รายงาน CTICM: ทำความเข้าใจความแตกต่างในผลลัพธ์การเชื่อมต่อ

วิธี Component Method

ใน Component Method แบบดั้งเดิม จุดต่อเหล็กจะถูก แยกออกเป็นส่วนประกอบเชิงกลแต่ละชิ้น โดยแต่ละชิ้นแทนรูปแบบการเสียรูปเฉพาะ (เช่น สลักเกลียวรับแรงดึง การดัดของแผ่นปลาย การดัดของปีกเสา เว็บเสารับแรงดึงหรือแรงอัด)

แต่ละส่วนประกอบจะได้รับค่าความแข็งเชิงวิเคราะห์แบบสูตรปิดและความสัมพันธ์แรง-การเสียรูปแบบง่าย จากนั้นพฤติกรรมโดยรวมของจุดต่อจะได้จากการประกอบส่วนประกอบเหล่านี้เข้าด้วยกัน

วิธี Component-based finite element method

CBFEM (วิธี Component-Based Finite Element) ผสมผสานความแม่นยำของการวิเคราะห์ finite element เข้ากับความชัดเจนและแนวคิดตามมาตรฐานของ Component Method
แนวคิดนั้นเรียบง่าย:

• แผ่นเหล็กและรอยเชื่อม → จำลองเป็น shell finite elements
• สลักเกลียว พุก และตัวยึดที่คล้ายกัน → คงไว้เป็นส่วนประกอบแบบ Component Method

การประเมินอิสระของ CTICM

CTICM ซึ่งเป็นสถาบันเทคนิคด้านการก่อสร้างโครงสร้างเหล็กของฝรั่งเศส ได้ดำเนินการตรวจสอบ IDEA StatiCa โดยเปรียบเทียบผลลัพธ์ CBFEM กับ Component Method ตาม Eurocode ที่ใช้ในซอฟต์แวร์ Platinex ซึ่งพัฒนาโดย CTICM การศึกษาของพวกเขาได้ตรวจสอบการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กทั่วไปหลายแบบ โดยมุ่งเน้นที่ความต้านทานของจุดต่อ แรงในสลักเกลียว และพฤติกรรมโครงสร้างโดยรวม ด้วยการประเมินทุกแนวทางเคียงข้างกัน CTICM สามารถระบุแหล่งที่มาของความแตกต่างและยืนยันความน่าเชื่อถือและความสอดคล้องของผลลัพธ์จาก IDEA StatiCa

การเชื่อมต่อแผ่นเหล็กด้วยสลักเกลียว

สำหรับการเชื่อมต่อคานต่อคานภายใต้แรงดึง แถวสลักเกลียวบนและล่างแสดงแรงที่เกือบเท่ากันในทั้งสองแนวทาง โดยมีความแตกต่างต่ำกว่า 1% 

อย่างไรก็ตาม แถวกลางมีความแตกต่างประมาณ 2–5% ใน IDEA StatiCa แรงในสลักเกลียวไม่กระจายเท่ากัน เนื่องจาก ความเครียดพลาสติกเกิดขึ้นในบริเวณแผ่นเหล็กรอบสลักเกลียว ซึ่งลดแรงที่ถ่ายผ่านแถวกลางลงเล็กน้อย

เมื่อเปรียบเทียบการเชื่อมต่อที่รับโมเมนต์ ความต้านทานของแถวสลักเกลียวที่อยู่ห่างจากโซนแรงอัดมากที่สุด (ด้านแรงดึง) มีค่าใกล้เคียงกันมากในทั้งสองวิธี และทั้งสองวิธีทำนายรูปแบบการวิบัติเดียวกันในสลักเกลียวด้านแรงดึง ความแตกต่างปรากฏในแถวสลักเกลียวที่เหลือ ซึ่งแรงกระจายตัวต่างกัน 

พฤติกรรมนี้อธิบายได้จากความแตกต่างระหว่างแบบจำลอง 3 มิติแบบไม่เชิงเส้นใน IDEA StatiCa และแนวทางอุดมคติ 2 มิติที่ใช้ใน Component Method แบบจำลอง CBFEM จับการเสียรูปของแผ่นเหล็กและการกระจายความเค้นทั่วจุดต่อได้อย่างสมจริง ซึ่งนำไปสู่การกระจายแรงในแถวสลักเกลียวที่แตกต่างกันโดยธรรมชาติ

เหล็กฉากยึดกับแผ่น Gusset ด้วยสลักเกลียว

สำหรับการเชื่อมต่อเหล็กฉากกับแผ่น Gusset ภายใต้แรงดึง ทั้งสองวิธีทำนายความต้านทานที่เกือบเท่ากันและรูปแบบการวิบัติเดียวกัน IDEA StatiCa ระบุการเสียรูปพลาสติกในขาเหล็กฉากที่เกินขีดจำกัดความเครียด 5% ในขณะที่ Component Method ระบุการวิบัติในเหล็กฉาก ความต้านทานที่คำนวณโดย IDEA StatiCa ต่ำกว่าเล็กน้อย (6%)

การเชื่อมต่อแรงเฉือนด้วยเหล็กฉากและสลักเกลียว

สำหรับกรณีการเชื่อมต่อรับแรงเฉือนส่วนใหญ่ ผลลัพธ์จาก IDEA StatiCa และ Component Method ใกล้เคียงกันมาก โดยทั่วไปอยู่ภายใน 3% ข้อยกเว้นที่น่าสังเกตเพียงอย่างเดียวคือรูปแบบที่ 3 ซึ่งคานเชื่อมต่อกับเว็บของเสาต่อเนื่อง ในสถานการณ์นี้ IDEA StatiCa ทำนายความต้านทานที่สูงกว่าวิธี Eurocode เล็กน้อย

ประเด็นสำคัญของการเชื่อมต่อรับแรงเฉือนใน IDEA StatiCa คือการปรากฏของแรงดึงที่ไม่คาดคิด แม้ว่าจะมีเพียงแรงเฉือนที่กระทำ แต่จุดต่อเสียรูปในลักษณะที่ทำให้เกิดการหมุนดัดเล็กน้อย ดังที่เห็นได้ในแบบจำลองรูปร่างที่เสียรูป การเสียรูปนี้เปลี่ยนสมดุลแรงภายในและสร้างแรงดึงในสลักเกลียวบางตัว เนื่องจากสลักเกลียวถูกกำหนดเป็น spring แบบไม่เชิงเส้นที่ทำงานในแรงดึงและแรงเฉือน

สิ่งสำคัญที่ต้องสังเกตคือแรงที่ทำนายได้มีความไวต่อการกำหนดตำแหน่งของจุดที่โมเมนต์ดัดเป็นศูนย์ ความแตกต่างเล็กน้อยในจุดอ้างอิงนี้อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดในแรงสลักเกลียวที่ได้

บทสรุป

การตรวจสอบของ CTICM ยืนยันว่าผลลัพธ์ของ IDEA StatiCa ใกล้เคียงกับการคำนวณของ Platinex อย่างสม่ำเสมอ โดยมีค่าเบี่ยงเบนโดยทั่วไปอยู่ภายใน ±15% ในกรณีส่วนใหญ่ IDEA StatiCa ให้ผลลัพธ์ที่ conservative กว่าเล็กน้อย ซึ่งเป็นประโยชน์จากมุมมองด้านความปลอดภัย ความแตกต่างที่เหลืออธิบายได้อย่างครบถ้วนจากความแตกต่างระหว่างการจำลอง finite element แบบ 3 มิติไม่เชิงเส้นใน IDEA StatiCa และการลดความซับซ้อนเชิงวิเคราะห์ที่ใช้ใน Eurocode Component Method โดยรวมแล้ว การประเมินแสดงให้เห็นว่า IDEA StatiCa สอดคล้องกับแนวปฏิบัติวิศวกรรมของฝรั่งเศสและให้การประเมินโครงสร้างที่น่าเชื่อถือและโปร่งใส