Hegesztett megerősítetlen öv-hegesztett gerinc (WUF-W) előminősített kapcsolat - AISC

Ez az ellenőrzési példa az Ohio State University és az IDEA StatiCa közös projektjében készült. A szerzők az alábbiakban szerepelnek:

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

3.1. Bevezetés

Az ebben az ellenőrzési tanulmányban tárgyalt harmadik előminősített kapcsolat a hegesztett megerősítetlen öv-hegesztett gerinc (WUF-W) nyomatéki kapcsolat. Ebben a fejezetben, hasonlóan az előző fejezetekhez, hat kísérletileg vizsgált acél kapcsolatot választottak ki az irodalomból, hogy összehasonlítsák az IDEA StatiCa és az AISC tervezési eljárás segítségével kapott hajlítási nyomatéki szilárdságukat. Emellett az IDEA StatiCa és az ABAQUS közötti nyomaték-elfordulás összehasonlítást is elvégezték az egyik alapmodellként kiválasztott próbatesten.

3.2 Kísérleti tanulmány

Ricles et al. (2000) kísérletsorozatot végzett a Lehigh Egyetemen a képlékeny hegesztett megerősítetlen öv kapcsolatok szeizmikus teljesítményének vizsgálatára. Ennek érdekében hat külső és öt belső teljes méretű kapcsolatot ciklikus terhelésnek vetettek alá. Bár a vizsgált próbatestek egyikének hegesztési és geometriai részletei sem feltétlenül elégítik ki a legújabb AISC 358 (2016) követelményeit, ezt a kísérleti tanulmányt a következő okok miatt választották az ellenőrzési tanulmányban való vizsgálatra:

• Az Egyesült Államokban nem végeztek kísérleti vizsgálatot WUF-W kapcsolatokon olyan próbatestekkel, amelyek kielégítik az AISC 358 (2016) összes követelményét
• Ez az egyik olyan kísérleti tanulmány, amely alapját képezte a WUF-W nyomatéki kapcsolatok előminősítési követelményeinek az AISC 358 (2016) szabványban
• Ezt a kísérleti kutatást a SAC Joint Venture szponzorálta a Szövetségi Vészhelyzet-kezelési Ügynökség (FEMA) finanszírozásával, a WUF-W nyomatéki kapcsolatok javított részleteinek értékelése céljából. A SAC kutatási programot az acél kapcsolat tervezésének és teljesítményének javítása érdekében vezették be, miután az 1994-es Northridge-i földrengés után egyes kapcsolatoknál gyenge teljesítményt tapasztaltak.

A belső kapcsolatok vizsgálati elrendezése a 3.1. ábrán látható. A gerenda támasza és az oszlop tengelyvonala közötti hossz 177in. (4,50 m) volt, az aktuátortól az oszlop alsó támaszáig mért hossz pedig 156 in. (3,96 m) volt. A 11 vizsgált kapcsolat közül hatot választottak ki az ellenőrzési tanulmányban való tárgyalásra. A kiválasztott hat kapcsolat geometriai és anyagtulajdonságait a 3.1. és 3.2. táblázatok tartalmazzák, a próbatestek konfigurációi pedig a 3.2–3.4. ábrákon láthatók.

3.1. táblázat: A WUF-W próbatestek tulajdonságai

3.1. ábra: Vizsgálati elrendezés (Ricles et al., 2000)

3.2. ábra: Bal) Az alapmodell T1 konfigurációja; Jobb) a T5 próbatest konfigurációja (Ricles et al., 2000)

3.3. ábra: Bal) A C1 próbatest konfigurációja; Jobb) a C2 próbatest konfigurációja (Ricles et al., 2000)

3.4. ábra: Bal) A C3 próbatest konfigurációja; Jobb) a C4 próbatest konfigurációja (Ricles et al., 2000)

3.2. táblázat: A WUF-W próbatestek mért anyagtulajdonságai (Ricles et al., 2000)

Az alapmodell (T1 próbatest) és a T5 próbatest külső kapcsolatok, míg a többiek belső kapcsolatok, amelyek azonos gerendákból és kapcsolatokból állnak, amelyek az oszlop mindkét vízszintes oldalához csatlakoznak (lásd 3.1. ábra). Mivel az azonos kapcsolatok a vizsgálat során közel azonos teljesítményt mutattak, az ebben a tanulmányban tárgyalt minden belső próbatesthez (C1, C2, C3 és C4 próbatestek) csak az egyikük vizsgálat utáni fotója és nyomaték-elfordulás kapcsolata kerül bemutatásra.

Az alapmodell gerincét horonyhegesztéssel rögzítették az oszlop övéhez, és kiegészítő hegesztést alkalmaztak folyamatosan a nyírólap élei mentén. Jelentések szerint a nyírólap és az oszlop öve közötti horonyhegesztés a 2%-os elmozdulási ciklusok során megrepedt, a gerenda övei pedig a 4%-os elmozdulási ciklusok során repedtek meg, ahogy az a 3.5. ábrán látható. A T5 próbatestet az alapmodelltől eltérően tervezték: duplázólemezzel, részleges hegesztéssel a nyírólap és a gerenda gerince között, nagyobb sarokvarrat mérettel a nyírólap és az oszlop öve között, valamint folytonossági lemez nélkül. Jelentések szerint a képlékeny törés a gerenda övében következett be a 6%-os ciklusok során (lásd 6. ábra).

3.5. ábra: Bal) Az alapmodell (T1) vizsgálat után; Jobb) nyomaték-teljes képlékeny elfordulás kapcsolat (Ricles et al., 2000)

3.6. ábra: Bal) A T5 próbatest vizsgálat után; Jobb) nyomaték-teljes képlékeny elfordulás kapcsolat (Ricles et al., 2000)

A C1 próbatest az ebben a tanulmányban tárgyalt négy belső kapcsolat egyike volt. A T5 próbatesthez képest nagyobb oszlopmérettel és vastagabb duplázólemezzel rendelkezett. Képlékeny törést figyeltek meg az 5%-os elmozdulás első ciklusában a nyugati gerenda felső övén, és az 5%-os elmozdulás második ciklusában a keleti gerenda felső övén, ahogy az a 3.7. ábrán látható. A C2 próbatestet a C1 próbatesthez képest eltérően tervezték: folytonossági lemezzel és vékonyabb duplázólemezzel. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a C2 próbatest a 6%-os elmozdulási ciklusok során tönkrement mindkét gerenda övén bekövetkező képlékeny törés miatt, ahogy az a 3.8. ábrán látható.

A C3 próbatest az első négy próbatesthez képest mélyebb és vékonyabb oszlopból állt. A vizsgálati jelentésben megállapították, hogy a nyugati gerenda övének képlékeny törése az 5,5%-os szinteltolódás első ciklusában volt megfigyelhető, ahogy az a 3.9. ábrán látható. A C4 próbatest a C3 próbatest konfigurációján túl vastagabb duplázó- és folytonossági lemezekkel rendelkezett. A kísérlet során a képlékeny törés a 6%-os elmozdulási ciklus végén következett be (3.10. ábra).

3.7. ábra: Bal) A C1 próbatest vizsgálat után; Jobb) nyomaték-teljes képlékeny elfordulás kapcsolat (Ricles et al., 2000)

3.8. ábra: Bal) A C2 próbatest vizsgálat után; Jobb) nyomaték-teljes képlékeny elfordulás kapcsolat (Ricles et al., 2000)

3.9. ábra: Bal) A C3 próbatest vizsgálat után; Jobb) nyomaték-teljes képlékeny elfordulás kapcsolat (Ricles et al., 2000)

3.10. ábra: Bal) A C4 próbatest vizsgálat után; Jobb) nyomaték-teljes képlékeny elfordulás kapcsolat (Ricles et al., 2000)

3.3 Szabványos tervezési számítások

Az AISC 358 (2016) 8.7. szakaszában a WUF-W kapcsolatokra vonatkozóan meghatározott eljárást követték, és a következő ellenőrzéseket végezték el a hat próbatesten.

• Gerenda geometriai korlátainak ellenőrzése                                         (AISC 358 8.3.1. szakasz)
• Oszlop geometriai korlátainak ellenőrzése                                      (AISC 358 8.3.2. szakasz)
• Gerenda tervezési nyírási szilárdságának ellenőrzése                                         (AISC 358, 8.7. szakasz)
• Hajlítási szilárdság ellenőrzése                &nbsp                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               &nbsp(AISC 360, F2-1. egyenlet)
• Folytonossági lemez követelményeinek ellenőrzése                                     (AISC 341, E3.6f.2. szakasz)
• Oszlop-gerenda szilárdság kapcsolatának ellenőrzése                             (AISC 358 8.4. szakasz)
• Gerenda öv és oszlop öv közötti hegesztések ellenőrzése                            (AISC 358 8.5. szakasz)
• Hegesztési hozzáférési nyílás geometriájának ellenőrzése                                          (AWS D1.8/D1.8M)
• Gerenda gerinc-oszlop kapcsolatának ellenőrzése                                (AISC 358 8.6. szakasz)

A hat próbatest AISC 358 (2016) tervezési ellenőrzéseinek összefoglalása a 3.3. táblázatban található. A tervezési számítások és ellenőrzések részletei az E és F függelékekben találhatók. 

3.3. táblázat: AISC 358 (2016) tervezési ellenőrzések a próbatestekhez

Feltételezzük, hogy a képlékeny csukló az oszlop homlokfelületénél keletkezik az AISC 358 (2016) 8.7. szakaszával összhangban. A gerenda nyomatéki szilárdsága a képlékeny csukló helyén, \(M_{by@ph}\), a 3.1. egyenlettel számítható.

 \(M_{by@ph}\) = \(F_{yb}Z_{bx}\)                                                                                                (3.1)

ahol \(F_{yb}\) a gerenda folyáshatára, \(Z_{bx}\) a gerenda képlékeny keresztmetszeti modulusa. A próbatestek képlékeny nyomatéki kapacitásait kiszámították és a 3.4. táblázatban mutatják be.

3.4. táblázat: A próbatestek képlékeny nyomatéki kapacitásai az AISC tervezési eljárás szerint számítva

3.4 IDEA StatiCa elemzés

A kiválasztott hat próbatestet az IDEA StatiCa-ban modellezték a kísérletek viselkedésének szimulálása céljából. Nyomatéki kapacitásaikat és tönkremeneteli módusaikat feszültség-alakváltozás elemzési típus (azaz EPS) segítségével azonosították. A Ricles et al. (2000) által megadott mért anyagtulajdonságokat (lásd 3.2. táblázat) bevitték a szoftverbe, és az ellenállási tényezőket 1,0-ra állították. Az IDEA StatiCa kapcsolat-merevségi elemzési típusát (azaz ST) alkalmazva a nyomaték-elfordulás kapcsolatot az alapmodellre számították ki.

3.4.1 Az alapmodell elemzése

Az IDEA StatiCa modellt az alapmodellhez fejlesztették ki. A mért anyagtulajdonságokat bevitték, és a túlszilárdság-együtthatókat, \(R_{y}\) és \(R_{t}\), 1,0-ra állították (lásd 3.11. ábra). Emellett az összes LRFD ellenállási tényezőt 1,0-ra állították, hogy a kapcsolatok számított tényleges válaszát összehasonlíthassák a laboratóriumi kísérlet során mért értékekkel (Ricles et al., 2000). Az oszlop tengelyvonalánál fellépő terhelések meghatározásához egy gerenda-oszlop keretes modellt fejlesztettek ki SAP2000-ben, a vizsgálati elrendezésben szereplő oszlop- és gerendahosszak felhasználásával. Csuklós támaszt alkalmaztak az oszlop alján, és görgős támaszt a gerenda végén.

Az alapmodell nyomatéki kapacitásának kiszámításához növekményes terhelést alkalmaztak feszültség-alakváltozás elemzés (azaz EPS) segítségével, az IDEA StatiCa modellben az „egyensúlyi terhelések" opcióval, amíg az alábbiak valamelyike teljesült:

1. 5% képlékeny alakváltozás a lemezekben
2. 100% szilárdság-kihasználtság a csavaroknál
3. 100% szilárdság-kihasználtság a hegesztéseknél

A nyírólap és az oszlop öve közötti hegesztés elérte szilárdság-kapacitását, amikor a nyíróerő és a megfelelő nyomaték értéke 167,70 kips és 29 700 kips-in. volt (3.11. ábra). Az „ST" elemzés segítségével a nyomaték-elfordulás kapcsolatot meghatározták, amely a 3.12. ábrán látható.

3.11. ábra: IDEA StatiCa modell az alapmodellhez

3.12. ábra: Nyomaték-elfordulás kapcsolat az alapmodellhez

3.4.2 A variációs próbatestek elemzése

Az IDEA StatiCa elemzést a T5 próbatesten végezték el az alapmodellnél ismertetett eljárást követve. Megfigyelhető volt, hogy a gerenda gerince elérte az 5%-os képlékeny alakváltozást, amikor a nyíróerő és a megfelelő nyomaték értéke 205,70 kips és 36 420  kips-in. volt (3.13. ábra).

3.13. ábra: IDEA StatiCa modell a T5 próbatesthez

A C1 próbatestet az IDEA StatiCa-ban modellezték és elemezték ugyanazon eljárást követve. Megfigyelhető volt, hogy a gerenda gerince elérte az 5%-os képlékeny alakváltozást, amikor a nyíróerő és a megfelelő nyomaték értéke 212,60 kips és 37 650  kips-in. volt (3.14. ábra).

3.14. ábra: IDEA StatiCa modell a C1 próbatesthez

Az ebben a szakaszban leírt eljárást követve IDEA StatiCa elemzést végeztek a C2 próbatesten. Megfigyelhető volt, hogy a gerenda gerince elérte az 5%-os képlékeny alakváltozást, amikor a nyíróerő és a megfelelő nyomaték értéke 212,60 kips és 37 650 kips-in. volt (3.15. ábra).

3.15. ábra: IDEA StatiCa modell a C2 próbatesthez

Ugyanazon eljárást követve IDEA StatiCa elemzést végeztek a C3 próbatesten. Megfigyelhető volt, hogy a gerenda gerince elérte az 5%-os képlékeny alakváltozást, amikor a nyíróerő és a megfelelő nyomaték értéke 213,20 kips és 37 750 kips-in. volt (3.16. ábra).

3.16. ábra: IDEA StatiCa modell a C3 próbatesthez

Ugyanazon eljárást követve IDEA StatiCa elemzést végeztek a C4 próbatesten. Megfigyelhető volt, hogy a gerenda gerince elérte az 5%-os képlékeny alakváltozást, amikor a nyíróerő és a megfelelő nyomaték értéke 213,60 kips és 37 820 kips-in. volt (3.17. ábra).

3.17. ábra: IDEA StatiCa modell a C4 próbatesthez

A hat próbatestet az IDEA StatiCa segítségével elemezték, és nyomatéki kapacitásaikat az oszlop tengelyvonalánál számították ki, a vizsgálati körülményeiket reprezentálva. A nyomatéki kapacitások AISC 358 eljárás szerint számított értékekkel való összehasonlításához az oszlop homlokfelületénél lévőnyomatéki kapacitásokat a 3.6. egyenlet segítségével számították ki, és a 3.5. táblázatban mutatják be.

        \(M_{y@foc}\) = \(M_{y@cc} + V\frac{d_{c}}{2}\)                                                                                         (3.6)

ahol \(M_{y@foc}\) az oszlop homlokfelületénél lévő nyomatéki kapacitás, \(M_{y@cc}\) az oszlop tengelyvonalánál lévő nyomatéki kapacitás, \(V\) a nyíróerő, és \(d_{c}\) az oszlop magassága.

3.5. táblázat: Az IDEA StatiCa által számított nyomatéki kapacitás

3.5. ABAQUS elemzés

Ebben a szakaszban a 3.4.1. szakaszban kidolgozott alapmodellt újra felépítették az ABAQUS szoftver (2022-es verzió) segítségével végeselem-módszer elemzéshez, és az eredményeket összehasonlították az IDEA StatiCa eredményeivel. A végeselem-módszer elemzéshez szükséges CAD modellt az IDEA StatiCa megjelenítő platformjával hozták létre. A két csavart és 5 hegesztési vonalat (azaz a nyírólap-gerenda gerinc és nyírólap-oszlop öv közöttit) ezután manuálisan adták hozzá az összeállításhoz az ABAQUS CAD felületén. A 182,2 kips függőleges terhelést és a megfelelő 32 270 kips-in. nyomatékot (az Y tengely körül) egy meghatározott referenciaponton (azaz RF₁) alkalmazták az oszlop tengelyvonalánál, ahogy az a 3.18. ábrán látható. Az oszlop analitikai hossza az IDEA StatiCa-ban 215,45 in. volt. Ezért az azonos oszlophossz utánzásához az ABAQUS-ban két további referenciapont (azaz RF₂ és RF₃) került bevezetésre, mindkét irányban 107,725 in.-re az oszlop középpontjától a Z tengely mentén (lásd 3.18. ábra). Ezt a két referenciapont minden irányban rögzítették, és az ABAQUS összekötő-építő moduljával csatlakoztatták az oszlop felső és alsó felületéhez. Az ABAQUS-ban az elemméret 0,1–0,25 in. közé esett a hálóérzékenységi elemzés után, és összesen 240 417 elem jött létre. Elemtípusként a 3D feszültség, 8 csomópontos lineáris téglatest csökkentett integrációt (azaz C3D8R) választottak.

3.18. ábra: Modell elrendezése az ABAQUS-ban

A kényszerfeltétel-kötést a hegesztési vonalak és a csatlakozó részek között alkalmazták. Az anyagviselkedést kétlineáris képlékenységgel modellezték az ABAQUS-ban. Egyéb paramétereket, beleértve a sűrűséget, rugalmassági modulust és Poisson-számot, az IDEA StatiCa anyagkönyvtárából vették. A numerikus szimulációt négy processzoron (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20GHz) hajtották végre, és körülbelül 155 percig tartott. A 3.19. ábra összehasonlítja az IDEA StatiCa és az ABAQUS által előrejelzett von Mises feszültséget.

3.19. ábra: Az IDEA StatiCa és azABAQUS modellek által számított von Mises feszültség összehasonlítása

Az IDEA StatiCa által előrejelzett maximális feszültség 55,90 ksi volt a gerenda felső övén (megjegyzendő, hogy az IDEA StatiCa jelmagyarázat a tervezési adatokat mutatja), míg az ABAQUS modell ugyanazon a helyen 56,5 ksi maximális feszültséget mutat. Az ABAQUS jelmagyarázatban szereplő 57 ksi maximális feszültség a nyírólapot az oszlophoz csatlakoztató elülső hosszú hegesztési vonalhoz tartozik. A kissé eltérő feszültségeloszlás valószínűleg az oszlop hosszának figyelembevételéből az ABAQUS-ban, a peremfeltételek alkalmazásának módjából, a finomabb háló alkalmazásából a végeselem-módszer elemzésben, valamint az IDEA StatiCa egyszerűsített CAD modelljéből adódik. Megjegyzendő, hogy a szerzők az IDEA StatiCa modellre is elvégeztek egy rutinszerű hálóérzékenységi elemzést, és néhány következetlenséget figyeltek meg az eredményekben.

3.20. ábra: Az IDEA StatiCa és az ABAQUS modellek által számított képlékeny alakváltozás összehasonlítása

Az IDEA StatiCa és az ABAQUS által számított maximális képlékeny alakváltozás 10,8% és 11% volt (mindkettő a nyírólapot az oszlophoz csatlakoztató elülső hegesztési vonalon). Emellett az IDEA StatiCa által előrejelzett képlékeny deformációs zóna összhangban volt az ABAQUS-ban számított folyási térképpel (azaz a 3.20. ábra alsó sorával). A 3.21. ábra a nyomaték-elfordulás görbe összehasonlítását mutatja be a két szoftver között az oszlop tengelyvonalára vonatkoztatva. Megjegyzendő, hogy a 3.21. ábrán az IDEA StatiCa által kapott teljes elfordulás meghatározásához (szaggatott narancssárga vonallal jelölve) a lineáris gerenda-elfordulást az oszlop tengelyvonalánál SAP2000 segítségével számították ki, majd hozzáadták az IDEA StatiCa által jelentett alapértelmezett képlékeny elfordulás görbéhez (folytonos narancssárga vonallal jelölve). Mindkét modell összehasonlítható kezdeti merevségi becsléseket kínál. A kisebb eltérés az elemtípusok különbségével (azaz az ABAQUS-ban alkalmazott tömör elemek és az IDEA StatiCa-ban alkalmazott héjelemek), valamint az ABAQUS-ban a hegesztések reprezentálására alkalmazott kényszerfeltétel-kötéssel hozható összefüggésbe.

3.21. ábra: Nyomaték-elfordulás összehasonlítás az IDEA StatiCa ésaz ABAQUS között