คอลัมน์ฐาน – คอลัมน์หน้าตัดเปิดรับโมเมนต์ดัดรอบแกนแข็ง
คำอธิบาย
วัตถุประสงค์ของบทนี้คือการตรวจสอบวิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) ของฐานคอลัมน์ของคอลัมน์หน้าตัดเปิดเหล็กที่รับแรงอัดและแรงดัดรอบแกนแข็ง โดยเปรียบเทียบกับวิธี Component Method (CM) การศึกษานี้จัดทำขึ้นสำหรับขนาดของคอลัมน์ รูปทรงเรขาคณิต และความหนาของแผ่นฐาน ในการศึกษานี้ มีการตรวจสอบห้าองค์ประกอบ ได้แก่ ปีกและเอวคอลัมน์รับแรงอัด Concrete รับแรงอัดรวมถึงวัสดุรองพื้น แผ่นฐานรับแรงดัด พุกรับแรงดึง และรอยเชื่อม องค์ประกอบทั้งหมดออกแบบตาม EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 และ EN 1992‑4
การตรวจสอบความต้านทาน
ตัวอย่างการออกแบบด้วยวิธี Component Method แสดงบนการยึดเหนี่ยวของหน้าตัดเหล็กคอลัมน์ HEB 240:
บล็อก Concrete มีขนาด a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 900 mm และเกรด C20/25 ขนาดแผ่นฐานคือ a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm และเกรดเหล็กคือ S235 สลักยึดเป็น 4 × M20, As = 245 mm2, ความยาว 300 mm พร้อมเส้นผ่านศูนย์กลางหัว a = 60 mm และเกรดเหล็ก 8.8 ความหนาของวัสดุรองพื้นคือ 30 mm
ผลลัพธ์ของการแก้ปัญหาเชิงวิเคราะห์สามารถนำเสนอบนแผนภาพปฏิสัมพันธ์ที่มีจุดสำคัญที่โดดเด่น จุด −1 แทนการรับแรงดึงล้วน และจุด 4 แทนความต้านทานการรับแรงอัด คำอธิบายโดยละเอียดของจุด 0, 1, 2 และ 3 แสดงในรูปที่ 8.2.1 ดู (Wald, 1995) และ (Wald et al. 2008)
รูปที่ 8.2.1 จุดสำคัญบนแผนภาพปฏิสัมพันธ์
การกระจายความเค้นสำหรับจุด 0 และ 3 ที่ได้จาก CBFEM แสดงในรูปที่ 8.2.2 และ 8.2.3
รูปที่ 8.2.2 ความเค้นใน Concrete และแรงในพุกสำหรับจุด 0 ที่ได้จาก CBFEM (มาตราส่วนการเสียรูป 10)
รูปที่ 8.2.3 ความเค้นใน Concrete และแรงในพุกสำหรับจุด 3 ที่ได้จาก CBFEM
(มาตราส่วนการเสียรูป 10)
รูปที่ 8.2.4 การเปรียบเทียบแบบจำลองบนแผนภาพปฏิสัมพันธ์
การเปรียบเทียบแผนภาพปฏิสัมพันธ์ที่ได้จาก CBFEM กับแผนภาพปฏิสัมพันธ์ที่คำนวณตาม CM นำเสนอในรูปที่ 8.2.4 และตารางที่ 8.2.1
ตารางที่ 8.2.1 การเปรียบเทียบผลลัพธ์ของแผนภาพปฏิสัมพันธ์สำหรับ HEB 240 โดยการแก้ปัญหาเชิงวิเคราะห์และโดย CBFEM
| การแก้ปัญหาเชิงวิเคราะห์ | ผลลัพธ์ของ CBFEM | |||
| แรงตามแนวแกน [kN] | ความต้านทานแรงดัด [kNm] | แรงตามแนวแกน [kN] | ความต้านทานแรงดัด [kNm] | |
| จุด -1 | 169 | 0 | 150 | 0 |
| จุด 0 | 0 | 45 | 0 | 37 |
| จุด 1 | −564 | 103 | −564 | 98 |
| จุด 2 | −708 | 108 | −708 | 111 |
| จุด 3 | −853 | 103 | −853 | 101 |
| จุด 4 | −1700 | 0 | −1683 | 0 |
การศึกษาความไว
ผลลัพธ์ของ CBFEM ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของวิธี Component Method การเปรียบเทียบทำโดยใช้ความต้านทานโมเมนต์ดัดสำหรับระดับแรงปกติที่กำหนดสำหรับแต่ละจุดของแผนภาพปฏิสัมพันธ์
ในการศึกษาความไว ขนาดของคอลัมน์ ขนาดของแผ่นฐาน และขนาดของฐาน Concrete ถูกเปลี่ยนแปลง หน้าตัดคอลัมน์ที่เลือกคือ HEB 200, HEB 300 และ HEB 400 ความกว้างและความยาวของแผ่นฐานถูกเลือกให้ใหญ่กว่าหน้าตัดคอลัมน์ 100 mm, 150 mm และ 200 mm ความหนาของแผ่นฐานคือ 15 mm, 20 mm และ 25 mm ฐาน Concrete เป็นเกรด C25/30 ความสูงของฐาน Concrete สำหรับทุกกรณีคือ 900 mm และความกว้างและความยาวใหญ่กว่าขนาดของแผ่นฐาน 200 mm สลักยึดเป็น M20 เกรด 8.8 ที่มีความลึกฝังตัว 300 mm พารามิเตอร์สรุปไว้ในตารางที่ 8.2.2 รอยเชื่อมเหมือนกันรอบหน้าตัดคอลัมน์ทั้งหมดโดยมีความหนาคอขวดเพียงพอเพื่อไม่ให้เป็นองค์ประกอบวิกฤต พารามิเตอร์หนึ่งถูกเปลี่ยนแปลงในขณะที่พารามิเตอร์อื่นๆ คงที่ที่ค่ากลาง
ตารางที่ 8.2.2 พารามิเตอร์ที่เลือก
| หน้าตัดคอลัมน์ | HEB 200 | HEB 300 | HEB 400 |
| ระยะยื่นของแผ่นฐาน | 100 mm | 150 mm | 200 mm |
| ความหนาของแผ่นฐาน | 15 mm | 20 mm | 25 mm |
ในรูปที่ 8.2.5 นำเสนอผลลัพธ์สำหรับการเปลี่ยนแปลงหน้าตัดคอลัมน์ ในรูปที่ 8.2.6 และรูปที่ 8.2.7 ระยะยื่นของแผ่นฐานและความหนาของแผ่นฐานถูกเปลี่ยนแปลงตามลำดับ
รูปที่ 8.2.5 การเปลี่ยนแปลงหน้าตัดคอลัมน์
รูปที่ 8.2.6 การเปลี่ยนแปลงระยะยื่นของแผ่นฐาน – 100, 200 และ 300 mm
รูปที่ 8.2.7 การเปลี่ยนแปลงความหนาของแผ่นฐาน – 15, 20 และ 25 mm
กรณีเกณฑ์มาตรฐาน
ข้อมูลนำเข้า
หน้าตัดคอลัมน์
- HEB 240
- เหล็ก S235
แผ่นฐาน
- ความหนา 20 mm
- ระยะยื่นด้านบน 100 mm, ด้านซ้าย 45 mm
- เหล็ก S235
สลักยึด
- M20 8.8
- ความยาวยึดเหนี่ยว 300 mm
- ประเภทพุก: แผ่นรอง - วงกลม; ขนาด 40 mm
- ระยะยื่นแถวบน 50 mm, แถวซ้าย −10 mm
- ระนาบแรงเฉือนที่เกลียว
- รอยเชื่อมทั้งสองด้าน 8 mm
บล็อกฐานราก
- Concrete C20/25
- ระยะยื่น 335 mm และ 530 mm
- ความลึก 900 mm
- การถ่ายแรงเฉือนโดยแรงเสียดทาน
- ความหนาวัสดุรองพื้น 30 mm
แรงกระทำ
- แรงตามแนวแกน N = −853 kN
- โมเมนต์ดัด My = 100 kNm
ผลลัพธ์
- สลักยึด 42,2 % (NEd,g = 51,7 kN ≤ NRdc = 122,4 kN - การวิบัติแบบ Concrete core breakout สำหรับพุก A1 และ A2)
- บล็อก Concrete 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ fjd = 26,8 MPa)
เอกสารอ้างอิง
EN 1992-1-1, Eurocode 2, Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN, Brussels, 2005.
EN 1992-4:2018, Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels, 2018.
EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.
Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.
Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.