Verificatie van IDEA StatiCa berekeningen voor het ontwerp van staalverbindingen (AISC)

Auteurs:

• Baris Kasapoglu, Ph.D.-student (Afdeling Civiele, Milieu- en Geodetische Techniek)
• Rafael Arthur Giorjao, Ph.D. (Afdeling Materiaalkunde en Materiaaltechniek)
• Ali Nassiri, Ph.D. (Afdeling Geïntegreerde Systeemtechniek)
• Halil Sezen, Ph.D. (Afdeling Civiele, Milieu- en Geodetische Techniek)

Juni 2021

Inleiding

In het vakgebied van constructieve en civiele techniek is het begrijpen van het constructief gedrag en de integriteit van een gebouw essentieel om de veiligheid van de gebruikers te waarborgen. Het is echter een uitdaging om het gedrag van een complexe constructie te analyseren en te bepalen wanneer deze wordt blootgesteld aan uiteenlopende belastingscondities met behulp van conventionele analytische methoden. Eindige Elementen Analyse (FEA) is daarom een waardevol tool voor het numeriek modelleren van fysieke constructies die te complex zijn voor analytische oplossingen. Het overkoepelende doel van dit rapport is het evalueren van de FEA-resultaten verkregen uit het IDEA StatiCa softwarepakket voor drie groepen veelvoorkomende staalverbindingen die in de Verenigde Staten worden toegepast (d.w.z. eenvoudige, flexibele en stijve verbindingen), en deze te vergelijken met beschikbare experimentele gegevens en de resultaten berekend met een andere FEA-software, ABAQUS. De respons van de balk-kolomverbinding verkregen uit de IDEA StatiCa software wordt vervolgens vergeleken met de ontwerpberekeningen uitgevoerd conform de eisen van AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016), en AISC Steel Construction Manual (2017).

Dit rapport omvat vier hoofdstukken. In de hoofdstukken 1–3 werd voor elk verbindingstype een experimenteel gevalideerd verbindingsontwerp uit de literatuur gekozen als basismodel. De normtoetsing en berekeningen werden uitgevoerd conform de Amerikaanse bouwvoorschriften voor elk basismodel en tien variaties daarop. Vervolgens werden de resultaten vergeleken met de voorspellingen van IDEA StatiCa. Daarnaast werden de FEA-resultaten van IDEA StatiCa vergeleken met die van ABAQUS. Alle vereiste stappen en details van alle geometrische controles en normtoetsingen conform de AISC-ontwerpnormen zijn opgenomen in de bijlagen. Het laatste hoofdstuk bevat de algehele evaluatie van de IDEA StatiCa software wat betreft de nauwkeurigheid en de compatibiliteit met de eisen van de Amerikaanse bouwvoorschriften voor staalverbindingen.

1 EENVOUDIGE VERBINDINGEN

In deze studie werden de ontwerpsterktekapaciteiten van tien scharnierverbindingsproefstukken berekend conform de eisen van AISC 360 (2016) en AISC Construction Manual (2017). Vier proefstukken werden geselecteerd uit het experimentele onderzoek uitgevoerd door McMullin en Astaneh (1988) bij de Afdeling Civiele Techniek van de Universiteit van Californië, Berkeley. Zes aanvullende modellen werden ontwikkeld voor verificatiedoeleinden door de parameters te wijzigen op basis van de beschikbare proefstukken. Vervolgens werd het basismodel geanalyseerd met ABAQUS (2020) en IDEA StatiCa (versie 20.1.3471.1) en werden de resultaten vergeleken.

Experimenteel Onderzoek

Zeven op ware grootte uitgevoerde stalen balk-kolomverbindingsproefstukken werden getest en de resultaten werden gepresenteerd in McMullin en Astaneh (1988). Elk verbindingsproefstuk was met bouten aan de balk bevestigd en met dubbele hoekprofielen aan de kolom gelast. Het voornaamste doel van deze tests is uitsluitend een afschuifkracht op de verbinding aan te brengen met een zeer kleine buiging of moment. Om dit doel te bereiken brengt de actuator nabij de verbinding de afschuifkracht aan. De actuator nabij het uiteinde van de uitkraging heeft als doel de balk horizontaal te houden en de rotatie (buiging) van de verbinding te beperken. 

Schema van de instrumentatie gebruikt tijdens het experiment (McMullin en Astaneh, 1988)

Normtoetsing en Vergelijkingen

De ontwerpsterktekapaciteiten (\(\phi\)R_n) van de verbindingen werden berekend conform de eisen van AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) en AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). De nominale sterkte, R_n, en de bijbehorende weerstandsfactor, \(\phi\), voor elke grenstoestand van het verbindingsontwerp voor belasting- en weerstandsfactorberekening (LRFD) zijn opgenomen in hoofdstuk J van AISC 360. De volgende 13 normtoetsingen werden uitgevoerd conform de LRFD-ontwerpvergelijkingen opgenomen in AISC 360 of AISC Manual.

• Afschuifcontrole bout                                                       (Vgl. J3-1, AISC 360-16)
• Trekcontrole bout                                                     (Vgl. J3-1, AISC 360-16)
• Boutdruk op balk                                                (AISC 360-16, Vgl. J3-6a)
• Boutuitscheuring op balk                                                (AISC 360-16, Vgl. J3-6c)
• Boutdruk op hoekprofielen                                              (AISC 360-16, Vgl. J3-6a)
• Boutuitscheuring op hoekprofielen                                     (AISC 360-16, Vgl. J3-6c)
• Afschuifbreuk op hoekprofielen (balkzijde)                      (AISC 360-16, Vgl. J4-4)
• Blokafschuiving op hoekprofielen (balkzijde)                        (AISC 360-16, Vgl. J4-5)
• Afschuifvloei op hoekprofielen                                           (AISC 360-16, Vgl. J4-3)
• Afschuifvloei op balk                                             (AISC 360-16, Vgl. J4-3)
• Lasbreuk op hoekprofielen (steunzijde)                  (Pagina 9-5, AISC Manual)
• Lascapaciteit                                                             (Pagina 10–11, AISC Manual)
• Lascapaciteit (zonder excentriciteit)                                 (AISC 360-16, Vgl. J4-2)

IDEA StatiCa Analyse

IDEA StatiCa controleert vier verschillende bezwijkscenario's van dit staalverbindingstype: (1) plaatbezwijken, (2) boutbezwijken, (3) lasbezwijken en (4) knik. De geselecteerde vier proefstukken (Tabel 1.4) en zes aanvullende modellen (Tabel 1.6) werden gemodelleerd in IDEA StatiCa en geanalyseerd onder een afschuifkracht, zoals weergegeven in Figuur 1.9. In de software kan de locatie van de afschuifkracht willekeurig worden gekozen. Twee locaties van de afschuifkracht werden onderzocht: (1) in de bouten en (2) op het kolomvlak.

Vergelijking van afschuifcapaciteiten: Vier geteste proefstukken

Vergelijking van afschuifcapaciteiten: zes aanvullende modellen 

Samenvatting en Vergelijking van Resultaten

Voor elk proefstuk werden twee verschillende lascapaciteiten berekend conform de AISC LRFD-ontwerpvereisten. Voor dezelfde vier proefstukken werden twee verschillende lascapaciteiten berekend uit de IDEA StatiCa-modellen door de afschuifkracht op verschillende locaties aan te brengen. In alle belastingsscenario's bleek het zwakste onderdeel van de verbindingen de lassing te zijn. De maatgevende of kleinste berekende sterkten overeenkomend met de lascapaciteiten worden gepresenteerd en vergeleken met de maximale afschuifcapaciteit van de lassing gemeten tijdens het experiment.

De lascapaciteiten van de proefstukken werden op twee verschillende manieren berekend conform de AISC LRFD-normeisen (AISC 360-16 en AISC Manual, 2017). Voor proef nr. 4 geldt dat, indien vergelijking J2.4 in AISC 360-16 wordt gevolgd, de ontwerpsterktekapaciteit van de lassing van het proefstuk wordt berekend als 228,3 kips. In deze oplossing wordt geen rekening gehouden met excentriciteit. Om deze benadering te vergelijken met de IDEA StatiCa-analyse werd de verticale afschuifkracht aangebracht op de lassing (evenwijdig aan de laslijn) en werd de lascapaciteit van dit proefstuk berekend als 216,6 kips, wat zeer dicht bij de waarde ligt berekend uit vergelijking J2.4 in AISC 360-16 (228,3 kips).

Wanneer de afschuifkracht wordt aangebracht op de bouten (uitwendige verticale kracht evenwijdig aan de boutlijn) in het IDEA StatiCa-model, werd de verbindingscapaciteit berekend als 130,2 kips. Als de lascapaciteit wordt berekend conform de LRFD-lassterktevergelijking (pagina 10-11 van AISC Construction Manual, 2017), waarbij rekening wordt gehouden met de excentriciteit van de belasting aan de steunzijde, wordt de lascapaciteit van het proefstuk berekend als 186,8 kips. Deze AISC LRFD-vergelijking houdt echter conservatief geen rekening met de excentriciteit als gevolg van de tussenruimte tussen de bouten en de lassing. Aangenomen wordt dat deze veronderstelling de reden is voor het verschil tussen de resultaten berekend met IDEA StatiCa en de LRFD-sterktevergelijking in het AISC Manual (2017).

Vergelijking van IDEA StatiCa en ABAQUS Resultaten

In het algemeen was er een goede overeenkomst tussen de resultaten van de twee softwarepakketten. In geval 1, waarbij de belasting werd aangebracht op het zwaartepunt van de boutgroep, werd meer vervorming waargenomen op de dubbele hoekprofielen in het ABAQUS-model. Ook was de maximaal voorspelde spanning op de balk, kolom en laslijnen iets hoger in het ABAQUS-model. Daarnaast werd een iets andere spanningsverdeling waargenomen op de balk in het ABAQUS-model. Hoewel het aanbrengen van de belasting op de boutgroep niet gebruikelijk is in traditionele eindige elementensoftware, kan een dergelijk verschil worden toegeschreven aan verschillende contactformuleringen of elementtypen (d.w.z. massief element in ABAQUS versus schaalelement in IDEA StatiCa). Ook werden door de aard van de koppelingsrandvoorwaarde grotere spanningen verkregen op de kolom in het ABAQUS-model. In geval 2, waarbij de belasting werd aangebracht op de laslijnen, werd een veel betere overeenkomst waargenomen tussen de twee modellen. In beide modellen bleek het zwakste onderdeel van de verbindingen de laslijnen te zijn. Dit is ook consistent met de LRFD-normtoetsingen. 

Voorspelde von Mises-spanning tussen IDEA StatiCa en ABAQUS-modellen; geval 1 (bovenste rij): afschuifbelasting aangebracht op het zwaartepunt van de boutgroep, en geval 2 (onderste rij): afschuifbelasting aangebracht op de laslijnen

2 FLEXIBELE VERBINDINGEN

In dit hoofdstuk werden de ontwerpsterktekapaciteiten van tien flexibele verbindingsproefstukken berekend conform de eisen van AISC 360 (2016) en AISC Construction Manual (2017). Deze proefstukken werden geselecteerd uit het experimentele onderzoek uitgevoerd door Azizinamini et al. (1985) bij de Afdeling Civiele Techniek van de Universiteit van South Carolina. Alle proefstukken werden geanalyseerd met IDEA StatiCa, terwijl één ervan werd geanalyseerd met ABAQUS (2020). Vervolgens werden de resultaten vergeleken.

Experimenteel Onderzoek naar Flexibele Verbindingen

Verschillende flexibele verbindingen bestaande uit dubbele hoekprofielen en boven- en onderflensbegrenzing werden onderworpen aan statische en cyclische belastingen om hun moment-rotatiegedrag te onderzoeken. Een paar proefstukken werd tegelijkertijd getest zoals weergegeven in Figuur 2.1. Één zijde van de balkprofielen was met bouten aan de kolom bevestigd en de andere zijde werd ondersteund door rolsteunpunten. De verticale beweging van de stompe kolom werd mogelijk gemaakt door rolgeleidingen bevestigd aan de boven- en onderkant van de kolom. De hydraulische actuator werd gebruikt om de belasting op de kolom aan te brengen en de verbinding droeg de belasting over naar de balken.

Proefopstelling gebruikt door Azizinamini et al. (1985)

Normtoetsing en Vergelijkingen

De ontwerpsterktekapaciteiten (\(\phi\)R_n) van de verbindingen werden berekend conform de eisen van AISC 360 (2016) en AISC Manual (2017). De nominale sterkte, R_n, en de bijbehorende weerstandsfactor, \(\phi\) voor elke LRFD-grenstoestand van het verbindingsontwerp zijn opgenomen in hoofdstuk J van AISC 360. Er wordt aangenomen dat de boven- en onderhoekprofielen momentweerstand bieden en dat het dubbele lijfhoekprofiel conservatief wordt gebruikt voor afschuifweerstand van de verbinding.

Ontwerpsterktekapaciteit van dubbele lijfhoekprofielen

De volgende 14 normtoetsingen werden uitgevoerd conform de LRFD-ontwerpvergelijkingen opgenomen in AISC 360 of AISC Manual voor de ontwerpsterktekapaciteit van dubbele lijfhoekprofielen.

• Hoekprofiel (balkzijde)
  • Boutafschuiving                                                                 Vgl. J3-1, AISC 360-16
  • Boutdruk en uitscheuring                                            Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Afschuifvloei                                                             Vgl. J4-3, AISC 360-16
  • Afschuifbreuk                                                              Vgl. J4-4, AISC 360-16          
  • Blokafschuiving                                                                 Vgl. J4-5, AISC 360-16          
• Hoekprofiel (kolomzijde)
  • Boutafschuiving                                                                   Vgl. J3-1, AISC 360-16            
  • Boutdruk en uitscheuring                                           Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Afschuifvloei                                                            Vgl. J4-3, AISC 360-16          
  • Afschuifbreuk                                                             Vgl. J4-4, AISC 360-16          
  • Blokafschuiving                                                                Vgl. J4-5, AISC 360-16          
  • Resulterende trekcapaciteit als gevolg van wrikkracht         Deel 9, AISC Manual
• Balk
  • Boutdruk en uitscheuring                                           Vgl. J3-6, AISC 360-16
  • Afschuifvloei                                                            Vgl. J4-3, AISC 360-16
• Kolom
  • Boutdruk en uitscheuring                                            Vgl. J3-6, AISC 360-16

De ontwerpsterktekapaciteit van twee dubbele lijfhoekprofielen (in proefstukken 14S1 en 14S2) werd bepaald door blokafschuiving van de bouten op het hoekprofiel bevestigd aan de balk, terwijl boutdruk en uitscheuring van de bouten op de balk de maatgevende afschuifsterktekapaciteiten bepaalden voor de overige acht proefstukken.

Ontwerpsterktekapaciteit van de boven- en ondersteunhoekprofielen

De volgende 16 normtoetsingen werden uitgevoerd conform de LRFD-vergelijkingen opgenomen in AISC 360 of AISC Manual voor de ontwerpsterktekapaciteit van de boven- en ondersteunhoekprofielen.

• Boven- en ondersteunhoekprofiel (balkzijde)
  • Trekvloei                                                         Vgl. J4-1, AISC 360-16
  • Trekbreuk                                                           Vgl. J4-2, AISC 360-16
  • Druk                                                               Par. J4.4, AISC 360-16         
  • Boutafschuiving                                                                  Vgl. J3-1, AISC 360-16          
  • Boutdruk en uitscheuring                                            Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Blokafschuiving                                                                 Vgl. J4-5, AISC 360-16          
• Boven- en ondersteunhoekprofiel (kolomzijde)
  • Afschuifvloei                                                             Vgl. J4-3, AISC 360-16          
  • Afschuifbreuk                                                              Vgl. J4-4, AISC 360-16          
  • Trekcapaciteit als gevolg van wrikkracht                           Pagina 9-10, AISC Manual       
• Balk
  • Boutdruk en uitscheuring                                            Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Buigsterkte                                                                  Par. F13.1, AISC 360-16
  • Blokafschuiving                                                                 Vgl. J4-5, AISC 360-16          
• Kolom
  • Afschuiving kolomveld                                                         Vgl. J10-9, AISC 360-16        
  • Lokale buiging flens                                                  Vgl. J10-1, AISC 360-16        
  • Lokale vloei lijf                                                       Vgl. J10-2, AISC 360-16        
  • Lokale knik lijf                                                                 Vgl. J10-4, AISC 360-16        

De ontwerpsterktekapaciteiten van alle boven- en ondersteunhoekprofielen werden bepaald door de trekcapaciteit als gevolg van wrikkracht op de hoekprofielzijde die met bouten aan de kolom is bevestigd. De ontwerpsterktekapaciteit van alle boven- en ondersteunhoekprofielen werd bepaald door de trekcapaciteit als gevolg van wrikkracht.

IDEA StatiCa Analyse

De tien proefstukken werden gemodelleerd in IDEA StatiCa en geanalyseerd onder een afschuifkracht aangebracht op een bepaalde afstand van de kolom. De afstand werd gelijkgesteld aan die tussen de kolomhartlijn en de balksteun. De balksteun wordt verondersteld op 120 in. van de kolomhartlijn te liggen voor de eerste vier proefstukken, terwijl dit 72 in. was voor de overige zes proefstukken. Alle proefstukken bezwijken doordat de bovenhoekprofielen bevestigd aan de kolom de plastische rekgrens overschrijden, die door de software is gedefinieerd als 5%. 

Moment-rotatiegrafieken samen met de draagvermogens bepaald door traditionele AISC-berekening (blauw) en IDEA StatiCa (oranje) zijn weergegeven in de volgende afbeeldingen.

Moment-rotatierelatie van proef nr.: 14S1 (links) en 14S2 (rechts)

Moment-rotatierelatie van proef nr.: 14S3 (links) en 14S4 (rechts)

Moment-rotatierelatie van proef nr.: 8S1 (links) en 8S2 (rechts)

Moment-rotatierelatie van proef nr.: 8S3 (links) en 8S4 (rechts)

Moment-rotatierelatie van proef nr.: 8S5 (links) en 8S6 (rechts)

ABAQUS Analyse

In dit gedeelte werden de uitvoerresultaten van IDEA StatiCa vergeleken met die van het ABAQUS (2020) softwarepakket. In deze studie werd proefstuk nr. 14S1 gekozen als basismodel. Numerieke simulaties met nagenoeg identieke condities (d.w.z. wat betreft materiaaleigenschappen, randvoorwaarden en belasting) werden uitgevoerd met zowel IDEA StatiCa als ABAQUS. Het model werd aanvankelijk ontworpen in IDEA StatiCa en vervolgens werd de samenstelling (inclusief balk, kolom, lijfhoekprofielen en boven- en ondersteunhoekprofielen) geïmporteerd in ABAQUS via het viewerplatform van IDEA StatiCa. Daarna werd een vereenvoudigd model voor de bout ontworpen en toegevoegd aan het ABAQUS-model.

Modelopstelling van de flexibele verbinding in ABAQUS

In ABAQUS was het elementtype C3D8R (3D-spanning, 8-knoops lineair blok, gereduceerde integratie) en werden in totaal 562.377 elementen gegenereerd in het model. 

Mesh-dichtheden van het ABAQUS-model

De numerieke simulaties werden uitgevoerd op vier processors (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) en elke simulatie duurde ongeveer 535 minuten. 

Vergelijking van de voorspelde von Mises-spanning tussen IDEA StatiCa en ABAQUS

Zijaanzichtvergelijking tussen IDEA StatiCa en ABAQUS met een vervormingsschaalfactor van tien 

In het algemeen was er een goede overeenkomst tussen de resultaten van de twee softwarepakketten. Er werd echter meer vervorming waargenomen op de lijfhoekprofielen, boven- en onderflenzen in het IDEA StatiCa-model. Ook waren de spanningsverdelingen op de lijfhoekprofielen iets verschillend tussen de twee modellen. Dit is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan het feit dat in het ABAQUS-model massieve elementen met gereduceerde integratie werden gebruikt. In beide modellen bleek het zwakste onderdeel van de samenstelling de bovenflens te zijn, die onder trek staat door de aangebrachte neerwaartse afschuifkracht. 

3 STIJVE VERBINDINGEN

In dit hoofdstuk werden de ontwerpsterktekapaciteiten van tien stijve verbindingsproefstukken berekend conform de eisen van AISC 360 (2016) en AISC Construction Manual (2017). Het basisproefstuk werd geselecteerd uit het experimentele onderzoek uitgevoerd door Sato et al. (2007) bij de Afdeling Constructieve Techniek van de Universiteit van Californië, San Diego. Het basisproefstuk en negen aanvullende variatiemodellen werden geanalyseerd met IDEA StatiCa, terwijl het basisproefstuk ook werd geanalyseerd met ABAQUS (2020). 

Experimenteel Onderzoek naar Stijve Verbindingen

Drie op ware grootte uitgevoerde momentverbindingen met geboute flensplaten (BFP) werden onderworpen aan cyclische tests aan de Universiteit van Californië, San Diego. Alle proefstukken voldeden aan de eisen van AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings voor de balk-kolomverbindingen van speciale momentramen. De laterale schoorlengte voor de proefstukken werd bepaald conform deze voorschriften. De verticale verplaatsingen werden aangebracht door een hydraulische actuator aan het uiteinde van de balk.

Normtoetsing en Vergelijkingen

De ontwerpsterktekapaciteiten (\(\phi\)R_n) van tien stijve verbindingen werden berekend conform de eisen van AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) en AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). De nominale sterkte, R_n, en de bijbehorende weerstandsfactor, \(\phi\), voor elke grenstoestand van het verbindingsontwerp voor belasting- en weerstandsfactorberekening (LRFD) zijn opgenomen in hoofdstuk J van AISC 360.

Ontwerpsterktekapaciteit van enkelvoudige lijfplaten

De volgende acht normtoetsingen werden uitgevoerd conform de LRFD-ontwerpvergelijkingen opgenomen in AISC 360 of AISC Manual voor de ontwerpsterktekapaciteiten van enkelvoudige lijfplaten.

• Lijfplaat
  • Boutafschuiving                                                                 Vgl. J3-1, AISC 360-16
  • Boutdruk en uitscheuring                                           Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Afschuifvloei                                                            Vgl. J4-3, AISC 360-16
  • Afschuifbreuk                                                             Vgl. J4-4, AISC 360-16          
  • Blokafschuiving                                                                 Vgl. J4-5, AISC 360-16
  • Lasafschuiving                                                                  Vgl. 8-2, AISC Manual
• Balk
  • Boutafschuiving                                                                  Vgl. J3-1, AISC 360-16
  • Boutdruk en uitscheuring                                            Vgl. J3-6, AISC 360-16

Van de berekende ontwerpsterktekapaciteiten voor de tien proefstukken werd de ontwerpsterktekapaciteit van model 2 bepaald door afschuifbreuk, terwijl boutafschuiving leidde tot bezwijken voor de overige acht proefstukken.

Ontwerpsterktekapaciteit van flensplaten

De volgende 13 normtoetsingen werden uitgevoerd conform de LRFD-ontwerpvergelijkingen opgenomen in AISC 360 of AISC Manual voor de ontwerpsterktekapaciteiten van flensplaten.

• Flensplaat
  • Boutafschuiving                                                                 Vgl. J3-1, AISC 360-16
  • Boutdruk en uitscheuring                                             Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Trekvloei                                                          Vgl. J4-3, AISC 360-16          
  • Trekbreuk                                                            Vgl. J4-4, AISC 360-16          
  • Blokafschuiving                                                                 Vgl. J4-5, AISC 360-16          
  • Druk                                                               Par. J4-4, AISC 360-16         
• Balk
  • Boutdruk en uitscheuring                                             Vgl. J3-6, AISC 360-16          
  • Buiging                                                                       Par. F13.1, AISC 360-16
  • Blokafschuiving                                                                 Vgl. J4-5, AISC 360-16          
• Kolom
  • Afschuiving kolomveld                                                          Vgl. J10-9, AISC 360-16        
  • Lokale buiging flens                                                   Vgl. J10-1, AISC 360-16        
  • Lokale vloei lijf                                                      Vgl. J10-2, AISC 360-16        
  • Lokale knik lijf                                                                 Vgl. J10-4, AISC 360-16        

Van de berekende ontwerpsterktekapaciteiten voor de tien proefstukken werd de ontwerpsterktekapaciteit van zeven proefstukken bepaald door afschuiving van het kolomveld, twee proefstukken werden bepaald door boutafschuiving en één proefstuk werd bepaald door blokafschuiving. De momentcapaciteiten van de proefstukken werden berekend door de maatgevende ontwerpsterktekapaciteit te vermenigvuldigen met de momentarm zoals opgegeven in Tabel 3.5. De momentarm is gelijk aan de hoogte van de balk voor boutafschuiving, terwijl deze gelijk is aan de som van de hoogte van de balk en de dikte van de plaat voor afschuiving van het kolomveld en blokafschuivingssterkten (BFP, modellen 1, 2, 3, 4, 5, 6 en 8). 

IDEA StatiCa Analyse

De tien stijve staalverbindingsproefstukken werden gemodelleerd in IDEA StatiCa en geanalyseerd onder een afschuifkracht aangebracht op 177,5 in. van de kolomhartlijn, zoals in het proefrapport. De afschuifkracht werd stapsgewijs verhoogd totdat de verbindingen hun capaciteit bereikten in IDEA StatiCa. 

ABAQUS Analyse

In dit gedeelte werden de uitvoerresultaten van IDEA StatiCa vergeleken met het ABAQUS softwarepakket (versie 2020). Proef BFP werd gekozen als basismodel. Numerieke simulaties met nagenoeg identieke condities (d.w.z. wat betreft materiaaleigenschappen, randvoorwaarden en belasting) werden uitgevoerd met zowel IDEA StatiCa als ABAQUS. Het model werd aanvankelijk ontworpen in IDEA StatiCa en vervolgens werd de samenstelling (inclusief balk, kolom en platen) geïmporteerd in ABAQUS via het viewerplatform van IDEA StatiCa. Daarna werd een vereenvoudigd model voor de bout ontworpen en toegevoegd aan het ABAQUS-model.

Modelopstelling in ABAQUS

In ABAQUS was het elementtype C3D8R (3D-spanning, 8-knoops lineair blok, gereduceerde integratie) en werden in totaal 681.016 elementen gegenereerd in het model. De numerieke simulaties werden uitgevoerd op acht processors (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) en de simulatie duurde ongeveer 685 minuten. 

Er was een goede overeenkomst tussen de resultaten van de twee softwarepakketten. De spanningsverdelingen op de balk en kolom kwamen zeer goed overeen. Er werden echter iets hogere spanningen voorspeld op de kolom, plaat 1 en verstijvers in het ABAQUS-model, wat hoogstwaarschijnlijk te wijten is aan de aard van de koppelingsrandvoorwaarde. De voorspelde belasting op de bouten en lasgroepen kwamen ook zeer goed overeen tussen de twee softwarepakketten. 

4 SAMENVATTING EN CONCLUSIES

IDEA StatiCa is een op componenten gebaseerd eindige elementenpakket (FEA) voor het ontwerp van staalverbindingen. Het kan worden gebruikt voor de constructieve beoordeling of het ontwerp van een verscheidenheid aan gelaste en geboute constructieve staalverbindingen en voetplaten. Het voornaamste doel van dit rapport was het verifiëren van de FEA-resultaten verkregen uit het IDEA StatiCa softwarepakket voor drie typen staalverbindingen die veel worden toegepast in de Verenigde Staten (d.w.z. eenvoudige, flexibele en stijve verbindingen) conform de Amerikaanse bouwvoorschriften. Gemeten experimentele respons was beschikbaar voor de verbindingsproefstukken die voor verificatiedoeleinden in deze studie werden geselecteerd. Voor elk verbindingstype en tien variaties daarop werden eerst de normtoetsingen en berekeningen uitgevoerd conform de eisen van AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016), en AISC Steel Construction Manual (2017). Vervolgens werden de resultaten vergeleken met de voorspellingen van IDEA StatiCa. Daarnaast werden de resultaten van IDEA StatiCa vergeleken met ABAQUS, een andere robuuste FEA-code op de markt. Gemeten responsen van de proefstukken werden ook gebruikt om het algehele gedrag en de bezwijkvorm van de verbindingsmodellen te vergelijken en beter te begrijpen.

In het algemeen was er een goede overeenkomst tussen de IDEA StatiCa-resultaten, de normtoetsingen conform de Amerikaanse normen en de ABAQUS-resultaten. De berekende resultaten wijken mogelijk af van die verkregen met IDEA StatiCa omdat AISC een ontwerpnorm is en conservatief kan zijn, terwijl de software bedoeld is om het werkelijke gedrag te beschrijven, wat naar verwachting nauwkeuriger is.

Hoewel er veel FEA-softwarepakketten op de markt zijn die in staat zijn de algehele constructieve respons op uiteenlopende belastingscondities te voorspellen, ontbreekt het aan gespecialiseerde FEA-tools met een focus op verbindingsontwerp. Vergeleken met andere FEA-softwarepakketten op de markt heeft IDEA StatiCa veel voordelen. Naast het gebruiksgemak bleek de rekentijd de belangrijkste eigenschap van IDEA StatiCa te zijn, waarbij resultaten in een fractie van de tijd kunnen worden verkregen vergeleken met conventionele FEA-codes zoals ABAQUS. Dit helpt ingenieurs om hun voorlopige verbindingsontwerp sneller en efficiënter te evalueren en aan te passen indien wijzigingen vereist zijn. Bovendien moeten in gangbare FEA-softwarepakketten de belastingen en capaciteiten van de verbindingsonderdelen (d.w.z. bouten, lassen, platen) worden onttrokken aan het model tijdens de nabewerkingsfase, wat een omslachtige en tijdrovende taak is. In IDEA StatiCa worden de resultaten echter direct berekend en gerapporteerd. Ook kan in IDEA StatiCa de belasting direct worden aangebracht op elke locatie of elk onderdeel van de verbinding, terwijl dit in typische FEA-codes moet worden gedaan via het definiëren van een referentiepunt en het koppelen daarvan aan de verbinding, wat een extra stap is.

Er werd echter een kleine discrepantie gevonden bij de contacten gedefinieerd tussen de platen en de kolom- of balkvlakken, hoewel hetzelfde type analyse werd uitgevoerd, d.w.z. kleine vervorming. Dit kan te wijten zijn aan de verschillen tussen massieve elementen en schaalelementen of het contactalgoritme dat in de twee softwarepakketten wordt gebruikt. Ook was de manier waarop IDEA StatiCa de optimale elementgrootte berekent en toepast niet duidelijk. Daarnaast werden verschillende bezwijkvormen waargenomen als gevolg van de aanbevolen plastische rekgrens van 5% conform Eurocode (EN1993-1-5 bijl. C par. C8 noot 1), die als standaardwaarde is gedefinieerd in de IDEA StatiCa software. 

Dankzij de snelle en eenvoudige mogelijkheden voor het modelleren en analyseren van verbindingen in IDEA StatiCa kunnen gecompliceerde niet-lineaire modellering en tijdrovende dynamische analyses van grote staalconstructies relatief snel worden uitgevoerd. Eigenschappen van de verbindingen in balk-kolomraamconstructies kunnen worden gedefinieerd op basis van de analyses en normtoetsingen uitgevoerd in IDEA StatiCa. Vervolgens kan het verbindingsmodel worden herzien en opnieuw geanalyseerd indien nodig nadat de raamanalyse is voltooid met behulp van een constructieve analysesoftware, bijv. SAP2000. De verbindingen kunnen in IDEA StatiCa zwakker of sterker worden gemaakt afhankelijk van de gewenste optimale prestaties van het constructieve raammodel. Een eenvoudige en robuustere aanpak voor het ontwikkelen van de moment-rotatierespons van verbindingen in IDEA StatiCa zou zeer nuttig zijn, omdat in programma's zoals SAP2000 de moment-rotatierespons van verbindingen moet worden gedefinieerd als onderdeel van het modelleren van raamconstructies.

IDEA StatiCa software is slechts zo goed als de grafische gebruikersinterface. Als de GUI niet goed is uitgevoerd, zullen gebruikers moeite hebben met het gebruik van de applicatie of de software. IDEA StatiCa heeft dit goed ontworpen. Naast een goede GUI wordt ook de kwaliteit van de software opgemerkt. Het volgen van een reeks conventies of standaarden zorgt voor consistentie en maakt het voor gebruikers eenvoudig om in de software te navigeren. Een standaard en consistente terminologie zorgt ervoor dat gebruikers termen begrijpen wanneer ze deze tegenkomen. Modellen zijn eenvoudig aan te passen, wat snelle variatieverkenning en controle mogelijk maakt.

De software wordt regelmatig bijgewerkt, inclusief snellere laadtijden en bugfixes om de algehele gebruikerservaring te verbeteren.

Referenties

[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," 15^e editie, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.

[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background

[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.

[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Report to American Institute of Steel Construction.

De volledige versie van het rapport kan worden gedownload via de onderstaande link: 

Toegevoegde downloads

• Final Report_OSU.pdf (PDF, 7,2 MB)