Reduced Beam Section (RBS) Prequalified Connection - AISC

ตัวอย่างการตรวจสอบนี้จัดทำขึ้นในโครงการร่วมระหว่าง Ohio State University และ IDEA StatiCa โดยมีผู้เขียนดังต่อไปนี้:

• Baris Kasapoglu, นักศึกษาปริญญาเอก
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

1.1 บทนำ

RBS เป็นหนึ่งในการเชื่อมต่อโมเมนต์ที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าซึ่ง AISC อนุญาตให้ใช้ในพื้นที่แผ่นดินไหว โดยเป็นส่วนหนึ่งของระบบ intermediate moment frame (IMF) และ special moment frame (SMF) หากเป็นไปตามข้อกำหนดที่ระบุไว้ใน AISC 358 บทที่ 5 ปีกคานที่ระยะห่างจากหน้าเสาจะถูกตัดแต่งเพื่อให้การครากและการเกิด plastic hinge เกิดขึ้นภายในหน้าตัดที่ลดลง

ในบทนี้ ขั้นแรกได้คัดเลือกชิ้นทดสอบหนึ่งชิ้นสำหรับการเชื่อมต่อโมเมนต์แบบ reduced beam section (RBS) จากการศึกษาเชิงทดลองที่ดำเนินการโดย Uang et al. (2000) ที่ C. L. Powell Structural Research Laboratories มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก จากนั้นจึงสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์ใน IDEA StatiCa และ ABAQUS โดยจำลองสภาพการทดสอบ ผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณเชิงตัวเลขถูกเปรียบเทียบกับผลการสังเกตจากการทดสอบและกำลังการออกแบบที่คำนวณตามข้อกำหนดของ AISC 341, 358 และ 360 จากนั้นได้พัฒนาตัวแปรเพิ่มเติมอีกห้าแบบ และคำนวณกำลังของแต่ละแบบโดยใช้ IDEA StatiCa และตามข้อกำหนดของมาตรฐาน AISC ในตอนท้ายได้เปรียบเทียบผลลัพธ์ทั้งหมด

1.2. การศึกษาเชิงทดลอง

ชิ้นทดสอบที่เหมือนกันสี่ชิ้นถูกนำไปรับประวัติการโหลดที่แตกต่างกันเพื่อศึกษาผลของลำดับการโหลดและการค้ำยันด้านข้าง ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ SAC ในบรรดาชิ้นทดสอบเหล่านั้น ชิ้นทดสอบแรก LS-1 ได้รับการคัดเลือกมาศึกษาในงานวิจัยนี้ เนื่องจากมีข้อมูลในเอกสารอ้างอิงมากกว่า รายละเอียดการเชื่อมต่อแสดงในรูปที่ 1.1

รูปที่ 1.1: รายละเอียดการเชื่อมต่อ (Uang et al., 2000)

ขนาดของคานและเสาคือ W30X99 และ W14X176 ตามลำดับ และทั้งสองทำจากเหล็ก ASTM A992 เว็บและปีกของคานถูกเชื่อมกับปีกเสาโดยใช้รอยเชื่อมร่องแบบ complete-joint-penetration (CJP) ตามที่ระบุใน AISC 358 รายละเอียดกระบวนการเชื่อมและคุณสมบัติวัสดุที่วัดได้แสดงในตารางที่ 1.1 แผ่นเสริมความแข็งต่อเนื่องที่มีความหนา 3/4 นิ้ว และมุมลบคม 1.79 นิ้ว ทำจาก ASTM A572 Grade 50 โดยเชื่อมกับปีกเสาด้วยรอยเชื่อมร่อง CJP และเชื่อมกับเว็บเสาด้วยรอยเชื่อมฟิลเลตคู่ขนาด 5/16 นิ้ว แผ่น shear tab ใช้สำหรับการติดตั้งและถูกถอดออกก่อนการทดสอบ

ตารางที่ 1.1: รายละเอียดวัสดุและชิ้นทดสอบ

ประวัติการโหลดแบบ SAC-multi-step มาตรฐานถูกใช้ที่ปลายคานซึ่งอยู่ห่างจากแนวกึ่งกลางเสา 149 นิ้ว โดยใช้ hydraulic actuator เสาถูกยึดด้านข้างและส่วนบนและล่างของเสาถูกยึดกับผนังแข็งและพื้น การตั้งค่าการทดสอบและประวัติการโหลดที่ใช้แสดงในรูปที่ 1.2

รูปที่ 1.2: (a) การตั้งค่าการทดสอบ; และ (b) ประวัติการโหลด (Uang et al., 2000)

ข้อสังเกตหลักที่นักวิจัยบันทึกไว้ระหว่างการทดสอบมีดังนี้:

• เกิดการครากอย่างมีนัยสำคัญในบริเวณ RBS
• เกิดการครากปานกลางในบริเวณ panel zone ของเสา
• สังเกตเห็นการโก่งเดาะของคานในระหว่างรอบการเคลื่อนตัว 3%
• การทดสอบหยุดลงหลังจากสามรอบที่การเคลื่อนตัว 5%

ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-การเคลื่อนตัวของ actuator และโมเมนต์รวม-การหมุนพลาสติก รวมถึงภาพถ่ายหลังจากจุดสูงสุดของรอบที่สามที่การเคลื่อนตัว 5% แสดงในรูปที่ 1.3 และ 1.4

รูปที่ 1.3: (a) แรง-การเคลื่อนตัวของ actuator; และ (b) ความสัมพันธ์โมเมนต์รวม-การหมุนพลาสติก (Uang et al., 2000)

รูปที่ 1.4: ชิ้นทดสอบหลังการทดสอบ (Uang et al., 2000)

1.3 การคำนวณการออกแบบตามมาตรฐาน

การตรวจสอบตามมาตรฐานต่อไปนี้ที่ระบุไว้ใน AISC 358 ได้ดำเนินการสำหรับชิ้นทดสอบที่คัดเลือก และได้พัฒนาตัวแปรเพิ่มเติมอีกห้าแบบ 

• ตรวจสอบขีดจำกัดการรับรองล่วงหน้าสำหรับเสาและคาน       (AISC 358 Section 5.3)
• ตรวจสอบขนาด RBS                                                            (AISC 358 Eq. 5.8-1-5.8-3)
• ตรวจสอบว่าโมเมนต์สูงสุดที่น่าจะเป็นที่หน้าเสา M_f ไม่เกินกำลังที่มีอยู่ f_dM_pe                                                                                                     (ANSI/AISC 358 Eq. 5.8-8)
• ตรวจสอบกำลังรับแรงเฉือนของคาน                                                     (AISC 360-16, Eq. J4-3)
• ตรวจสอบการเชื่อมต่อเว็บคานกับเสา                                (AISC 358 Eq. 5.8-9)
• ตรวจสอบการเชื่อมต่อเว็บคานกับเสา                        (AISC 358 Section 5.6)
• ตรวจสอบข้อกำหนดแผ่นเสริมความแข็งต่อเนื่อง                                     (AISC 358 Chapter 2)
• ตรวจสอบความสัมพันธ์เสา-คาน                                           (AISC 358 Section 5.4)
• ตรวจสอบกำลังรับแรงเฉือนของ panel zone                                        (AISC 358 Section 5.4)
• ตรวจสอบกำลังรับโมเมนต์ที่แนวกึ่งกลางของ RBS             (AISC Specification F2-1)

สมมติว่าระบบโครงสร้างเป็นไปตามข้อกำหนดของ SMF สำหรับการคำนวณแรงเฉือนที่จุดกึ่งกลาง RBS V_RBS ระยะห่างระหว่างแนวกึ่งกลางเสา L สมมติให้เท่ากับ 360 นิ้ว สำหรับการคำนวณการออกแบบของชิ้นทดสอบ ใช้คุณสมบัติวัสดุจากรายงานการทดสอบโรงงานสำหรับคานและเสา ในขณะที่คุณสมบัติวัสดุที่ระบุใน AISC Table Manual Table 2-5 ใช้สำหรับแผ่นเสริมความแข็งต่อเนื่อง เพื่อวัตถุประสงค์ในการเปรียบเทียบ ตั้งใจจำลองสภาพการทดสอบด้วยแรงกระทำที่ปลายคานซึ่งอยู่ห่างจากแนวกึ่งกลางเสา 149 นิ้ว น้ำหนักตัวเองของคานถูกละเลย สมมติว่า load combination 6 จาก ASCE/SEI 7 Section 12.4.2.3 เป็นตัวควบคุม และกำลังรับโมเมนต์และแรงเฉือนที่ต้องการที่หน้าเสาและแนวกึ่งกลางบริเวณ RBS มีดังนี้:

• V_u@RBS = 40 kip                                   (ที่แนวกึ่งกลางของ RBS)
• V_u@FOC = 40 kip                                  (ที่หน้าเสา)
• M_u@RBS = 4976 kips-in                        (ที่แนวกึ่งกลางของ RBS)
• M_u@FOC = 5656 kips-in                       (ที่หน้าเสา)

ข้อจำกัดของ AISC ได้รับการตรวจสอบสำหรับชิ้นทดสอบพื้นฐาน (LS-1) และนำเสนอในตารางที่ 1.2 (สำหรับรายละเอียด ดูภาคผนวก A)

ตารางที่ 1.2: การตรวจสอบตามมาตรฐาน AISC สำหรับชิ้นทดสอบพื้นฐาน (LS-1)

สังเกตว่าปริมาณรอยเชื่อมระหว่างแผ่นเสริมความแข็งต่อเนื่องกับเว็บเสา (รอยเชื่อมฟิลเลตคู่ขนาด 5/16 นิ้ว) น้อยกว่าปริมาณรอยเชื่อมฟิลเลตคู่ที่ต้องการขนาด 1/2 นิ้ว ตาม AISC Manual Eq. 8-2a แม้ว่าการเชื่อมต่อนี้จะไม่ได้รับอนุญาตให้ใช้ในระบบ SMF ตามข้อกำหนด AISC ที่ปรับปรุงแล้ว แต่จากการสังเกตการทดสอบพบว่าไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการครากที่เกิดขึ้นครั้งแรกที่บริเวณตัด RBS ของคาน กำลังรับโมเมนต์ของบริเวณตัด RBS ของคานถูกกำหนดตาม AISC 360 Eq. F2-1, AISC 358 Eq. 5.8-4 และใช้ \(\phi_{d}\) เท่ากับ 1.0 (สำหรับขีดจำกัดความเหนียว) ที่ระบุใน AISC 358 Section 2.4.1 ดังนี้

M_n = M_p = F_y⋅Z_x                                                                                           (AISC 360 Eq. F2-1)

Z_RBS = Z_x – 2⋅c⋅t_f⋅(d-t_f)                                                                                 (AISC 358 Eq. 5.8-4)

 \(\phi_{d}\) = 1.0                                                                                                       (AISC 358 Section 2.4.1)

โดยที่

• M_n : กำลังรับโมเมนต์ระบุของคาน
• M_p : โมเมนต์พลาสติกของคาน
• F_y : ความเค้นครากขั้นต่ำที่กำหนด
• Z_x: modulus หน้าตัดพลาสติกของคานรอบแกน X
• Z_RBS : modulus หน้าตัดพลาสติกที่จุดกึ่งกลางของคานที่ลดหน้าตัดรอบแกน X
• d : ความลึกของคาน
• c : ความลึกของการตัดที่หน้าตัดคาน
• t_f : ความหนาของปีกคาน
• \(\phi_{d}\) : ตัวคูณความต้านทานสำหรับขีดจำกัดความเหนียว

กำลังรับโมเมนต์ระบุและกำลังรับโมเมนต์ที่มีอยู่ที่จุดกึ่งกลางบริเวณตัด RBS ของชิ้นทดสอบพื้นฐานสามารถคำนวณได้ดังนี้:

M_n@RBS = F_y⋅Z_RBS = (56 ksi)⋅(209.9in.³) = 11,754 kips-in.

 \(\phi\)M_n@RBS = (1.0)⋅(11,754 kips-in.) = 11,754 kips-in.

ได้พัฒนาตัวแปรเพิ่มเติมอีกห้าแบบดังแสดงในตารางที่ 1.3 สำหรับตัวแปรสามแบบแรก ขนาดของเสาและคานถูกเปลี่ยนแปลงเทียบกับแบบจำลองพื้นฐาน ในขณะที่ตัวแปรสองแบบสุดท้ายถูกเปลี่ยนแปลงเทียบกับตัวแปรที่ 2 เพื่อให้มีความจำเป็นต้องใช้แผ่นเสริมเว็บเสา สมมติว่ามีคานอีกอันที่มีขนาดเดียวกันเชื่อมต่อกับเสาอีกด้านหนึ่ง ความยาวของเสาเท่ากับ 400 นิ้ว ในขณะที่ระยะห่างระหว่างแนวกึ่งกลางเสาสมมติให้เท่ากับ 400 นิ้ว และ 300 นิ้ว ตามลำดับ คุณสมบัติวัสดุของเสาและคาน (ASTM A992) และแผ่นเสริมความแข็งต่อเนื่อง (ASTM A572 Grade 50) จาก AISC Manual Tables 2-4 และ 2-5 มีดังนี้:

ASTM A992

F_y = 50 ksi

F_u = 65 ksi

ASTM A572 Grade 50

F_y = 50 ksi

F_u = 65 ksi

การตรวจสอบตามมาตรฐานการออกแบบดำเนินการตามขั้นตอนเดียวกับที่แสดงในตารางที่ 1.4 กำลังการออกแบบที่คำนวณได้นำเสนอในตารางที่ 1.5 (สำหรับรายละเอียดของ Var-4 ดูภาคผนวก B)

ตารางที่ 1.3: คุณสมบัติของตัวแปร

ตารางที่ 1.4: การตรวจสอบตามมาตรฐานการออกแบบสำหรับตัวแปร

ตารางที่ 1.5: กำลังการออกแบบของตัวแปร

1.4. การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa

ได้ดำเนินการวิเคราะห์สองแบบที่แตกต่างกันใน IDEA StatiCa แบบแรกเพื่อศึกษากำลังของชิ้นทดสอบพื้นฐานภายใต้สภาพการทดสอบ ในขณะที่แบบที่สองเพื่อคำนวณความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนของการเชื่อมต่อ ขั้นแรกได้สร้างแบบจำลองชิ้นทดสอบใน IDEA StatiCa จากนั้นนำเข้าคุณสมบัติวัสดุจากใบรับรองโรงงาน และตั้งค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งแกร่งเกิน R_y และ R_t ให้เท่ากับ 1.0 (ดูรูปที่ 1.5) นอกจากนี้ ตัวคูณความต้านทาน LRFD ทั้งหมดถูกตั้งค่าเป็น 1.0 ดังแสดงในรูปที่ 1.6

รูปที่ 1.5: คุณสมบัติวัสดุของชิ้นทดสอบใน IDEA StatiCa; a) คาน, b) เสา

 รูปที่ 1.6: ตัวคูณความต้านทาน LRFD ใน IDEA StatiCa

1.4.1 การวิเคราะห์กำลัง

สำหรับการคำนวณกำลัง ได้เลือกประเภทการวิเคราะห์ "EPS" จากนั้นเลือกตัวเลือก "Loads in equilibrium" เพื่อจำลองสภาพการตั้งค่าการทดสอบภายใต้ "Design" ในการเลือกนี้ แรงภายในที่แต่ละ node ของโครงสร้างจะต้องถูกนำเข้าสู่ระบบ ความยาวเสาเริ่มต้นของแบบจำลอง IDEA StatiCa เท่ากับ 194.55 นิ้ว (2·(4+1.25)·b_c+d_b) เนื่องจากเวอร์ชันปัจจุบันของ IDEA StatiCa ไม่อนุญาตให้เปลี่ยนความยาวของเสา จึงสมมติว่าความยาวเสาของแบบจำลอง IDEA เท่ากับความยาวของการตั้งค่าการทดสอบ (150 นิ้ว) สมมติว่าเสาถูกยึดแน่นที่ปลายทั้งสองข้างดังแสดงในรูปที่ 1.7(a) แรงที่จะใช้กับแบบจำลองโดยใช้ "loads in equilibrium option" (รูปที่ 1.7(b)) สามารถคำนวณได้ดังนี้:

V = P·(149 in.)/150 in.

M = P·(149 in.)/2

N = P

โดยที่

• P: แรงในแนวดิ่งที่กระทำบนคานที่ตำแหน่ง 149 นิ้ว
• V: แรงเฉือนที่กระทำที่ปลายเสา
• N: แรงตามแนวแกนที่กระทำที่ฐานเสา
• M: โมเมนต์ที่กระทำที่ปลายเสา

รูปที่ 1.7: (a) แรงในระบบโครงสร้าง และ (b) แรงใน IDEA StatiCa เมื่อ P = 92 kips

หลังจากใช้การโหลดแบบเพิ่มทีละขั้นใน IDEA StatiCa โดยอัปเดตแรงทั้งหมดในแต่ละขั้นตอน พบว่าการครากเริ่มต้นที่บริเวณ RBS ของปีกล่างของคาน เมื่อแรงในแนวดิ่ง P ที่กระทำบนคานที่ระยะ 149 นิ้ว จากแนวกึ่งกลางเสาถึง 92 kips ระยะห่างระหว่างจุดกระทำแรงและจุดกึ่งกลางบริเวณตัด RBS L_RBS สามารถคำนวณได้โดยลบครึ่งหนึ่งของความลึกเสาและระยะห่างระหว่างจุดกึ่งกลางบริเวณตัด RBS กับหน้าเสาออกจาก 149 นิ้ว ดังนี้:

L_RBS = 149 in. – (15.2 in./2) – 17 in. = 124.4 in.

ค่าโมเมนต์ที่จุดกึ่งกลางบริเวณตัด RBS M_yRBS-IDEA ที่เกิดจากแรงในแนวดิ่ง P สามารถคำนวณได้ดังนี้:

M_yRBS-IDEA = P⋅L_RBS  = M_yRBS-IDEA = (124.4 in.)⋅(92 kips) = 11,445 kips-in. (รูปที่ 1.8)

รูปที่ 1.8: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับ LS-1

แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับการเชื่อมต่อตัวแปรเพิ่มเติมห้าแบบ (ดูตารางที่ 1.3) ได้รับการพัฒนาโดยใช้คุณสมบัติวัสดุที่ AISC กำหนดจาก AISC Manual Tables 2-4 และ 2-5 ดังแสดงในรูปที่ 1.9

รูปที่ 1.9: คุณสมบัติวัสดุสำหรับตัวแปรใน IDEA StatiCa; a) คาน, b) เสา

โดยทำตามขั้นตอนเดียวกัน กำลังของการเชื่อมต่อตัวแปรห้าแบบถูกคำนวณโดยใช้ IDEA StatiCa ดังแสดงในตารางที่ 1.6 และรูปที่ 1.10-1.14

ตารางที่ 1.6: กำลังการออกแบบของตัวแปร

รูปที่ 1.10: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับตัวแปรที่ 1

รูปที่ 1.11: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับตัวแปรที่ 2

รูปที่ 1.12: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับตัวแปรที่ 3

รูปที่ 1.13: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับตัวแปรที่ 4

รูปที่ 1.14: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับตัวแปรที่ 5

1.4.2 การวิเคราะห์โมเมนต์-การหมุน

การวิเคราะห์โมเมนต์-การหมุนคำนวณด้วยประเภทการวิเคราะห์ "ST" (ย่อมาจาก stiffness) แรงในแนวดิ่งสูงสุดที่ใช้ในการทดลอง 115 kips ถูกกระทำที่ตำแหน่งคานที่ 0 (ศูนย์) นิ้ว ในทิศทาง z ลบ (V_z = -115 kips) และโมเมนต์ที่สอดคล้องกัน 17,135 kips-in. (115 kips×149 in.) ถูกกระทำรอบแกน Y (M_y = 17,135 kips-in.) ดังแสดงในรูปที่ 1.15 

รูปที่ 1.15: การวิเคราะห์ ST ของ IDEA StatiCa: (a) มุมมองทึบ: (b) มุมมอง wireframe

ภายใต้แรงเหล่านี้ กราฟโมเมนต์-การหมุนที่ไม่รวมการหมุนยืดหยุ่นของคานและเสาได้รับดังแสดงในรูปที่ 1.16 โดยที่:

• Sj: เส้นโค้งโมเมนต์-การหมุนที่แสดงด้วย
• Sj,R: ค่าขีดจำกัด – จุดต่อแบบแข็ง
• Sj,P: ค่าขีดจำกัด – จุดต่อแบบหมุนได้ตามชื่อ
• Sj,ini: ความแข็งในการหมุนเริ่มต้น

รูปที่ 1.16: ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนที่คำนวณโดย IDEA StatiCa

1.5. การวิเคราะห์ด้วย ABAQUS

ในส่วนนี้ ผลลัพธ์จาก IDEA StatiCa ถูกเปรียบเทียบกับซอฟต์แวร์ ABAQUS (เวอร์ชัน 2021) ABAQUS เป็นโปรแกรม FEA อเนกประสงค์ที่มีประสิทธิภาพสูง เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ปัญหาสถิตศาสตร์ พลศาสตร์ และปัญหาไม่เชิงเส้นในช่วงกว้าง

ในการศึกษานี้ แบบจำลอง IDEA StatiCa ที่พัฒนาในหัวข้อ 1.4.2 สำหรับการวิเคราะห์โมเมนต์-การหมุนถูกเลือกเป็นแบบจำลองพื้นฐาน แบบจำลอง CAD สำหรับการวิเคราะห์ FEA ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แพลตฟอร์ม viewer ของ IDEA StatiCa การจำลองเชิงตัวเลขภายใต้สภาพที่เกือบเหมือนกัน (กล่าวคือ ในแง่ของคุณสมบัติวัสดุ เงื่อนไขขอบเขต และการโหลด) ดำเนินการโดยใช้ทั้ง IDEA StatiCa และ ABAQUS

รูปที่ 1.17: การตั้งค่าแบบจำลองใน ABAQUS

ใน ABAQUS ขนาดและประเภทของ element ถูกเลือกให้เป็น 5 mm และ C3D8R (ความเค้น 3D, อิฐเชิงเส้น 8 node, การอินทิเกรตแบบลด) ตามลำดับ ในแบบจำลอง ABAQUS แรงในแนวดิ่ง 115 kips และโมเมนต์ที่สอดคล้องกัน 17,135 kips-in. (รอบแกน Y) ถูกกระทำที่จุดอ้างอิงที่กำหนด (กล่าวคือ RF₂) ดังแสดงในรูปที่ 1.17 ความยาวเสาที่คำนวณได้ใน IDEA StatiCa คือ 194.55 นิ้ว ตามที่อธิบายในหัวข้อ 1.4.1 ดังนั้น เพื่อจำลองความยาวเสาที่เหมือนกันใน ABAQUS จึงได้นำเข้าจุดอ้างอิงสองจุด (กล่าวคือ RF₁ และ RF₃) ที่ระยะ 97.245 นิ้ว จากจุดกึ่งกลางเสาตามแนวแกน Z ในทั้งสองทิศทาง จุดอ้างอิงทั้งสองนี้ถูกยึดในทุกทิศทางและเชื่อมต่อกับหน้าบนและล่างของเสาโดยใช้โมดูล connector builder ใน ABAQUS ข้อจำกัดแบบ tie ถูกใช้ระหว่างแนวรอยเชื่อมและชิ้นส่วนที่ยึดติด พฤติกรรมวัสดุถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้ความเป็นพลาสติกแบบ bi-linear ใน ABAQUS พารามิเตอร์อื่นๆ รวมถึงความหนาแน่น โมดูลยืดหยุ่น และอัตราส่วนปัวซอง ถูกนำมาจาก library วัสดุของ IDEA StatiCa การจำลองเชิงตัวเลขดำเนินการบนโปรเซสเซอร์สี่ตัว (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz) และใช้เวลาประมาณ 45 นาทีในการเสร็จสิ้น รูปที่ 1.18 เปรียบเทียบความเค้น von-Mises และความเครียดพลาสติกที่คาดการณ์ระหว่างแบบจำลอง IDEA StatiCa และ ABAQUS

รูปที่ 1.18: การเปรียบเทียบความเค้น von Mises (แถวบน) และความเครียดพลาสติก (แถวล่าง) ที่คาดการณ์ระหว่างแบบจำลอง IDEA StatiCa และ ABAQUS

ความเค้นสูงสุดที่คาดการณ์ใน IDEA StatiCa คือ 68 ksi (ที่ด้านบนและล่างของหน้าตัดที่ลดลงของคาน) ในขณะที่แบบจำลอง ABAQUS แสดงความเค้นสูงสุด 66.96 ksi ที่ตำแหน่งเดียวกัน การกระจายความเค้นที่แตกต่างกันเล็กน้อยน่าจะเกิดจากการใช้ตาข่ายที่ละเอียดกว่าในแบบจำลอง ABAQUS และแบบจำลอง CAD ที่ลดความซับซ้อนใน IDEA StatiCa นอกจากนี้ ความเครียดพลาสติกสูงสุดที่คาดการณ์ใน IDEA StatiCa และ ABAQUS คือ 41.3% และ 43% ตามลำดับ

รูปที่ 1.19 แสดงการเปรียบเทียบเส้นโค้งโมเมนต์-การหมุนระหว่างซอฟต์แวร์ทั้งสอง

รูปที่ 1.19: การเปรียบเทียบโมเมนต์-การหมุนระหว่าง IDEA StatiCa และ ABAQUS

โปรดทราบว่าในรูปที่ 19 เส้นโค้งสีน้ำเงิน (กล่าวคือ ผลลัพธ์จาก ABAQUS) แสดงถึงการหมุนของคานที่วัดที่จุดตัดระหว่างเสาและคาน แบบจำลองทั้งสองให้การประมาณความแข็งเริ่มต้นที่ใกล้เคียงกัน ความแตกต่างเล็กน้อยอาจเกี่ยวข้องกับวิธีการวัดการหมุนในซอฟต์แวร์แต่ละตัว ความแตกต่างในประเภท element (กล่าวคือ solid element ใน ABAQUS เทียบกับ shell element ใน IDEA StatiCa) และการใช้ข้อจำกัดแบบ tie ใน ABAQUS เพื่อแทนรอยเชื่อม

1.6 สรุปและการเปรียบเทียบผลลัพธ์

แรงที่ปลายคานที่ทำให้เกิดการครากที่บริเวณตัด RBS ที่คำนวณโดยใช้ IDEA StatiCa คือ 92 kips กำลังรับโมเมนต์การออกแบบของชิ้นทดสอบที่คำนวณตามข้อกำหนดมาตรฐาน AISC ถูกหารด้วยระยะห่างจากจุดกึ่งกลางบริเวณตัด RBS ถึง actuator และแรงที่ปลายคานที่สอดคล้องกันถูกคำนวณเป็น 94.5 kips (11,754 kips-in./124.4 in.) ค่าทั้งสองนี้แสดงในกราฟประวัติแรง-การเคลื่อนตัวที่นำเสนอในรายงานการทดสอบ และแหล่งข้อมูลทั้งสาม (การสังเกตการทดสอบ การคำนวณตาม AISC และ IDEA StatiCa) ถูกเปรียบเทียบในรูปที่ 1.20 กำลังของการเชื่อมต่อที่พบโดย IDEA StatiCa น้อยกว่าที่คำนวณตามขั้นตอน AISC ประมาณ 3% แม้ว่าจะยากที่จะบอกได้ว่าการครากเริ่มต้นเมื่อใดจากประวัติแรง-การเคลื่อนตัว แต่ดูเหมือนว่าทั้งสองวิธีสามารถจับจุดครากได้ดีมาก

รูปที่ 1.20: ความสัมพันธ์แรง-การเคลื่อนตัว

ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนที่ให้โดย IDEA StatiCa รวมเฉพาะการหมุนพลาสติกเท่านั้น เพื่อให้สามารถคำนวณการหมุนพลาสติกได้ นักวิจัยการทดสอบได้คำนวณการหมุนยืดหยุ่นสำหรับ panel zone คาน และเสาโดยวิธีวิเคราะห์ และแบ่งปันในไฟล์ผลลัพธ์การทดสอบ โดยใช้ข้อมูลเหล่านี้ ได้รับความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนยืดหยุ่น และเพิ่มเข้ากับเส้นโค้งโมเมนต์-การหมุนพลาสติกของ IDEA StatiCa เพื่อเปรียบเทียบกับความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนที่วัดได้ดังแสดงในรูปที่ 1.21

รูปที่ 1.21: การเปรียบเทียบโมเมนต์-การหมุน

IDEA StatiCa แสดงความแข็งเริ่มต้นและการประมาณจุดครากที่ดีมาก ความแตกต่างหลังจากการครากสามารถอธิบายได้จากแบบจำลองวัสดุแบบ bilinear ที่ใช้โดย IDEA StatiCa ซึ่งส่งผลให้การเพิ่มความแข็งแกร่งจากความเครียดของวัสดุเหล็กที่วัดได้ระหว่างการทดสอบไม่ถูกจับโดย IDEA StatiCa

กำลังรับโมเมนต์ของชิ้นทดสอบและตัวแปรห้าแบบที่คำนวณโดยใช้ IDEA StatiCa และตามข้อกำหนดมาตรฐาน AISC นำเสนอในตารางที่ 1.7 ความแตกต่างในกำลังที่คำนวณได้น้อยกว่า 4%

ตารางที่ 1.7: กำลังรับโมเมนต์ของชิ้นทดสอบและตัวแปรห้าแบบ

โดยสรุป จากการวิเคราะห์ที่ดำเนินการในบทนี้ มีความสอดคล้องกันดีในการจับกำลังครากของการเชื่อมต่อ RBS โดยใช้ IDEA StatiCa

อ่านการศึกษาฉบับเต็มเกี่ยวกับการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า!

เอกสารอ้างอิง

Uang, C., Yu, K., and Gilton, C. (2000) Cyclic Response of RBS Moment Connections: Loading Sequence and Lateral Bracing Effects, Report No. SSR-99/13, C. L. Powell Structural Research Laboratories, University of California at San Diego.

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

AISC (2016), "Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, including Supplement No. 1," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 358-16, Chicago, Illinois.

AISC (2016), "Seismic Provisions for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 341-16, Chicago, Illinois.

AISC (2020), "Seismic Design Manual," 3^rd edition, American Institute of Steel Construction, Chicago.

AISC (2017), "Steel Construction Manual," 15^th edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

ABAQUS 2021, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

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