Vasbeton konzolok (ACI)
Ebben a tanulmányban hét vasbeton (RC) konzol próbatest viselkedését vizsgálják. Teherbírásaikat és alakváltozási kapacitásaikat az IDEA StatiCa segítségével számították ki, és összehasonlították az ACI 318-19 (2019) és az AASHTO LRFD (2016) eljárások szerint számított tervezési kapacitásokkal. Az eredményeket kísérleti adatokkal vetették össze. A vizsgált konzol próbatestek egyikét alapmodellként választották ki az ABAQUS szoftverrel (2023-as verzió) végzett további vizsgálathoz, ahol a középponti lehajlást, a főfeszültség-eloszlást és a repedési mintázatokat számították ki, majd összehasonlították a kísérletek során mért értékekkel (Wilson, 2017). Emellett részletesen vizsgálták a másodlagos vasalás hatását a konzolok teherbírására.
Kísérleti tanulmány
A konzolok szerkezeti teljesítményének értékelésére Wilson (2017) az ACI 318-19 (2014) Strut-and-tie modell (STM) rendelkezései alapján négy kettős konzol próbatestet tervezett, amelyeket C0-tól C3-ig jelöltek. Khosravikia et al. (2018) az AASHTO LRFD (2016) STM rendelkezései szerint további három kettős konzol próbatestet tervezett, amelyeket S1, S2 és S3 jelöléssel láttak el. A próbatesteket az austini Texasi Egyetem Ferguson Szerkezeti Mérnöki Laboratóriumában tervezték, gyártották és vizsgálták. A C kategóriájú négy próbatest elsődleges vasalása egységes volt, míg a másodlagos vasalás változott. Hasonlóképpen, az S1, S2 és S3 próbatestek azonos geometriával rendelkeztek, de az elsődleges és másodlagos vasalásban eltérések mutatkoztak. Mind a hét próbatestet kizárólag függőleges terhelés elviselésére tervezték, a lehetséges vízszintes húzóerőket figyelmen kívül hagyva. Ezért a vizsgálati elrendezéseket leegyszerűsítették, kizárólag a függőleges terhelésekre összpontosítva, és minden próbatestet két alátétlemez támasztott alá. A hét próbatest közül a C0-t választották alapmodellként, amelyet az ABAQUS-ban elemeztek.
Mind a négy próbatest (C0, C1, C2 és C3) hasonló méretekkel készült: 14 in. (356 mm) szélességgel, 24 in. (610 mm) teljes konzolmagassággal, 20 in. (508 mm) konzolhosszal mindkét oldalon, és 12 in. (305 mm) meghosszabbított oszlopmagassággal. A próbatestek geometriáját és az egyes próbatestekben alkalmazott vasalási részleteket az 1.1. ábra szemlélteti. A konzol próbatestek tervezési paramétereit az 1.1. táblázat tartalmazza. Megjegyzendő, hogy az 1.1. ábrán a próbatestek abban a tájolásban szerepelnek, amelyben vizsgálták őket.
1.1. ábra: Próbatest tervezése vasalási részletekkel (Wilson, 2017).
Szabványos tervezési számítások az ACI 318-19 szerint
Elvégezték a szabványon alapuló tervezési ellenőrzéseket, és a konzol próbatestek teherbírásait a Strut-and-tie modell (STM) segítségével számították ki, a vasbeton konzolok repedésszabályozási követelményeit pedig az ACI 318-19 rendelkezései alapján numerikusan vizsgálták. A Strut-and-tie modellben a betonszerkezeti elemeket egy feltételezett rácsszerkezettel helyettesítik, amely beton nyomott rudakból és acél húzott elemekből áll, amelyek csomópontokban kapcsolódnak egymáshoz. Az ACI 318-19 STM rendelkezései szerint megfelelő vasalást kell biztosítani az egyes húzott elemek erőigényeinek kielégítéséhez. A megfelelő repedésszabályozás és a túlzott alakváltozási inkompatibilitás megelőzése érdekében előírják, hogy bármely nyomott rúd tengelye és a csomópontba belépő bármely húzott elem szöge legalább 25° legyen. A csomópontok három típusát különböztetik meg: CCC csomópontok, amelyek húzott elem nélküli csomópontokat jelölnek (nyomás-nyomás-nyomás csomópont); CCT csomópontok, amelyek egy húzott elemmel rendelkező csomópontokat képviselnek; és CTT csomópontok, amelyek két vagy több húzott elemmel rendelkező csomópontokat jelölnek.
Az ezen próbatestek tervezéséhez használt Strut-and-tie rácsmodellt az 1.15. ábra szemlélteti. Az A és A' csomópontok vízszintes iránya az alátétlemezek középpontjával volt egy vonalban, míg a B és B' csomópontokat az oszlopszélesség negyedpontjainál helyezték el. A B és B' csomópontok függőleges helyzetét az oszlop homlokfelületénél lévő téglalap alakú nyomási blokk felezőpontjaként határozták meg. A tervezési folyamat magában foglalta az AA' húzott elem folyási szilárdságának, az AB, A'B', BB', BC és B'C' nyomott rudak nyomási szilárdságának, valamint az A, A', B és B' csomópontok hátsó, támaszkodási és ferde felületeinek ellenőrzését.
1.15. ábra: Strut-and-tie modell (Wilson, 2017).
Az 1.6. táblázat az ACI 318-19 alapján a konzol próbatestekre azonosított tervezési ellenőrzéseket mutatja be. A betonszerkezeti elemek szerkezeti integritását szigorúan értékelik különböző ellenőrzött tételeken keresztül, amelyek mindegyike az American Concrete Institute (ACI) 318-19 építési szabványra hivatkozik.
IDEA StatiCa elemzés
Az 1.2.1. és 1.2.2. szakaszokban leírt hét vasbeton konzolt az IDEA StatiCa Detail-ben implementált CFSM módszerrel modellezték, hogy szimulálják ezeknek a próbatesteknek a viselkedését. Az IDEA StatiCa Detail-be beépítették a beton mért nyomási szilárdságát, a betonacél folyási szilárdságát és a betonacél szakítószilárdságát, amelyeket Wilson (2017) a C0, C1, C2 és C3 próbatestekre (1.3. táblázat), Khosravikia et al. (2018) pedig az S1, S2 és S3 próbatestekre közölt.
1.16. ábra: (a) C0 konzol 580 kips (2578 kN) terhelésnél, (b) C0 lehajlása 580 (kips) terhelésnél, (c) C0 beton főfeszültsége σ_c 580 (kips) terhelésnél, és (d) a betonacél alakváltozása.
ABAQUS modell fejlesztése és elemzése
Ebben a szakaszban az 1.4.1. szakaszban kidolgozott alapmodellt (azaz a C0 próbatestet) az ABAQUS szoftverrel (2023-as verzió) rekonstruálták végeselem (FE) elemzés céljából, és az eredményeket összehasonlították az IDEA StatiCa-ból kapott eredményekkel. A modellben az önsúlyon kívül 592 kips (2633 kN) függőleges terhelést alkalmaztak a felső alátétlemezre, ahogyan azt az 1.23a. ábra szemlélteti. Két, a kísérleti vizsgálatokhoz és az IDEA StatiCa modellhez hasonló peremfeltételt (azaz jobb oldalon görgős típusú, bal oldalon dönthető nyereg típusú) alkalmaztak a C0 próbatestre (lásd 1.23b. ábra).
1.23. ábra: a) Modell elrendezése az ABAQUS-ban, és b) két peremfeltétel implementálása az ABAQUS-ban.
A modell leírásához szükséges paramétereket a kalibrálás után a kísérleti vizsgálatból nyerték, mivel azokat a hivatkozásban (Wilson, 2017) nem jelölték meg kifejezetten. Az acélrudak esetében az anyagviselkedést egyszerű bilineáris képlékenységgel modellezték. Egyéb paramétereket, beleértve a sűrűséget, a rugalmassági modulust és a Poisson-számot, az IDEA StatiCa Detail anyagkönyvtárából vették. A numerikus szimulációt egy 16 processzoros virtuális gépen (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2,10 GHz) hajtották végre, és körülbelül 56 percig tartott, míg az IDEA StatiCa Detail kevesebb mint egy perc alatt elvégezte a számítást.
1.26., 1.27. ábra: A főfeszültségek irányának és a függőleges elmozdulásnak az összehasonlítása az IDEA StatiCa Detail és az ABAQUS között.
Összefoglalás
Hét vasbeton konzolt vizsgáltak az IDEA StatiCa segítségével, az ACI 318-19 Strut-and-tie módszer rendelkezéseit követve négy különböző konzolra (C0, C1, C2, C3), valamint az AASHTO LRFD (2016) rendelkezéseit három különböző konzol próbatestre (S1, S2, S3). Emellett az IDEA StatiCa alapmodell (azaz a C0 konzol) eredményeit összehasonlították az egyenértékű ABAQUS modell eredményeivel. A próbatesteket az IDEA StatiCa segítségével modellezték és elemezték, hogy megragadják a konzolok kísérleti viselkedését. A konzolok maximális teherbírását és a terhelés-középponti lehajlás görbéket az IDEA StatiCa-ból kapott eredményekkel ábrázolták, és összehasonlították a mért adatokkal.
Az 1.30. ábrán a C próbatestekre vonatkozó kísérletekből, a Strut-and-tie módszerből (STM) és az IDEA StatiCa-ból kapott terhelések összehasonlítása látható. Az eredmények rávilágítanak a PIDEA StatiCa hatékonyságára a kísérleti eredményekkel való szoros egyezés tekintetében, felülmúlva a hagyományos módszereket, mint például az STM-et, a konzol teljesítményének közel pontos előrejelzésében. Az összes próbatest (C0, C1, C2 és C3) esetében a PIDEA StatiCa következetesen szoros egyezést mutat a kísérleti maximális teherbírásokkal (Pmax). A C0 és C2 próbatestek tulajdonságai azonosak voltak, de a C0 próbatestet nagyobb av /d aránnyal vizsgálták. Ez szemlélteti az av /d arány hatását a konzol teherbírására. A konzolok teherbírása fordítottan változott az av /d aránnyal.
1.30. ábra: A mért, számított (STM) és az IDEA StatiCa-ból kapott maximális terhelés összehasonlítása a C próbatestek esetében.
Összefoglalva, mind a hét konzol próbatest (C0-tól C3-ig és S1-től S3-ig) esetében az IDEA StatiCa által előrejelzett maximális terhelések következetesen meghaladták az STM értékeit, és szorosan egyeztek a kísérleti eredményekkel, kivéve az S1 és S3 próbatesteket. Konkrétan, az S1 és S3 esetében az IDEA StatiCa-ból kapott maximális terhelések 1,5%-kal, illetve 3,1%-kal haladták meg a mért értékeket. Összességében a kísérleti vizsgálatok, a Strut-and-tie modell (STM), az IDEA StatiCa és az ABAQUS eredményei ésszerűen egyeznek.
Az IDEA StatiCa teljesítményét illetően nyilvánvaló, hogy az eredmények összehasonlíthatók az ABAQUS eredményeivel. Ez azt jelzi, hogy az IDEA StatiCa képes pontosan szimulálni és elemezni a szerkezeti viselkedést. A szoftver mérnöki elemzési és tervezési feladatokban való hatékonyságát és megbízhatóságát aláhúzza az a képessége, hogy az olyan bevált eszközökkel, mint az ABAQUS, összhangban lévő eredményeket szolgáltat. Mindazonáltal mindig célszerű az egyes alkalmazások pontosságát és megbízhatóságát biztosítani azáltal, hogy bármely szoftver eredményeit kísérleti adatokkal vagy alternatív numerikus módszerekkel validálják. Az analitikai modellek további finomítása és validálása javíthatja az előrejelzések pontosságát, biztosítva a robusztusabb szerkezeti elemzési és tervezési folyamatokat.