanulmány a félmerev kapcsolatokról

Számos kettős szögacélból és felső és alsó gerenda övlemezekből álló félmerev kapcsolatot statikus és ciklikus terhelésnek vetettek alá, hogy megvizsgálják nyomaték-elfordulás viselkedésüket. Egy pár próbatestet egyszerre vizsgáltak, ahogy a 2.1. ábrán látható. A gerendaszelvények egyik oldalát csavarral rögzítették az oszlophoz, a másik oldalt görgős támaszokon támasztották alá. A csonkoszlop függőleges mozgását az oszlop tetejéhez és aljához rögzített görgős vezetékek tették lehetővé. A hidraulikus aktuátort az oszlopra való terhelés alkalmazásához használták, és a kapcsolat a terhelést a gerendákra adta át.

Azizinamini és munkatársai (1985) által használt kísérleti elrendezés

Szabványos tervezési számítások és összehasonlítások

A kapcsolatok tervezési teherbírási kapacitásait (\(\phi\)R_n) az AISC 360 (2016) és az AISC Manual (2017) követelményei szerint számították ki. A névleges teherbírás, R_n, és a megfelelő ellenállási tényező, \(\phi\) minden kapcsolattervezési LRFD határállapothoz az AISC 360 J fejezetében található. Feltételezik, hogy a felső és alsó szögacélok nyomatéki ellenállást biztosítanak, és a kettős gerinc szögacélt konzervatívan nyírási ellenállásra használják a kapcsolatnál.

A kettős gerinc szögacélok tervezési teherbírási kapacitása

A következő 14 tervezési ellenőrzést végezték el az AISC 360-ban vagy az AISC Manual-ban szereplő LRFD tervezési egyenletek szerint a kettős gerinc szögacél tervezési teherbírási kapacitásához.

• Szögacél (gerenda oldal)
  • Csavarok nyírása                                                                 J3-1 egyenlet, AISC 360-16
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                            J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Nyírási folyás                                                             J4-3 egyenlet, AISC 360-16
  • Nyírási szakadás                                                              J4-4 egyenlet, AISC 360-16          
  • Blokknyírás                                                                 J4-5 egyenlet, AISC 360-16          
• Szögacél (oszlop oldal)
  • Csavarok nyírása                                      &                                   J3-1 egyenlet, AISC 360-16            
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                           J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Nyírási folyás                                                            J4-3 egyenlet, AISC 360-16          
  • Nyírási szakadás                                                             J4-4 egyenlet, AISC 360-16          
  • Blokknyírás                                                                J4-5 egyenlet, AISC 360-16          
  • Eredő húzási kapacitás feszítő erő hatása miatt         9. rész, AISC Manual
• Gerenda
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                           J3-6 egyenlet, AISC 360-16
  • Nyírási folyás                                                            J4-3 egyenlet, AISC 360-16
• Oszlop
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                            J3-6 egyenlet, AISC 360-16

A két kettős gerinc szögacél tervezési kapacitását (a 14S1 és 14S2 próbatestekben) a gerendához rögzített szögacélon lévő csavarok blokknyírása határozta meg, míg a gerendán lévő csavarok palástnyomása és kiszakadása szabályozta a többi nyolc próbatest nyírási tervezési kapacitásait.

A felső és alsó ülőszögacélok tervezési teherbírási kapacitása

A következő 16 tervezési ellenőrzést végezték el az AISC 360-ban vagy az AISC Manual-ban szereplő LRFD egyenletek szerint a felső és ülőszögacél tervezési teherbírási kapacitásához.

• Felső és ülőszögacél (gerenda oldal)
  • Húzási folyás                                                         J4-1 egyenlet, AISC 360-16
  • Húzási szakadás                                                           J4-2 egyenlet, AISC 360-16
  • Nyomás                                                               J4.4 szakasz, AISC 360-16         
  • Csavarok nyírása                                                                  J3-1 egyenlet, AISC 360-16          
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                            J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Blokknyírás                                                         &nbsp           J4-5 egyenlet, AISC 360-16          
• Felső és ülőszögacél (oszlop oldal)
  • Nyírási folyás                                                             J4-3 egyenlet, AISC 360-16          
  • Nyírási szakadás                                                              J4-4 egyenlet, AISC 360-16          
  • Húzási kapacitás feszítő erő hatása miatt                           9-10. oldal, AISC Manual       
• Gerenda
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                            J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Hajlítási teherbírás                                                        F13.1 szakasz, AISC 360-16
  • Blokknyírás                                                                 J4-5 egyenlet, AISC 360-16          
• Oszlop
  • Gerinc panel nyírás                                                         J10-9 egyenlet, AISC 360-16        
  • Öv helyi hajlítás                                                  J10-1 egyenlet, AISC 360-16        
  • Gerinc helyi folyás                                                       J10-2 egyenlet, AISC 360-16        
  • Gerinc helyi horpadás                                                     J10-4 egyenlet, AISC 360-16        

Az összes felső és ülőszögacél tervezési kapacitását a feszítő erő hatása miatti húzási kapacitás szabályozta az oszlophoz csavarozott szögacél oldalon. Az összes felső és ülőszögacél tervezési kapacitását a feszítő erő hatása miatti húzási kapacitás szabályozta.

IDEA StatiCa elemzés

A tíz próbatestet az IDEA StatiCa-ban modellezték és az oszloptól bizonyos távolságra alkalmazott nyíróerő alatt elemezték. A távolságot az oszlop tengelyvonala és a gerenda támasza közöttitávolsággal egyenlőre választották. A gerenda támasza az első négy próbatestnél az oszlop tengelyvonalától 120 in. távolságra van feltételezve, míg a többi hat próbatestnél ez 72 in. volt. Minden próbatest azért mond fel, mert az oszlophoz rögzített felső szögacélok meghaladják a szoftver által 5%-ban meghatározott plasztikus alakváltozási határt. 

A nyomaték-elfordulás diagramok az AISC hagyományos számítással (kék) és az IDEA StatiCa-val (narancssárga) meghatározott teherbírásokkal együtt a következő képeken láthatók.

A 14S1 (bal) és 14S2 (jobb) tesztszám nyomaték-elfordulás kapcsolata

A 14S3 (bal) és 14S4 (jobb) tesztszám nyomaték-elfordulás kapcsolata

A 8S1 (bal) és 8S2 (jobb) tesztszám nyomaték-elfordulás kapcsolata

A 8S3 (bal) és 8S4 (jobb) tesztszám nyomaték-elfordulás kapcsolata

A 8S5 (bal) és 8S6 (jobb) tesztszám nyomaték-elfordulás kapcsolata

ABAQUS elemzés

Ebben a részben az IDEA StatiCa kimeneti eredményeit összehasonlították az ABAQUS (2020) szoftvercsomag eredményeivel. Ebben a tanulmányban a 14S1 tesztszámú próbatestet választották alapmodellként. Numerikus szimulációkat végeztek közel azonos feltételekkel (azaz anyagtulajdonságok, peremfeltételek és terhelés tekintetében) az IDEA StatiCa és az ABAQUS segítségével. A modellt kezdetben az IDEA StatiCa-ban tervezték, majd az összeállítást (beleértve a gerendát, oszlopot, gerinc szögacélokat, valamint a felső és ülőszögacélokat) importálták az ABAQUS-ba az IDEA StatiCa megjelenítő platformján keresztül. Ezt követően egy egyszerűsített csavarmodellt terveztek és adtak hozzá az ABAQUS modellhez.

Félmerev kapcsolat modell beállítása az ABAQUS-ban

Az ABAQUS-ban az elemtípus C3D8R (3D feszültség, 8 csomópontos lineáris téglatest, csökkentett integráció) volt, és összesen 562 377 elemet generáltak a modellben. 

ABAQUS modell hálósűrűségek

A numerikus szimulációkat négy processzoron végezték (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz), és minden szimuláció körülbelül 535 percet vett igénybe. 

Az előrejelzett von-Mises feszültség összehasonlítása az IDEA StatiCa és az ABAQUS között

Oldalnézeti összehasonlítás az IDEA StatiCa és az ABAQUS között tízes deformációs léptéktényezővel 

Általánosságban jó egyezés mutatkozott a két szoftvercsomag eredményei között. Ugyanakkor az IDEA StatiCa modellben nagyobb alakváltozás volt megfigyelhető a gerinc szögacélokon, a felső és alsó öveken. Emellett a gerinc szögacélokon a feszültségeloszlás kissé eltérő volt a két modell között. Ez valószínűleg annak köszönhető, hogy az ABAQUS modellben csökkentett integrációjú tömör elemeket alkalmaztak. Mindkét modellben megállapították, hogy az összeállítás leggyengébb eleme a felső öv volt húzásban, a lefelé mutató alkalmazott nyíróerő hatása alatt, amely húzást vezet be a felső övbe. 

3 MEREV KAPCSOLATOK

Ebben a fejezetben tíz merev kapcsolati próbatest tervezési teherbírási kapacitásait számították ki az AISC 360 (2016) és az AISC Construction Manual (2017) követelményei szerint. Az alapmodell próbatestet Sato és munkatársai (2007) által a Kaliforniai Egyetem San Diego-i Szerkezeti Mérnöki Tanszékén végzett kísérleti tanulmányból választották ki. Az alapmodell próbatestet és kilenc további variációs modellt az IDEA StatiCa segítségével elemezték, míg az alapmodell próbatestet az ABAQUS (2020) segítségével is elemezték. 

Kísérleti tanulmány a merev kapcsolatokról

Három teljes méretű csavarozott övlemez (BFP) nyomatéki kapcsolatot ciklikus vizsgálatnak vetettek alá a Kaliforniai Egyetem San Diego-i campusán. Minden próbatest megfelelt az AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings követelményeinek a speciális nyomatéki keretek gerenda-oszlop kapcsolataira vonatkozóan. A próbatestek oldalsó merevítési távolságát ezen előírás szerint határozták meg. A függőleges elmozdulásokat hidraulikus aktuátorral vitték fel a gerenda végén.

Szabványos tervezési számítások és összehasonlítások

Tíz merev kapcsolat tervezési teherbírási kapacitásait (\(\phi\)R_n) az AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) és az AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017) követelményei szerint számították ki. A névleges teherbírás, R_n, és a megfelelő ellenállási tényező, \(\phi\), minden kapcsolattervezési határállapothoz a terhelési és ellenállási tényezős tervezés (LRFD) esetén az AISC 360 J fejezetében található.

Az egyszeres gerinc lemezek tervezési teherbírási kapacitása

A következő nyolc tervezési ellenőrzést végezték el az AISC 360-ban vagy az AISC Manual-ban szereplő LRFD tervezési egyenletek szerint az egyszeres gerinc lemez tervezési teherbírási kapacitásaihoz.

• Gerinc lemez
  • Csavarok nyírása                                                                 J3-1 egyenlet, AISC 360-16
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                           J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Nyírási folyás                                                            J4-3 egyenlet, AISC 360-16
  • Nyírási szakadás                                                             J4-4 egyenlet, AISC 360-16          
  • Blokknyírás                       &                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               &nbspJ4-5 egyenlet, AISC 360-16
  • Hegesztés nyírása                                                                  8-2 egyenlet, AISC Manual
• Gerenda
  • Csavarok nyírása                                                                  J3-1 egyenlet, AISC 360-16
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                            J3-6 egyenlet, AISC 360-16

A tíz próbatest számított tervezési kapacitásai közül a 2. modell tervezési kapacitását a nyírási szakadás szabályozta, míg a csavar nyírása okozta a tönkremenetelt a többi nyolc próbatestnél.

Az övlemezek tervezési teherbírási kapacitása

A következő 13 tervezési ellenőrzést végezték el az AISC 360-ban vagy az AISC Manual-ban szereplő LRFD tervezési egyenletek szerint az övlemezek tervezési teherbírási kapacitásaihoz.

• Övlemez
  • Csavarok nyírása                                                                 J3-1 egyenlet, AISC 360-16
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                             J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Húzási folyás                                                          J4-3 egyenlet, AISC 360-16          
  • Húzási szakadás                                                            J4-4 egyenlet, AISC 360-16          
  • Blokknyírás                                                                 J4-5 egyenlet, AISC 360-16          
  • Nyomás                                                   &                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               &nbspJ4-4 szakasz, AISC 360-16         
• Gerenda
  • Csavar palástnyomás és kiszakadás                                             J3-6 egyenlet, AISC 360-16          
  • Hajlítás                                                                       F13.1 szakasz, AISC 360-16
  • Blokknyírás                                                                 J4-5 egyenlet, AISC 360-16          
• Oszlop
  • Gerinc panel nyírás                                                          J10-9 egyenlet, AISC 360-16        
  • Öv helyi hajlítás                                                   J10-1 egyenlet, AISC 360-16        
  • Gerinc helyi folyás                                                      J10-2 egyenlet, AISC 360-16        
  • Gerinc helyi horpadás                                                     J10-4 egyenlet, AISC 360-16        

A tíz próbatest számított tervezési kapacitásai közül hét próbatest tervezési kapacitását a gerinc panel zóna nyírása szabályozta, két próbatestnél a csavar nyírása volt a meghatározó, és egy próbatestnél a blokknyírás szabályozta. A próbatestek nyomatéki kapacitásait a meghatározó tervezési kapacitás és a nyomatéki kar szorzataként számították ki, a 3.5. táblázatban megadottak szerint. A nyomatéki kar egyenlő a gerenda magasságával csavar nyírás esetén, míg a gerinc panel zóna nyírás és blokknyírás teherbírások esetén (BFP, 1., 2., 3., 4., 5., 6. és 8. modellek) egyenlő a gerenda magasságának és a lemez vastagságának összegével. 

IDEA StatiCa elemzés

A tíz merev acél kapcsolati próbatestet az IDEA StatiCa-ban modellezték és az oszlop tengelyvonalától 177,5 in. távolságra alkalmazott nyíróerő alatt elemezték, a vizsgálati jelentésnek megfelelően. A nyíróerőt fokozatosan növelték, amíg a kapcsolatok el nem érték kapacitásukat az IDEA StatiCa-ban. 

ABAQUS elemzés

Ebben a részben az IDEA StatiCa kimeneti eredményeit összehasonlították az ABAQUS szoftvercsomag (2020-as verzió) eredményeivel. A BFP tesztet választották alapmodellként. Numerikus szimulációkat végeztek közel azonos feltételekkel (azaz anyagtulajdonságok, peremfeltételek és terhelés tekintetében) az IDEA StatiCa és az ABAQUS segítségével. A modellt kezdetben az IDEA StatiCa-ban tervezték, majd az összeállítást (beleértve a gerendát, oszlopot és lemezeket) importálták az ABAQUS-ba az IDEA StatiCa megjelenítő platformján keresztül. Ezt követően egy egyszerűsített csavarmodellt terveztek és adtak hozzá az ABAQUS modellhez.

Modell beállítása az ABAQUS-ban

Az ABAQUS-ban az elemtípus C3D8R (3D feszültség, 8 csomópontos lineáris téglatest, csökkentett integráció) volt, és összesen 681 016 elemet generáltak a modellben. A numerikus szimulációkat nyolc processzoron végezték (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz), és a szimuláció körülbelül 685 percet vett igénybe. 

Jó egyezés mutatkozott a két szoftvercsomag eredményei között. A gerendán és oszlopon a feszültségeloszlások nagyon közel voltak egymáshoz. Ugyanakkor kissé magasabb feszültségeket jósoltak az oszlopon, az 1. lemezen és a merevítőkön az ABAQUS modellben, ami valószínűleg a kényszerfeltétel természetéből adódik. A csavarokon és hegesztési csoportokon előrejelzett terhelés szintén nagyon közel volt egymáshoz a két szoftverben. 

4 ÖSSZEFOGLALÁS ÉS KÖVETKEZTETÉSEK

Az IDEA StatiCa egy komponens alapú végeselem-módszer (FEA) szoftvercsomag acél kapcsolat tervezéséhez. Használható különféle hegesztett és csavarozott szerkezeti acél kapcsolatok és talplemezek szerkezeti értékelésére vagy tervezésére. E jelentés fő célja az IDEA StatiCa szoftvercsomagból kapott FEA-eredmények ellenőrzése volt az Egyesült Államokban általánosan használt három acél kapcsolattípus esetén (azaz egyszerű, félmerev és merev) az amerikai építési szabványok szerint. Mért kísérleti válasz állt rendelkezésre az ebben a tanulmányban ellenőrzési célokra kiválasztott kapcsolati próbatestekhez. Minden kapcsolattípushoz és annak tíz változatához először a szabványellenőrzéseket és számításokat végezték el az AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016) és az AISC Steel Construction Manual (2017) szabványok követelményei szerint. Ezután az eredményeket összehasonlították az IDEA StatiCa előrejelzéseivel. Emellett az IDEA StatiCa eredményeit összehasonlították az ABAQUS-szal, amely egy másik robusztus FEA kód a piacon. A próbatestek mért válaszait szintén felhasználták a kapcsolati modellek általános viselkedésének és tönkremeneteli módjának összehasonlítására és jobb megértésére.

Általánosságban jó egyezés mutatkozott az IDEA StatiCa eredményei, az amerikai szabványok szerinti szabványellenőrzések és az ABAQUS eredményei között. A számított eredmények eltérnek az IDEA StatiCa-val kapottaktól, valószínűleg azért, mert az AISC egy tervezési szabvány és konzervatív lehet, míg a szoftver célja a valós viselkedés megragadása, amely várhatóan pontosabb.

Bár számos FEA szoftvercsomag létezik a piacon, amelyek képesek előrejelezni az általános szerkezeti választ különféle terhelési feltételek esetén, hiány mutatkozik a kapcsolattervezésre összpontosító speciális FEA eszközökből. A piacon lévő többi FEA szoftvercsomaghoz képest az IDEA StatiCa szoftvernek számos előnye van. A könnyű kezelhetőség mellett az IDEA StatiCa legfontosabb jellemzőjének a számítási időt találták, amelynek során az eredmények a hagyományos FEA kódokhoz, például az ABAQUS-hoz képest töredék idő alatt megkaphatók. Ez segít a mérnököknek gyorsabban és hatékonyabban értékelni és módosítani előzetes kapcsolattervezésüket, ha bármilyen változtatásra van szükség. Emellett a közönséges FEA szoftvercsomagokban a kapcsolati elemek (azaz csavarok, hegesztések, lemezek) terheléseit és kapacitásait a modellből kell kinyerni az utófeldolgozási szakaszban, ami nehézkes és időigényes feladat. Az IDEA StatiCa-ban azonban az eredményeket közvetlenül számítják ki és jelentik. Szintén az IDEA StatiCa-ban a terhelés közvetlenül alkalmazható a kapcsolat bármely helyén/elemén, míg a tipikus FEA kódokban ezt a referenciapont meghatározásán és a kapcsolattal való összekapcsolásán keresztül kell elvégezni, ami egy extra lépést jelent.

Kisebb eltérést azonban találtak a lemezek és az oszlop/gerenda felületek között meghatározott érintkezéseknél, annak ellenére, hogy ugyanolyan típusú elemzést végeztek, azaz kis alakváltozást. Ez a tömör elemek és héjelemek közötti különbségekből, vagy a két szoftverben használt érintkezési algoritmus(ok)ból adódhat. Szintén nem volt egyértelmű, ahogyan az IDEA StatiCa kód kiszámítja és alkalmazza az optimális elemméret. Emellett az Eurocode (EN1993-1-5 C függelék, C8 bekezdés, 1. megjegyzés) által ajánlott 5%-os plasztikus alakváltozási határérték miatt, amely alapértelmezett értékként van meghatározva az IDEA StatiCa szoftverben, különböző tönkremeneteli módokat figyeltek meg. 

Az IDEA StatiCa gyors és egyszerű kapcsolatmodellezési és elemzési képességei miatt a nagy acélszerkezetek bonyolult nemlineáris modellezése és időigényes dinamikai elemzése viszonylag gyorsan elvégezhető. A gerenda-oszlop keretes szerkezetek kapcsolatainak tulajdonságai az IDEA StatiCa-ban elvégzett elemzés és szabványellenőrzések alapján határozhatók meg. Ezután a kapcsolati modell szükség esetén felülvizsgálható és újraelemzett, miután a keretelemzés egy szerkezetelemző szoftver, pl. SAP2000 segítségével befejeződött. A kapcsolatok gyengébbé vagy erősebbé tehetők az IDEA StatiCa-ban a szerkezeti kereti modell kívánt optimális teljesítményétől függően. A kapcsolatok nyomaték-elfordulás válaszának fejlesztéséhez egy egyszerű és robusztusabb megközelítés az IDEA StatiCa-ban nagyon hasznos lenne, mivel az olyan programokban, mint a SAP2000, a kapcsolatok nyomaték-elfordulás válaszát a keretes szerkezetek modellezésének részeként kell meghatározni.

Az IDEA StatiCa szoftver csak annyira jó, amennyire a grafikus felhasználói felülete (GUI). Ha a GUI nem jól kivitelezett, a felhasználóknak nehézségeik lesznek az alkalmazás vagy a szoftver használatával. Az IDEA StatiCa ezt jól tervezte meg. A jó GUI mellett a szoftver minősége is megfigyelhető. Egy sor konvenció vagy szabvány követése biztosítja a következetességet, és megkönnyíti a felhasználók számára a szoftverben való navigálást. Egy szabványos és következetes nyelv biztosítja, hogy a felhasználók megértsék a kifejezéseket, amikor látják azokat. A modellek könnyen módosíthatók, lehetővé téve a gyors változóexploration és ellenőrzést.

A szoftver folyamatosan frissül, beleértve a gyorsabb betöltési időket és hibajavításokat is az általános felhasználói élmény javítása érdekében.

Hivatkozások

[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," 15^th edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.

[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background

[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., és Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.

[7] Sato, A., Newell, J., és Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Zárójelentés az American Institute of Steel Construction részére.

A jelentés teljes verziója az alábbi linken tölthető le:  

Csatolt letöltések

• Final Report_OSU.pdf (PDF, 7,2 MB)