Vasbeton konzolok (ACI)
Ebben a tanulmányban hét vasbeton (RC) konzol próbatest viselkedését vizsgálják. Teherbírásuk és alakváltozási kapacitásuk kiszámítása az IDEA StatiCa segítségével történt, és összehasonlításra kerültek 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 megvizsgálták a másodlagos vasalás hatását a konzol kapacitásokra.
Kísérleti tanulmány
A konzolok szerkezeti teljesítményének értékeléséhez Wilson (2017) négy kettős konzol próbatestet tervezett C0-tól C3-ig jelölve, az ACI 318-19 (2014) rúd-csomópont modell (STM) rendelkezései alapján. További három kettős konzol próbatestet, S1, S2 és S3 jelöléssel, Khosravikia et al. (2018) tervezett az AASHTO LRFD (2016) STM rendelkezései szerint. A próbatesteket a Texasi Egyetem (Austin) 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 elrendezések egyszerűsítve lettek, kizárólag a függőleges terhelésekre összpontosítva, minden próbatestet két alátámasztó lemez tartott. 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, beleértve a 14 in. (356 mm) szélességet, a 24 in. (610 mm) teljes konzolmagasságot, a 20 in. (508 mm) konzolhosszt mindkét oldalon, és a 12 in. (305 mm) meghosszabbított oszlopmagasságot. 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
A szabványon alapuló tervezési ellenőrzések elvégzésre kerültek, és a konzol próbatestek kapacitásait a rúd-csomópont modell (STM) segítségével számították ki, a vasbeton konzolok repedésszabályozási követelményeit pedig az ACI 318-19 rendelkezései alapján numerikusan vizsgálták. A rúd-csomópont modellben a betonszerkezeti elemeket egy hipotetikus rácsos tartóval helyettesítik, amely beton nyomott rudakból és acél húzott rudakból áll, csomópontokban összekapcsolva. Az ACI 318-19 STM rendelkezései szerint megfelelő vasalást kell biztosítani az egyes húzott rudak teherbírási igényeinek kielégítéséhez. A megfelelő repedésszabályozás biztosítása és a túlzott alakváltozási inkompatibilitás megelőzése érdekében előírás, hogy bármely nyomott rúd tengelye és a csomópontba belépő bármely húzott rúd közötti szög nagyobb vagy egyenlő legyen 25°-nál. A csomópontok három típusát különböztetik meg: CCC csomópontok, amelyek húzott rúd nélküli csomópontokat jelölnek (nyomás-nyomás-nyomás csomópont); CCT csomópontok, amelyek egy húzott rudat tartalmazó csomópontokat képviselnek; és CTT csomópontok, amelyek két vagy több húzott rudat tartalmazó csomópontokat jelölnek.
A próbatestek tervezéséhez használt rúd-csomópont rácsos tartó modellt az 1.15. ábra szemlélteti. Az A és A' csomópontok vízszintes elhelyezése az alátámasztó lemezek középpontjával volt egy vonalban, míg a B és B' csomópontokat az oszlopszélesség negyedpontjaiban helyezték el. A B és B' csomópontok függőleges elhelyezése az oszlop homlokfelületénél lévő téglalap alakú nyomási blokk felezőpontjaként lett meghatározva. A tervezési folyamat magában foglalta az AA' húzott rúd folyáshatárának, az AB, A'B', BB', BC és B'C' nyomott rudak nyomószilárdsági kapacitásának, valamint az A, A', B és B' csomópontok hátsó, alátámasztási és ferde felületeinek ellenőrzését.
1.15. ábra: Rúd-csomópont modell (Wilson, 2017).
Az 1.6. táblázat bemutatja az ACI 318-19 alapján a konzol próbatestekre meghatározott tervezési ellenőrzéseket.A betonszerkezeti elemek szerkezeti integritását különböző ellenőrzött tételeken keresztül szigorúan értékelik, 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. A beton mért nyomószilárdsága, a betonacél folyáshatára és a betonacél szakítószilárdsága, ahogyan azt Wilson (2017) a C0, C1, C2 és C3 próbatestekre (1.3. táblázat), illetve Khosravikia et al. (2018) az S1, S2 és S3 próbatestekre bemutatta, beépítésre kerültek az IDEA StatiCa Detail-be.
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 alátámasztó lemezre, ahogyan az az 1.23a. ábrán látható. Két, a kísérleti vizsgálatokhoz és az IDEA StatiCa modellhez hasonló határfeltételt (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 határfeltétel implementálása az ABAQUS-ban.
A modell leírásához szükséges paramétereket a kalibrálás után a kísérleti vizsgálatból nyerték, mivel azok nem voltak kifejezetten megadva a hivatkozásban (Wilson, 2017). Az acélrudak esetében az anyagviselkedést egyszerű bilineáris plaszticitással 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 hajtották végre (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz), 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 összehasonlítása az IDEA StatiCa Detail és az ABAQUS között.
Összefoglalás
Hét vasbeton konzolt vizsgáltak az IDEA StatiCa segítségével, az ACI 318-19 rúd-csomópont módszer rendelkezéseit követve négy különböző konzol esetében (C0, C1, C2, C3), valamint az AASHTO LRFD (2016) szerint három különböző konzol próbatest esetében (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 teherbírási kapacitását 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 vonatkozóan a kísérletekből, a rúd-csomópont 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 teherbírási kapacitásokkal (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 teherbírási kapacitására.A konzolok kapacitása 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 esetében (C0-tól C3-ig és S1-től S3-ig) 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 rúd-csomópont 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 hatékonyságát és megbízhatóságát mérnöki elemzési és tervezési feladatokban aláhúzza az a képessége, hogy az olyan bevált eszközökkel, mint az ABAQUS, összhangban lévő eredményeket nyújt. Mindazonáltal mindig ajánlatos az eredmények pontosságát és megbízhatóságát az adott alkalmazáshoz kísérleti adatokkal vagy alternatív numerikus módszerekkel validálni. Az analitikai modellek további finomítása és validálása javíthatja az előrejelzések pontosságát, biztosítva a robusztusabb szerkezeti elemzési és tervezési folyamatokat.