Gewapend Beton Consoles (ACI)
In deze studie wordt het gedrag van zeven gewapend beton (RC) console-specimens onderzocht. Hun sterkte- en vervormingscapaciteiten werden berekend met behulp van IDEA StatiCa en vergeleken met ontwerpcapaciteiten berekend volgens de ACI 318-19 (2019) en AASHTO LRFD (2016) procedures. De resultaten werden vergeleken met experimentele gegevens. Een van de geteste console-specimens werd geselecteerd als basismodel voor verder onderzoek via ABAQUS-software (versie 2023), waarbij middelpuntdoorbuiging, hoofdspanningsverdeling en scheurpatronen werden berekend en vergeleken met die gemeten tijdens experimenten (Wilson, 2017). Daarnaast werd de invloed van aanvullende wapening op de consolecapaciteiten in detail onderzocht.
Experimentele Studie
Om de constructieve prestaties van consoles te evalueren, werden vier dubbele console-specimens, aangeduid als C0 tot en met C3, ontworpen op basis van de Staafwerk model (STM) bepalingen van ACI 318-19 (2014) door Wilson (2017). Nog drie dubbele console-specimens, aangeduid als S1, S2 en S3, werden ontworpen volgens de STM-bepalingen van AASHTO LRFD (2016) door Khosravikia et al. (2018). De specimens werden ontworpen, vervaardigd en getest in het Ferguson Structural Engineering Laboratory van de University of Texas at Austin. Consistentie werd gehandhaafd in de primaire wapening van de vier specimens in categorie C, terwijl de aanvullende wapening varieerde. Op dezelfde manier deelden specimens S1, S2 en S3 dezelfde geometrie, maar hadden variaties in zowel primaire als aanvullende wapening. Alle zeven specimens waren uitsluitend ontworpen om verticale belasting te weerstaan, waarbij mogelijke horizontale trekkrachten buiten beschouwing werden gelaten. Daarom werden testopstellingen vereenvoudigd, waarbij uitsluitend werd gefocust op verticale belastingen, waarbij elk specimen werd ondersteund door twee oplegplaten. Onder alle zeven specimens werd C0 gekozen als het basismodel en werd geanalyseerd in ABAQUS.
Alle vier specimens (C0, C1, C2 en C3) werden ontworpen met vergelijkbare afmetingen, waaronder een breedte van 14 in. (356 mm), een totale consolehoogte van 24 in. (610 mm), een consolelengte van 20 in. (508 mm) aan elke zijde en een verlengde kolomhoogte van 12 in. (305 mm). De geometrie van de specimens en de wapeningstekeningen die in elk specimen zijn gebruikt, zijn weergegeven in Figuur 1.1. De ontwerpparameters van de console-specimens zijn weergegeven in Tabel 1.1. Er wordt opgemerkt dat de specimens in Figuur 1.1 worden gepresenteerd in de oriëntatie waarin ze werden getest.
Figuur 1.1: Specimenontwerp met wapeningstekeningen (Wilson, 2017).
Normberekeningscontroles volgens ACI 318-19
De op normen gebaseerde normtoetsingen werden uitgevoerd en de capaciteiten van de console-specimens werden berekend met behulp van het Staafwerk model (STM), en de scheurbeheersingseis voor RC-consoles werd numeriek onderzocht volgens de bepalingen van ACI 318-19. In het Staafwerk model worden de betonnen elementen vervangen door een hypothetische vakwerk bestaande uit betonnen drukdiagonalen en stalen trekstaven, onderling verbonden in knopen. Volgens de STM-bepalingen van ACI 318-19 moet voldoende wapening worden aangebracht om te voldoen aan de sterktebehoeften van elke trekstaaf. Om voldoende scheurbeheersing te waarborgen en overmatige rekincompatibiliteit te voorkomen, is vereist dat de hoek tussen de as van een drukdiagonaal en een trekstaaf die een knoop binnenkomt groter dan of gelijk aan 25° is. Drie typen knopen worden onderscheiden: CCC-knopen, die knopen zonder trekstaven aangeven (druk-druk-druk knoop); CCT-knopen, die knopen met één trekstaaf vertegenwoordigen; en CTT-knopen, die knopen met twee of meer trekstaven aanduiden.
Het Staafwerk vakwerkmodel dat werd gebruikt voor het ontwerpen van deze specimens is weergegeven in Figuur 1.15. De horizontale uitlijning van Knopen A en A' was uitgelijnd met het midden van de oplegplaten, terwijl Knopen B en B' werden gepositioneerd op de kwartpunten binnen de kolombreedte. De verticale positionering van Knopen B en B' werd bepaald als het middelpunt van het rechthoekige drukblok aan het kolomvlak. Het ontwerpproces omvatte het verifiëren van de vloeigrenssterkte van Trekstaaf AA', de druksterkte van Drukdiagonalen AB, A'B', BB', BC en B'C', en de achterkant, opleg- en hellende vlakken van Knopen A, A', B en B'.
Figuur 1.15: Staafwerk model (Wilson, 2017).
Tabel 1.6 geeft de normtoetsingen weer die zijn geïdentificeerd voor console-specimens volgens ACI 318-19.De constructieve integriteit van betonelementen wordt nauwkeurig beoordeeld aan de hand van verschillende gecontroleerde onderdelen, elk verwijzend naar de American Concrete Institute (ACI) 318-19 bouwcode.
IDEA StatiCa Analyse
Zeven gewapend betonnen consoles beschreven in de Secties 1.2.1 en 1.2.2 werden gemodelleerd met de CFSM-methode geïmplementeerd in IDEA StatiCa Detail om de respons van deze specimens te simuleren. De gemeten druksterkte van beton, vloeigrenssterkte van wapeningsstaal en treksterkte van wapeningsstaal, zoals gepresenteerd door Wilson (2017) voor specimens C0, C1, C2 en C3 (Tabel 1.3), en door Khosravikia et al. (2018) voor specimens S1, S2 en S3, werden opgenomen in IDEA StatiCa Detail.
Figuur 1.16: (a) Console C0 bij 580 kips (2578 kN) belasting, (b) doorbuiging van C0 onder 580 (kips) belasting, (c) betonnen hoofdspanning σ_c van C0 bij 580 (kips) belasting, en (d) rek in het wapeningsstaal.
ABAQUS Modelontwikkeling en Analyse
In deze sectie werd het basismodel ontwikkeld in Sectie 1.4.1 (d.w.z. Specimen C0) gereconstrueerd met behulp van ABAQUS-software (versie 2023) voor eindige elementen (FE) analyse, en de resultaten werden vergeleken met die verkregen uit IDEA StatiCa. In het model werd, naast het eigen gewicht, de verticale belasting van 592 kips (2633 kN) opgelegd aan de bovenste oplegplaat zoals weergegeven in Figuur 1.23a. Twee randvoorwaarden vergelijkbaar met de experimentele tests en het IDEA StatiCa model (d.w.z. roltype aan de rechterkant en kantelzadel type aan de linkerkant) werden toegepast op Specimen C0 (zie Figuur 1.23b).
Figuur 1.23: a) Modelopstelling in ABAQUS, en b) implementatie van twee randvoorwaarden in ABAQUS.
De vereiste parameters om dit model te beschrijven werden verkregen uit de experimentele test na kalibratie, omdat ze niet expliciet waren aangegeven in Ref. (Wilson, 2017). Voor de staalstaven werd het materiaalgedrag gemodelleerd met behulp van eenvoudige bi-lineaire plasticiteit. Andere parameters, waaronder dichtheid, elasticiteitsmodulus en de verhouding van Poisson, werden overgenomen uit de materialenbibliotheek van IDEA StatiCa Detail. De numerieke simulatie werduitgevoerd op een virtuele machine met 16 processors (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz) en duurde ongeveer 56 minuten om te voltooien, terwijl IDEA StatiCa Detail de berekening in minder dan één minuut voltooide.
Figuur 1.26, 1.27 Vergelijking van de richting van hoofdspanningen en verticale verplaatsing tussen IDEA StatiCa Detail en ABAQUS.
Samenvatting
Zeven gewapend betonnen consoles werden onderzocht met behulp van IDEA StatiCa en volgens de bepalingen van de Staafwerk methode per ACI 318-19 voor vier verschillende consoles (C0, C1, C2, C3) en per AASHTO LRFD (2016) voor drie verschillende console-specimens (S1, S2, S3). Ook werden de resultaten van het IDEA StatiCa basismodel (d.w.z. Console C0) vergeleken met die van het equivalente ABAQUS-model. De specimens werden gemodelleerd en geanalyseerd met behulp van IDEA StatiCa om het experimentele gedrag van de consoles vast te leggen. De maximale draagkracht van de consoles en de belasting versus middelpuntdoorbuigingscurven werden uitgezet met de resultaten verkregen uit IDEA StatiCa en vergeleken met de gemeten gegevens.
In Figuur 1.30 worden vergelijkingen gepresenteerd van de belastingen verkregen uit experimenten, de Staafwerk methode (STM) en IDEA StatiCa voor specimens C. De resultaten benadrukken de effectiviteit van PIDEA StatiCa in het nauw aansluiten bij experimentele resultaten, waarbij traditionele methoden zoals de STM worden overtroffen in het leveren van bijna nauwkeurige voorspellingen van consoleprestaties. Voor alle specimens (C0, C1, C2 en C3) toont PIDEA StatiCa consistent een goede overeenkomst met de experimentele maximale draagcapaciteiten (Pmax). De eigenschappen van specimens C0 en C2 waren gelijk, maar specimen C0 werd getest met een grotere av /d verhouding. Dit toont het effect van de av /d verhouding op de draagkracht van de console.De capaciteit van de consoles varieerde omgekeerd evenredig met de av /d verhouding.
Figuur 1.30: Vergelijking van gemeten, berekende (STM) en maximale belasting uit IDEA StatiCa voor C-specimens.
Samengevat overtroffen de maximale belastingen voorspeld door IDEA StatiCa voor alle zeven console-specimens (C0 tot C3 en S1 tot S3) consistent die van de STM en sloten ze nauw aan bij de experimentele resultaten, met uitzondering van specimens S1 en S3. Specifiek voor S1 en S3 overschreden de maximale belastingen afgeleid uit IDEA StatiCa de gemeten waarden met respectievelijk 1,5% en 3,1%. Over het algemeen zijn de resultaten van experimenteel testen, het Staafwerk model (STM), IDEA StatiCa en ABAQUS redelijk vergelijkbaar.
Met betrekking tot de prestaties van IDEA StatiCa is het duidelijk dat de resultaten vergelijkbaar zijn met die van ABAQUS. Dit geeft aan dat IDEA StatiCa in staat is om constructief gedrag nauwkeurig te simuleren en te analyseren. De effectiviteit en betrouwbaarheid van de software voor technische analyse- en ontwerptaken worden onderstreept door het vermogen om resultaten te leveren die in lijn zijn met gevestigde tools zoals ABAQUS. Desalniettemin is het altijd raadzaam om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid voor specifieke toepassingen te waarborgen door resultaten van software te valideren met experimentele gegevens of alternatieve numerieke methoden. Verdere verfijning en validatie van analytische modellen kunnen de nauwkeurigheid van voorspellingen verbeteren, waardoor robuustere constructieve analyse- en ontwerpprocessen worden gewaarborgd.