AISC 358 Normtoetsing van Vooraf Gekwalificeerde Momentverbindingen
Laten we beginnen met het bespreken van de oorsprong van de vooraf gekwalificeerde verbindingen. Na de aardbeving in Northridge, Californië in 1994, nam het onderzoek naar de seismische respons van constructief stalen gebouwsystemen aanzienlijk toe door de oprichting van het SAC Joint Venture met "het doel om betrouwbare, praktische en kosteneffectieve richtlijnen en normen te ontwikkelen voor de reparatie of versterking van beschadigde stalen momentframe-gebouwen, het ontwerp van nieuwe stalen gebouwen, en de identificatie en rehabilitatie van risicovolle stalen gebouwen."
Het SAC Joint Venture werd gefinancierd door het Amerikaanse Federal Emergency Management Agency (FEMA) (https://www.sacsteel.org/project/mission.html)
De bevindingen van de aardbeving in Northridge waren dat verschillende stalen momentframe-gebouwen brosse breuken vertoonden die begonnen bij de gelaste flensverbindingen van de ligger aan de kolomflens van momentverbindingen. De breuken vertoonden een verscheidenheid aan patronen en strekten zich soms uit in en over de kolomknooppunten.
Deze onverwachte brosse breuken verschilden aanzienlijk van de verwachte prestaties van ductiel buigend vloeien van de ligger in plastische scharnierzones. Waar ze optraden, verhinderden deze brosse breuken de vorming van ductiele plastische scharnierzones. Ze resulteerden in framegedrag dat wezenlijk verschilde van dat waarop de ontwerpvereisten voor deze systemen waren gebaseerd.
Het Connection Prequalification Review Panel (CPRP) werd in 2001 opgericht door AISC om een norm voor verbindingsprequalificatie te ontwikkelen. Het panel, bestaande uit ingenieurs, onderzoekers, fabrikanten en bouwtoezichthouders, beoordeelde test- en onderzoeksgegevens van SAC en anderen om de eerste editie van AISC 358 in 2005 te publiceren.
Deze eerste editie bevatte prequalificatiegegevens en ontwerpprocedures voor drie verbindingstypen. Sinds deze publicatie in 2005 heeft het CPRP gegevens blijven beoordelen voor aanvullende verbindingstechnologieën, en de meest recente en huidige AISC 358 bevat nu tien typen vooraf gekwalificeerde verbindingen, waaronder verschillende geoctrooieerde verbindingen:
- Reduced Beam Section (RBS)
- Bolted Unstiffened and Stiffened Extended End-plate
- Bolted Flange Plate (BFP)
- Welded Unreinforced Flange-Welded Web (WUF-W)
- Kaiser Bolted Bracket (Geoctrooieerd)
- ConXtech ConXL (Geoctrooieerd)
- Sideplate (Geoctrooieerd)
- Simpson Strong-tie Strong Frame (Geoctrooieerd)
- Double-Tee
- Slotted Web (Geoctrooieerd)
Wat zijn deze unieke verbindingen?
Op basis van de bevindingen van het SAC Joint Venture waren de belangrijkste redenen voor brosse breuken dat de verbindingsgeometrieën grote spanningsconcentraties hadden en een beperkt vermogen om te vloeien, de gebruikte lastoevoegmaterialen een beperkte ductiliteit hadden, verschillende vloeigrenswaarden van liggers en kolommen resulteerden in onvoorziene zwakke zones in verbindingsassemblages, en laspraktijken de AWS Structural Welding Code niet volgden.
"Na de aanbevelingen van het SAC Joint Venture vereisen de AISC Seismic Provisions dat momentverbindingen die worden gebruikt in speciale of tussenliggende stalen momentframes door middel van testen worden aangetoond in staat te zijn de nodige ductiliteit te bieden.
Twee bewijsmiddelen zijn aanvaardbaar. Eén middel bestaat uit projectspecifiek testen waarbij een beperkt aantal volledige proefstukken op ware grootte, die de in een constructie te gebruiken verbindingen vertegenwoordigen, worden gebouwd en getest volgens een protocol voorgeschreven in Hoofdstuk K van de AISC Seismic Provisions. Erkennend dat het kostbaar en tijdrovend is om dergelijke tests uit te voeren, voorzien de AISC Seismic Provisions ook in de prequalificatie van verbindingen bestaande uit een rigoureus programma van testen, analytische evaluatie en beoordeling door een onafhankelijk orgaan, het Connection Prequalification Review Panel (CPRP).
Verbindingen die in deze norm zijn opgenomen, hebben voldaan aan de criteria voor prequalificatie wanneer toegepast op raamwerk dat voldoet aan de hierin opgenomen beperkingen en wanneer ontworpen en gedetailleerd volgens deze norm." (AISC 358 Commentaar inleiding)
Samengevat zijn verbindingen die vooraf zijn gekwalificeerd onder de AISC 358-norm bedoeld om inelastische vervorming te weerstaan, voornamelijk door gecontroleerd vloeien in specifieke gedragswijzen. Om verbindingen te verkrijgen die zich op de aangegeven manier gedragen, is een juiste bepaling van de sterkte van de verbinding in verschillende grenstoestanden noodzakelijk. De sterkteformuleringen in de LRFD-methode zijn consistent met deze aanpak."
Wat is het huidige ontwerpproces van een AISC vooraf gekwalificeerde verbinding?
AISC 358 bevat een hoofdstuk gewijd aan elk type vooraf gekwalificeerde verbinding en alle benodigde details om aan de norm te voldoen. In elk hoofdstuk worden alle ontwerpbeperkingen vermeld en wordt een ontwerpproces gepresenteerd.
Het ontwerp van een verbinding is een stapsgewijs proces waarbij, afhankelijk van de verbinding, u begint met het kiezen van de geometrie via trial and error. Vervolgens zijn berekeningen van de plastische sectiemodulus, het maximale waarschijnlijke moment bij het verwachte plastische scharnier, de afschuifkracht en het plastische moment van de ligger vereist om te worden vergeleken met de sterkte van de ligger.
Het hoofdidee van het ontwerpproces is het ontwerpen van een sterk kolom-zwakke ligger systeem. U moet dus het maximale moment op de locatie van het gecontroleerde plastische scharnier berekenen, zodat de ligger bezwijkt vóór de verbinding en de kolom wanneer een seismische gebeurtenis optreedt.
De geoctrooieerde verbindingen hebben verschillende ontwerpmethoden, en een ingenieur die geïnteresseerd is in het gebruik van deze verbindingen moet contact opnemen met de octrooihouder om te begrijpen hoe het ontwerp wordt voltooid.
Studie naar vooraf gekwalificeerde verbindingen
In 2023 werkte de Ohio State University (OSU) aan een studie om de betrouwbaarheid te verifiëren van de CBFEM die wordt gebruikt in de IDEA StatiCa software bij het analyseren van verschillende typen seismische vooraf gekwalificeerde staalverbindingen.
Dit project was gericht op het evalueren van het gedrag van seismische momentverbindingen verkregen uit de IDEA StatiCa software – rekening houdend met belastingsweerstand, rotatiecapaciteit en moment-rotatierespons.
De resultaten werden vergeleken met de beproefde methoden: AISC-vergelijkingen, ABAQUS (FEA-software) en de resultaten van laboratoriumtests op ware grootte.
De studie toonde aan dat IDEA StatiCa een betrouwbare tool is voor het berekenen van momentcapaciteiten en het voorspellen van bezwijkmodi voor verschillende staalverbindingen.
Lees hier meer over de OSU-studie naar vooraf gekwalificeerde verbindingen.
Hoe IDEA StatiCa integreert in het ontwerpproces van vooraf gekwalificeerde verbindingen
In IDEA StatiCa was het altijd mogelijk om vooraf gekwalificeerde verbindingen te modelleren, en het modelleren was niet al te ingewikkeld omdat er eenvoudige bewerkingen zijn die het modelleren vergemakkelijken, bijvoorbeeld:
Openingen (om de flensuitsnijdingen te modelleren):
Hoekstaal bewerking om T-profielen aan beide zijden toe te voegen:
Kopplaat, verstijvers, verbreders:
Zodra u de verbinding heeft gemodelleerd, wordt het Capacity Design analysetype gebruikt om te bevestigen dat het geplande plastische scharnier plaatsvindt waar het was ontworpen. Zo is het plastische scharnier voor een RBS-verbinding bedoeld om te ontstaan in de gereduceerde sectie van de ligger; bij een Bolted Flange Plate is de bedoeling om het plastische scharnier nabij het uiteinde van de flensplaten te hebben.
Wanneer u capacity design analyse selecteert in IDEA StatiCa, moet een dissipatief staaf worden toegewezen waar het plastische scharnier geacht wordt te vormen. De verbinding en de kolom zijn niet-dissipatieve elementen die zonder significante vervormingen moeten blijven. De ligger wordt zodanig belast dat het plastische scharnier in de ligger ontstaat met de waarschijnlijke vloeigrens en de bijbehorende afschuifkracht.
Wanneer de analyse wordt uitgevoerd, wordt de materiaalsterkte van het dissipatieve element verhoogd met de oversterktefactor (Ry) en de verhardingsfactor (CPr).
IDEA StatiCa Connection controleert de verbinding op de toegepaste rekenwaarde van de belasting, die een plastisch scharnier moet creëren in het geselecteerde dissipatieve element. De plastische rek in het dissipatieve element moet ongeveer 5% zijn. Dit kan bevestigen dat de grootte en positie van de belastingen correct zijn bepaald.
We zijn gedekt voor alle niet-geoctrooieerde vooraf gekwalificeerde verbindingen. U moet echter controleren of aan de prequalificatiegrenzen is voldaan. Dit maakt het modelleringsproces zeer tijdrovend, omdat er in sommige gevallen meer dan 50 detailleringscontroles per verbinding kunnen zijn.
IDEA StatiCa Connection bevat de prequalificatie-detailleringscontroles voor de hieronder vermelde verbindingen, en we hebben verbindingstemplates toegevoegd die u helpen met een reeds opgebouwd model.
In het verbindingsmenu kunt u kiezen tussen Special Moment Frame en Intermediate Moment Frame, en het type verbinding dat u wilt ontwerpen. Dit is belangrijk en is afhankelijk van de detailleringscontroles die u in het rapport krijgt:
Detailleringscontroles worden weergegeven op het modelscherm terwijl u aan de staalverbinding werkt, zodat u weet wat er moet worden gewijzigd voordat u de analyse uitvoert. Tot slot kunt u de controles afdrukken in het rapport.
Aanvullende bronnen
Lees onze theoretische achtergrond voor capacity design voor meer gedetailleerde informatie over de functies die de tijd die wordt besteed aan de normtoetsing van vooraf gekwalificeerde staalverbindingen zullen verminderen.
Bekijk een korte introductievideo over het ontwerp van vooraf gekwalificeerde verbindingen.
Als u deze verbindingen ontwerpt en de iteratietijd wilt verkorten, ontdek dan de voordelen via onze gratis proefversie via de onderstaande link.
Probeer IDEA StatiCa gratis uit
