การวิเคราะห์ความแข็งและความสามารถในการเสียรูปของจุดต่อโครงสร้างเหล็ก

จุดต่อถูกจำแนกตามความแข็งเป็นแบบแข็ง กึ่งแข็ง และแบบหมุนได้ วิศวกรควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าความแข็งของจุดต่อสอดคล้องกับความแข็งที่กำหนดในซอฟต์แวร์ CAE เป้าหมายของการวิเคราะห์ความแข็งคือการได้การกระจายแรงที่ถูกต้องในชิ้นส่วนและจุดต่อ รวมถึงการโก่งตัวที่ถูกต้องของชิ้นส่วนและโครงสร้างโดยรวม

วิธี CBFEM วิเคราะห์ความแข็งของการเชื่อมต่อของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นในจุดต่อ สำหรับการวิเคราะห์ความแข็งที่ถูกต้อง จะต้องสร้างแบบจำลองการวิเคราะห์แยกต่างหากสำหรับแต่ละชิ้นส่วนที่วิเคราะห์ ดังนั้นการวิเคราะห์ความแข็งจะไม่ได้รับอิทธิพลจากความแข็งของชิ้นส่วนอื่นในจุดต่อ แต่ขึ้นอยู่กับ Node เองและการก่อสร้างของการเชื่อมต่อของชิ้นส่วนที่วิเคราะห์เท่านั้น ในขณะที่ชิ้นส่วนรับแรงหลักถูกรองรับสำหรับการวิเคราะห์กำลัง (ชิ้นส่วน SL ในรูปด้านล่าง) ชิ้นส่วนทั้งหมดยกเว้นชิ้นส่วนที่วิเคราะห์จะถูกรองรับในการวิเคราะห์ความแข็ง (ดูสองรูปด้านล่างสำหรับการวิเคราะห์ความแข็งของชิ้นส่วน B1 และ B3) ข้อยกเว้นคือฐานเสาซึ่งการรองรับมาจากฐานรากคอนกรีต โดยมีเพียงชิ้นส่วนที่วิเคราะห์เท่านั้นที่รับแรง และชิ้นส่วนอื่นมีข้อจำกัดตามประเภทแบบจำลองของตนเท่านั้น

จุดรองรับบนชิ้นส่วนสำหรับการวิเคราะห์กำลัง

แรงกระทำสามารถใช้ได้กับชิ้นส่วนที่วิเคราะห์เท่านั้น หากกำหนดโมเมนต์ดัด M_y จะวิเคราะห์ความแข็งในการหมุนรอบแกน y หากกำหนดโมเมนต์ดัด M_z จะวิเคราะห์ความแข็งในการหมุนรอบแกน z หากกำหนดแรงตามแนวแกน N จะวิเคราะห์ความแข็งตามแนวแกนของการเชื่อมต่อ

เส้นโค้งโมเมนต์-การหมุน (หรือแรง-การเสียรูป) คำนวณสำหรับสองแบบจำลอง:

• แบบจำลองการเชื่อมต่อเต็มรูปแบบ – พร้อมชิ้นส่วน แผ่นเหล็ก สลักเกลียว รอยเชื่อม ฯลฯ (การวิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้นทางวัสดุ)
• แบบจำลองชิ้นส่วน – มีเฉพาะชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อแบบแข็งที่ Node (การวิเคราะห์แบบยืดหยุ่นเชิงเส้น)

ไดอะแกรมที่แสดงสร้างขึ้นโดยการลบแบบจำลองชิ้นส่วนออกจากแบบจำลองการเชื่อมต่อเต็มรูปแบบ วิธีนี้จะตัดการเสียรูปแบบยืดหยุ่นของชิ้นส่วนซึ่งรวมอยู่ในแบบจำลองของโครงสร้างโดยรวมแล้วออกไป 

โปรแกรมสร้างไดอะแกรมสมบูรณ์โดยอัตโนมัติ แสดงโดยตรงใน GUI และสามารถเพิ่มลงในรายงานผลลัพธ์ได้ สามารถศึกษาความแข็งในการหมุนหรือตามแนวแกนสำหรับแรงออกแบบที่กำหนด IDEA StatiCa Connection ยังสามารถจัดการกับปฏิสัมพันธ์ของแรงภายในอื่นๆ ได้ด้วย

ไดอะแกรมแสดง:

• ระดับของแรงออกแบบ M_Ed
• ค่าขีดจำกัดของกำลังของการเชื่อมต่อสำหรับความเครียดสมมูล 5% M_j,Rd; ขีดจำกัดสำหรับความเครียดพลาสติกสามารถเปลี่ยนได้ใน Code setup
• ค่าขีดจำกัดของกำลังของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ (มีประโยชน์สำหรับการออกแบบต้านแผ่นดินไหวด้วย) M_c,Rd
• 2/3 ของกำลังขีดจำกัดสำหรับการคำนวณความแข็งเริ่มต้น
• ค่าความแข็งเริ่มต้น S_j,ini
• ค่าความแข็ง Secant S_js
• ขีดจำกัดสำหรับการจำแนกประเภทการเชื่อมต่อ – แบบแข็งและแบบหมุนได้
• การเสียรูปในการหมุน Φ
• ความสามารถในการหมุน Φ_c

การเชื่อมต่อแบบเชื่อมแข็ง

การเชื่อมต่อแบบสลักเกลียวกึ่งแข็ง

หลังจากถึงความเครียด 5% ในแผ่นเอวเสาในแรงเฉือน บริเวณพลาสติกจะแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว

จุดต่อถูกจำแนกตามความแข็งเป็นประเภทแข็ง กึ่งแข็ง หรือแบบหมุนได้ตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง สามารถกำหนดความยาวทางทฤษฎีของชิ้นส่วนสำหรับชิ้นส่วนที่วิเคราะห์ได้:

แรงกระทำถูกใช้อย่างไร?

มีเพียงชิ้นส่วนเดียวที่รับแรงและตรวจสอบในการวิเคราะห์ความแข็ง ชิ้นส่วนที่วิเคราะห์อาจรับแรงโดย:

• แรงตามแนวแกน N
• แรงเฉือน V_y และ V_z
• โมเมนต์ดัด M_y และ M_z
• แรงบิด M_x

ผลของแรงกระทำทั้งหมดถูกใช้พร้อมกัน หากแรงที่ใช้มีขนาดเล็กเกินไป แรงทั้งหมดจะถูกเพิ่มขึ้นด้วยตัวคูณเพื่อให้ถึงกำลังของจุดต่อ (แรงที่ใช้ต้องมากกว่า 1) เมื่อสร้างไดอะแกรมโมเมนต์-การหมุนหรือแรง-การเสียรูป ผลของแรงกระทำทั้งหมดจะถูกเพิ่มขึ้นเป็นขั้นตอนตามสัดส่วน 

ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนที่วิเคราะห์รับแรงโดย:

• แรงตามแนวแกน N = 50 kN
• แรงเฉือน V_z = -80 kN
• โมเมนต์ดัด M_y = 30 kNm

กำลังของชิ้นส่วนคือ:

• กำลังตามแนวแกน N_R = 2 111 kN
• กำลังรับแรงเฉือน V_z,R = 763 kN
• กำลังรับโมเมนต์ดัด M_y,R = 226 kNm

แรงถูกคูณด้วยตัวคูณ:

\[ \alpha = \textrm{min} \left \{ \frac{N_R}{N}, \, \frac{M_{y,R}}{M_y}, \, \frac{M_{z,R}}{M_z} \right \}  \]

โปรดทราบว่าหากแรงเฉือนไม่ถูกใช้ที่ Node กล่าวคือมันทำงานบนแขนโมเมนต์ โมเมนต์ดัดจะได้รับผลกระทบ โมเมนต์ดัดที่ Node ตามที่เห็นในแบบจำลอง Wireframe จะถูกใช้เป็นแรงที่กำหนด

ในตัวอย่างนี้ ตัวคูณคือ \( \alpha = 7.53 \) แรงที่กำหนดถูกคูณแล้วใช้เป็นขั้นตอน และผลลัพธ์ถูกพล็อตในไดอะแกรมความแข็ง แรงที่ใช้ถูกแบ่งออกเป็น 12 ขั้นตอน และเมื่อการเชื่อมต่อใกล้ถึงกำลัง ขั้นตอนจะถูกปรับให้ละเอียดขึ้น ตัวอย่างของสามขั้นตอนแรกอยู่ในตารางต่อไปนี้:

ความสามารถในการเสียรูป

ความสามารถในการเสียรูป/ความเหนียว δ_Cd อยู่ร่วมกับกำลังและความแข็งในฐานะสามพารามิเตอร์พื้นฐานที่อธิบายพฤติกรรมของการเชื่อมต่อ ในการเชื่อมต่อที่ต้านทานโมเมนต์ ความเหนียวได้มาจากความสามารถในการหมุนที่เพียงพอ φ_Cd. ความสามารถในการเสียรูป/การหมุนจะคำนวณแยกกันสำหรับแต่ละการเชื่อมต่อในจุดต่อ

ซอฟต์แวร์ประมาณความสามารถในการเสียรูปเป็นจุดที่บรรลุเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่งต่อไปนี้:

• ถึงกำลังของสลักเกลียวหรือพุกในแรงดึง แรงเฉือน หรือปฏิสัมพันธ์แรงดึง/แรงเฉือน
• ถึงกำลังของรอยเชื่อม
• ความเครียดพลาสติกในแผ่นเหล็กถึง 15%

การประมาณความสามารถในการหมุนมีความสำคัญในการเชื่อมต่อที่รับ แรงแผ่นดินไหว ดู Gioncu และ Mazzolani (2002) และ Grecea (2004) และแรงกระทำสุดขีด ดู Sherbourne และ Bahaari (1994 และ 1996) ความสามารถในการเสียรูปของส่วนประกอบได้รับการศึกษาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่แล้ว (Foley และ Vinnakota, 1995) Faella และคณะ (2000) ได้ทำการทดสอบ T-stub และได้สูตรเชิงวิเคราะห์สำหรับความสามารถในการเสียรูป Kuhlmann และ Kuhnemund (2000) ได้ทำการทดสอบแผ่นเอวเสาที่รับแรงอัดตามขวางในระดับแรงอัดตามแนวแกนต่างๆ ในเสา Da Silva และคณะ (2002) ได้ทำนายความสามารถในการเสียรูปในระดับแรงตามแนวแกนต่างๆ ในคานที่เชื่อมต่อ จากผลการทดสอบรวมกับการวิเคราะห์ด้วยวิธี Finite Element ความสามารถในการเสียรูปได้รับการกำหนดสำหรับส่วนประกอบพื้นฐานโดยแบบจำลองเชิงวิเคราะห์โดย Beg และคณะ (2004) ในงานวิจัยนี้ ส่วนประกอบถูกแทนด้วย Spring แบบไม่เชิงเส้นและรวมกันอย่างเหมาะสมเพื่อกำหนดความสามารถในการหมุนของจุดต่อสำหรับการเชื่อมต่อแบบแผ่นปลาย ทั้งแบบแผ่นปลายยื่นและแบบแผ่นปลายเสมอ และการเชื่อมต่อแบบเชื่อม สำหรับการเชื่อมต่อเหล่านี้ ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดซึ่งอาจมีส่วนสนับสนุนอย่างมีนัยสำคัญต่อความสามารถในการหมุนได้รับการระบุว่าได้แก่ แผ่นเอวในแรงอัด แผ่นเอวเสาในแรงดึง แผ่นเอวเสาในแรงเฉือน ปีกเสาในการดัด และแผ่นปลายในการดัด ส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับแผ่นเอวเสามีความเกี่ยวข้องเฉพาะเมื่อไม่มีแผ่นเสริมความแข็งในเสาที่ต้านทานแรงอัด แรงดึง หรือแรงเฉือน การมีแผ่นเสริมความแข็งจะขจัดส่วนประกอบที่สอดคล้องกัน และการมีส่วนร่วมต่อความสามารถในการหมุนของจุดต่อจึงสามารถละเลยได้ แผ่นปลายและปีกเสามีความสำคัญเฉพาะสำหรับการเชื่อมต่อแบบแผ่นปลายที่ส่วนประกอบทำงานเป็น T-stub ซึ่งรวมถึงความสามารถในการเสียรูปของสลักเกลียวในแรงดึงด้วย คำถามและขีดจำกัดของความสามารถในการเสียรูปของการเชื่อมต่อเหล็กกำลังสูงได้รับการศึกษาโดย Girao และคณะ (2004)