Előminősített acél kapcsolatok (AISC) - Összefoglalás, következtetések és ajánlások

Az ellenőrzési példák sorozatát az Ohio State University és az IDEA StatiCa közös projektjében készítették. A szerzők az alábbiakban szerepelnek:

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

Csökkentett gerendakeresztmetszetű (RBS) nyomatéki kapcsolat

Egy tesztelt RBS nyomatéki kapcsolatot választottak ki egy kísérleti tanulmányból (Uang et al., 2000), és öt további változatot hoztak létre. Hat próbatest nyomatéki teherbírási kapacitását és tönkremeneteli módjait az AISC eljárás szerint és az IDEA StatiCa segítségével becsülték meg. A számított kapacitások közötti különbségek (1 - IDEA StatiCa nyomatéki kapacitása/AISC eljárással számított nyomatéki kapacitás) -3% és +7% között változnak, míg az átlagos különbség körülbelül 4% (6.1. táblázat). Ezenkívül az IDEA StatiCa merevsége-elemzéssel számított nyomaték-elfordulás összefüggést összehasonlították a tesztjelentésben megadottal (6.1. ábra). Látható, hogy az IDEA StatiCa képes azonosítani a tönkremeneteli módot, kiszámítani a nyomatéki teherbírási kapacitást és az RBS nyomatéki kapcsolatok nyomaték-elfordulás görbéjét.

6.1. táblázat: Az RBS nyomatéki kapcsolatok hajlítási nyomatéki szilárdsága az IDEA StatiCa és az AISC eljárás szerint számítva (az oszlop homloklapjára vonatkoztatva)

6.1. ábra: Nyomaték (az oszlop tengelyére vonatkoztatva) plasztikus elfordulás összehasonlítása az RBS nyomatéki kapcsolatnál (alap modell)

Olvassa el a teljes ellenőrzési példa cikket a csökkentett gerendakeresztmetszetről

Homloklemez nyomatéki (EPM) kapcsolat

Hat tesztelt EPM kapcsolatot értékeltek az AISC tervezési eljárás szerint és az IDEA StatiCa segítségével. Nyomatéki kapacitásaikat és tönkremeneteli módjaikat kiszámították, és összehasonlították a kísérlet megfigyeléseivel (Sumner et al., 2000). Az eredmények közötti különbségek -7% és +11% között változnak, míg az átlagos különbség körülbelül 2% (6.2. táblázat). Meg kell jegyezni, hogy a homloklemez folyása az irányító határállapot a 3. változatnál, ahol 11%-os különbséget számítottak, míg az IDEA StatiCa elemzésből megfigyelt tönkremeneteli mód a homloklemez és a gerendagerincek közötti elégtelen hegesztési szilárdság. Amikor a hegesztés eléri szilárdságának határát, 1,9%-os plasztikus alakváltozás számítható a homloklemezben, ami kevesebb, mint a lemezekre vonatkozó 5%-os plasztikus alakváltozási határérték. Ebből a példából arra lehet következtetni, hogy az AISC 358-ban a homloklemez folyási határállapotára meghatározott eljárás konzervatívabb eredményt ad, mint az IDEA StatiCa. Az alap modellnél az IDEA StatiCa segítségével kapott nyomaték-elfordulás görbét összehasonlították a kísérletileg mérttel.  Az IDEA StatiCa megmutatja képességét a csavar szakítási kapacitásának becslésében, beleértve a feszítő erő hatásait a csavarok teherbírási kapacitására és a homloklemez merevítőjének hozzájárulását az EPM próbatestek hajlítási szilárdságához. A folyás utáni meredekségek közötti különbség és az elért csúcsnyomaték értékek közötti eltérés a próbatest által tapasztalt merevség-degradációnak, illetve az IDEA StatiCa által alkalmazott bilineáris anyagmodellnek tulajdonítható.

6.2. ábra: Nyomaték (az oszlop tengelyére vonatkoztatva) plasztikus elfordulás összehasonlítása az EPM kapcsolatnál (alap modell)

6.2. táblázat: Az EPM kapcsolatok hajlítási nyomatéki szilárdsága az IDEA StatiCa és az AISC eljárás szerint számítva (az oszlop homloklapjára vonatkoztatva)

Olvassa el a teljes ellenőrzési példa cikket a homloklemez nyomatéki (EPM) kapcsolatról

Hegesztett megerősítetlen öv – hegesztett gerinclemez (WUF-W) nyomatéki kapcsolat 

Hat tesztelt WUF-W próbatest nyomatéki kapacitásait és tönkremeneteli módjait az IDEA StatiCa segítségével és az AISC tervezési eljárás szerint számították ki, majd a megfigyeléseket összehasonlították a Ricles et al. (2000) által elvégzett kísérletek eredményeivel. A három forrásból kapott tönkremeneteli módok minden kapcsolatnál hasonlóak, míg az IDEA StatiCa segítségével számított nyomatéki kapacitások az alap modell kivételével körülbelül 8%-kal nagyobbak, mint az AISC tervezési eljárásból kapottak (6.3. táblázat). Az az ok, amiért az IDEA StatiCa a változatoknál nagyobb nyomatéki kapacitásokat számít, mint az AISC eljárás, a plasztikus csukló helyzetének feltételezésével hozható összefüggésbe. Az AISC 358 WUF-W nyomatéki kapcsolatoknál az oszlop homloklapjánál javasolja figyelembe venni, ami kisebb járulékos nyomatékot eredményez a plasztikus csukló helyén fellépő nyíróerő miatt, összehasonlítva azzal az esettel, amikor az az oszlop homloklapjától bizonyos távolságra következik be. Az alap modellnél az IDEA StatiCa elemzés azt mutatja, hogy a próbatest akkor éri el kapacitását, amikor az oszlop homloklapja és a nyírófül közötti hegesztés tönkremegy. Hasonlóképpen, az AISC tervezési eljárás szerint elvégzett kézi számítások azt jelzik, hogy a hegesztés nem teljesíti a szükséges szilárdsági határértéket. Azonban az AISC nem határoz meg eljárást az oszlop és a gerenda vagy a nyírófül közötti hegesztés által irányított ilyen típusú kapcsolatok nyomatéki kapacitásának kiszámítására. Meg kell jegyezni, hogy az AISC eljárás szerint számított nyomatéki kapacitás a gerenda plasztikus nyomatéki szilárdságán alapul, bár ezt a kapcsolatot az AISC nem engedi meg tervezni, mivel a hegesztés szilárdsági követelménye nem teljesül. Összességében az IDEA StatiCa és az AISC eljárás által számított nyomatéki kapacitások közötti átlagos különbség körülbelül 5%. Ezenkívül nyomaték-elfordulás elemzést végeztek az IDEA StatiCa és az ABAQUS segítségével az alap modellre, és az eredményeket összehasonlították. Az IDEA StatiCa által számított nyomatéki plasztikus elfordulás görbét összehasonlították a kísérletvezető kutatók által megadott mérttel (6.3. ábra). A görbék meredekségei közötti különbség a tesztelt próbatest által a ciklikus terhelés során tapasztalt merevség-degradációnak tulajdonítható. Egy másik megjegyzés, hogy mivel az IDEA StatiCa bilineáris anyagmodellt alkalmaz, a deformációs keményedési viselkedés nem volt teljesen megragadható.

6.3. táblázat: A WUF-W nyomatéki kapcsolatok hajlítási nyomatéki szilárdsága az IDEA StatiCa és az AISC eljárás szerint számítva (az oszlop homloklapjára vonatkoztatva)

6.3. ábra: Nyomaték (az oszlop tengelyére vonatkoztatva) plasztikus elfordulás összehasonlítása a WUF-W nyomatéki kapcsolatnál (alap modell)

Olvassa el a teljes ellenőrzési példa cikket a hegesztett megerősítetlen öv – hegesztett gerinclemez (WUF-W) nyomatéki kapcsolatról

Hegesztett megerősítetlen öv – csavart gerinclemez (WUF-B) nyomatéki kapcsolat

Öt tesztelt WUF-B próbatest (Lee et al., 1999) hajlítási viselkedését vizsgálták összesen nyolc modellel, két különböző csavartípus alkalmazásával: 1) súrlódásos, 2) csapágyazott. A próbatestek hajlítási nyomatéki kapacitásait az IDEA StatiCa segítségével és az AISC tervezési eljárás szerint számították ki, majd összehasonlították (6.4. táblázat). Mivel az AISC 341 (2016) szerint a csúszásbiztos csavarok előfeszített csapágyazott csavarként tervezhetők, ha az érintkező felület csúszási együtthatója nagyobb vagy egyenlő 0,30-nál, a csúszásbiztos csavarokat tartalmazó próbatestek (pl. Alap.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) figyelmen kívül hagyhatók az IDEA StatiCa és az AISC eljárás nyomatéki szilárdság összehasonlításában. A többi kapcsolatnál az IDEA StatiCa és az AISC által számított nyomatéki kapacitások közötti különbségek -18% és -6% között változnak, míg az átlagos különbség körülbelül 13%. Az az ok, amiért az IDEA StatiCa konzervatívabb nyomatéki szilárdságot számít, mint az AISC eljárás, a gerendagerinclemez és az oszlopöv közötti gyenge kötéssel hozható összefüggésbe. Egy további vizsgálat elvégezhető a nyírófül tompahegesztéssel való helyettesítésével a gerendagerinclemez mentén, és az IDEA StatiCa-ban ugyanazon eljárást követve jelentős javulás érhető el a nyomatéki kapacitásban.

Az alap modellnél a nyomatéki plasztikus elfordulást az IDEA StatiCa elemzésből nyerték, és összehasonlították a kísérletileg mérttel (6.4. ábra). Meg kell jegyezni, hogy a nyomaték-elfordulás elemzéshez súrlódásos (csúszásbiztos) csavarokat alkalmaztak, míg a nyomatéki kapacitás elemzéséhez csapágyazott csavarokat. A görbék közötti különbség az adatkinyerési folyamattal hozható összefüggésbe. Mivel a mért nyomaték-elfordulás görbét a tesztjelentésben megadott ábrából nyerték ki, kis hibák elkerülhetetlenek. A folyás utáni viselkedés különbsége a szoftver által alkalmazott bilineáris anyagmodellel magyarázható.

6.4. ábra: Nyomaték (az oszlop tengelyére vonatkoztatva) plasztikus elfordulás összehasonlítása a WUF-B nyomatéki kapcsolatnál (alap modell)

6.4. táblázat: A WUF-B nyomatéki kapcsolatok hajlítási nyomatéki szilárdsága az IDEA StatiCa és az AISC eljárás szerint számítva (az oszlop homloklapjáravonatkoztatva)

Olvassa el a teljes ellenőrzési példa cikket a hegesztett megerősítetlen öv – csavart gerinclemez (WUF-B) nyomatéki kapcsolatról

Dupla-T nyomatéki kapcsolat

Hat tesztelt dupla-T kapcsolatot vizsgáltak az AISC tervezési eljárás szerint és az IDEA StatiCa segítségével. Nyomatéki kapacitásaikat kiszámították, és az eredményeket összehasonlították.

Az eredmények közötti különbségek -9% és +7% között változnak, míg az átlagos különbség körülbelül 3% (6.5. táblázat). A tönkremeneteli módokat is megfelelően becsülték meg. Nyomaték-elfordulás elemzést végeztek az IDEA StatiCa és az ABAQUS segítségével két különböző csavartípus alkalmazásával (pl. csapágyazott, súrlódásos), mivel a feszítőcsavar típus nem érhető el az IDEA StatiCa-ban. A görbéket összehasonlították a Leon (1999) által az alap modellre kísérletileg kapottal (6.5. ábra). Megfigyelhető, hogy a tesztpróbatest nyomatéki plasztikus elfordulás görbéje a várakozásoknak megfelelően az IDEA StatiCa súrlódásos és csapágyazott csavarokra vonatkozó elemzéseiből számított görbék között helyezkedik el. Ezenkívül az AISC 358-ban meghatározott előminősítési ellenőrzéseket elvégezték a próbatestekre. Az alap modellnél kapacitástervezési elemzést végeztek az IDEA StatiCa-ban, és összehasonlították az AISC eljárás szerint kapottal. Arra a következtetésre lehet jutni, hogy az IDEA StatiCa kiválóan alkalmas a dupla-T nyomatéki kapcsolatok nyomatéki kapacitásának kiszámítására és tönkremeneteli módjának meghatározására. Továbbá hozzáfűzhető, hogy a kapacitáselemzés (pl. CD) képes meghatározni, hogy a kapcsolatnak elegendő teherbírási kapacitása van-e, amikor mindkét gerendában plasztikus csukló keletkezik, ahogyan azt az AISC 358 szeizmikus kapcsolatokra előírja.

6.5. táblázat: A dupla-T nyomatéki kapcsolatok hajlítási nyomatéki szilárdsága az IDEA StatiCa és az AISC eljárás szerint számítva (az oszlop homloklapjára vonatkoztatva)

6.5. ábra: Nyomaték (az oszlop tengelyére vonatkoztatva) plasztikus elfordulás összehasonlítása a dupla-T nyomatéki kapcsolatnál (alap modell)

Összességében jó egyezés mutatkozik a kísérletekből, az IDEA StatiCa elemzésből és az AISC tervezési eljárásból kapott nyomatéki kapacitások és tönkremeneteli módok között. A szoftver további fejlesztésére vonatkozó ajánlások az alábbiakban szerepelnek:

• Egy új csavartípus fejleszthető a feszítésvezérelt/előfeszített csavarokhoz, és a csapágyazott és súrlódásos csavartípusok mellett a felhasználók rendelkezésére bocsátható.
• Az „egyensúlyban lévő terhelések" opcióval alkalmazandó erők kiszámíthatók az IDEA StatiCa-ban különböző elemhosszakra és peremfeltételekre a felhasználó igényei szerint. Így egy elemzés elvégezhető a kívánt feltételre más szoftver vagy kiegészítő kézi számítás nélkül. A jelenlegi IDEA StatiCa verzióban (azaz v22) a próbatestek nyomatéki kapacitásának kiszámításához a kapcsolatnál fellépő erőket a SAP2000 segítségével számították ki a kísérleti elrendezési feltételek (pl. elemhosszak, peremfeltételek) figyelembevételével, majd ezeket a számított erőket alkalmazták az IDEA StatiCa-ban az „egyensúlyban lévő terhelések" opció segítségével.
• A növekményes terhelés automatikusan és szisztematikusan alkalmazható az IDEA StatiCa által, és a nyomatéki kapacitás megadható a terhelések módosítása és az újrafuttatás szükségessége nélkül.
• Az előminősítési ellenőrzések elvégezhetők az IDEA StatiCa által.
• Egy jobb hálógeneráló eszköz adaptálható a szoftverhez.
• A nyomaték-elfordulás görbe megjelenítése javítható/gazdagítható azáltal, hogy a felhasználók számára eszközöket biztosítanak a betűtípus, a szín és az ábra méretének beállításához.
• Néhány szimbólumot ki kell javítani/módosítani az amerikai felhasználók számára (pl. θ a ϕ helyett az elforduláshoz az AISC szerint).

Olvassa el a teljes ellenőrzési példa cikket a dupla-T nyomatéki kapcsolatról

Olvassa el az előminősített kapcsolatokról szóló teljes tanulmányt!