การเชื่อมต่อโมเมนต์ที่มุมหลังคาของโครงพอร์ทัลแบบเชื่อม

คำอธิบาย

ในบทนี้ วิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) สำหรับการเชื่อมต่อโมเมนต์ที่มุมหลังคาของโครงพอร์ทัลแบบเชื่อม ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดยเปรียบเทียบกับวิธีส่วนประกอบ (CM) คานหน้าตัดเปิดถูกเชื่อมเข้ากับเสาหน้าตัดเปิด เสาได้รับการเสริมด้วยแผ่นเสริมความแข็งแนวนอนสองแผ่นตรงข้ามกับปีกคาน แผ่นที่รับแรงอัด เช่น แผ่นเสริมความแข็งแนวนอนของเสา แผ่นเอวเสาในการรับแรงเฉือน และปีกคานที่รับแรงอัด ถูกจำกัดให้อยู่ในชั้นที่ 3 เพื่อหลีกเลี่ยงการโก่งเดาะ คานจั่วรับแรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

แบบจำลองเชิงวิเคราะห์

ส่วนประกอบห้าชิ้นได้รับการตรวจสอบในการศึกษานี้ ได้แก่ แผ่นเอวในการรับแรงเฉือน เอวเสาในการรับแรงอัดตามขวาง เอวเสาในการรับแรงดึงตามขวาง ปีกเสาในการรับโมเมนต์ดัด และปีกคานในการรับแรงอัด ส่วนประกอบทั้งหมดได้รับการออกแบบตาม EN 1993-1-8:2005 รอยเชื่อมมุมได้รับการออกแบบให้ไม่เป็นส่วนประกอบที่อ่อนแอที่สุดในจุดต่อ การศึกษาตรวจสอบความถูกต้องของรอยเชื่อมมุมในจุดต่อคาน-เสาที่มีแผ่นเสริมความแข็งอยู่ในบทที่ 4.4

แผ่นเอวในการรับแรงเฉือน

ความหนาของเอวเสาถูกจำกัดด้วยอัตราส่วนความชะลูดเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเสถียรภาพ ดู EN 1993‑1‑8:2005, ข้อ 6.2.6.1(1) แผ่นเอวเสาชั้นที่ 4 ในการรับแรงเฉือนได้รับการศึกษาในบทที่ 6.2 พิจารณาการมีส่วนร่วมสองส่วนต่อความสามารถรับแรง ได้แก่ ความต้านทานของแผ่นเสาในการรับแรงเฉือน และการมีส่วนร่วมจากกลไกโครงของปีกเสาและแผ่นเสริมความแข็งแนวนอน ดู EN 1993‑1‑8:2005, ข้อ 6.2.6.1 (6.7 และ 6.8)

เอวเสาในการรับแรงอัดตามขวาง

พิจารณาผลของปฏิสัมพันธ์ของแรงเฉือน ดู EN 1993-1-8:2005, ข้อ 6.2.6.2, ตาราง 6.3 พิจารณาอิทธิพลของความเค้นตามแนวแกนในแผ่นเสา ดู EN 1993-1-8:2005, ข้อ 6.2.6.2(2) แผ่นเสริมความแข็งแนวนอนถูกรวมอยู่ในความสามารถรับแรงของส่วนประกอบนี้

เอวเสาในการรับแรงดึงตามขวาง

พิจารณาผลของปฏิสัมพันธ์ของแรงเฉือน ดู EN 1993-1-8:2005, ข้อ 6.2.6.2, ตาราง 6.3 แผ่นเสริมความแข็งแนวนอนถูกรวมอยู่ในความสามารถรับแรงของส่วนประกอบนี้

ปีกเสาในการรับโมเมนต์ดัด

แผ่นเสริมความแข็งแนวนอนค้ำยันปีกเสา ส่วนประกอบนี้จึงไม่ได้รับการพิจารณา

ปีกคานในการรับแรงอัด

คานแนวนอนได้รับการออกแบบให้เป็นหน้าตัดชั้นที่ 3 หรือดีกว่าเพื่อหลีกเลี่ยงการโก่งเดาะ

ภาพรวมของตัวอย่างที่พิจารณาและวัสดุแสดงไว้ในตาราง 9.1.1 รูปทรงเรขาคณิตของจุดต่อพร้อมขนาดแสดงในรูปที่ 9.1.1 พารามิเตอร์ที่พิจารณาในการศึกษา ได้แก่ หน้าตัดคาน หน้าตัดเสา และความหนาของแผ่นเอวเสา

ตาราง 9.1.1 ภาพรวมตัวอย่าง

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

แบบจำลองเชิงตัวเลข

สถานะวัสดุแบบยืดหยุ่น-พลาสติกไม่เชิงเส้นได้รับการตรวจสอบในแต่ละชั้นของจุดอินทิเกรชัน การประเมินผลอ้างอิงจากค่าความเครียดสูงสุดตามที่กำหนดใน EN 1993-1-5:2006 ที่ค่า 5%

พฤติกรรมโดยรวม

นำเสนอการเปรียบเทียบพฤติกรรมโดยรวมของการเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัล ซึ่งอธิบายด้วยแผนภาพโมเมนต์-การหมุน คุณลักษณะหลักของแผนภาพโมเมนต์-การหมุน ได้แก่ ความแข็งเริ่มต้น ความต้านทานยืดหยุ่น และความต้านทานการออกแบบ คานหน้าตัดเปิด IPE 330 ถูกเชื่อมเข้ากับเสา HEB 260 ในตัวอย่างนี้ การเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัลที่มีแผ่นเสริมความแข็งแนวนอนในเสาได้รับการพิจารณาตามวิธีส่วนประกอบว่าเป็นจุดต่อแบบแข็งที่มี S_j,ini = ∞ ดังนั้นจึงวิเคราะห์จุดต่อที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็งแนวนอนในเสา แผนภาพโมเมนต์-การหมุนแสดงในรูปที่ 9.1.2 และผลลัพธ์สรุปไว้ในตาราง 9.1.2 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นความสอดคล้องที่ดีมากในด้านความแข็งเริ่มต้นและพฤติกรรมโดยรวมของจุดต่อ

ตาราง 9.1.2 ความแข็งในการหมุนของการเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัลใน CBFEM และ CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

การตรวจสอบความต้านทาน

ผลลัพธ์ที่คำนวณโดย CBFEM ได้รับการเปรียบเทียบกับ CM การเปรียบเทียบมุ่งเน้นไปที่ความต้านทานการออกแบบและส่วนประกอบวิกฤต การศึกษาดำเนินการสำหรับพารามิเตอร์สามตัวที่แตกต่างกัน ได้แก่ หน้าตัดคาน หน้าตัดเสา และความหนาของแผ่นเอวเสา

เสาหน้าตัดเปิด HEB 260 ถูกใช้ในตัวอย่างที่พารามิเตอร์คือหน้าตัดคาน เสาได้รับการเสริมด้วยแผ่นเสริมความแข็งแนวนอนสองแผ่นที่มีความหนา 10 มม. ตรงข้ามกับปีกคาน ความกว้างของแผ่นเสริมความแข็งสอดคล้องกับความกว้างของปีกคาน หน้าตัด IPE ของคานถูกเลือกตั้งแต่ IPE 140 ถึง IPE 500 ผลลัพธ์แสดงในตาราง 9.1.3 อิทธิพลของหน้าตัดคานต่อความต้านทานการออกแบบของการเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัลแบบเชื่อมแสดงในรูปที่ 9.1.4 ส่วนประกอบวิกฤตใน CBFEM ได้แก่ ปีกคาน ปีกเสา และเอวเสา รูปที่ 9.1.3 แสดงแบบจำลองของตัวอย่างหนึ่งพร้อมคำอธิบายปีก

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

ตาราง 9.1.3 ความต้านทานการออกแบบและส่วนประกอบวิกฤตใน CBFEM และ CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

คานหน้าตัดเปิด IPE330 ถูกใช้ในตัวอย่างที่พารามิเตอร์คือหน้าตัดเสา เสาได้รับการเสริมด้วยแผ่นเสริมความแข็งแนวนอนสองแผ่นที่มีความหนา 10 มม. ตรงข้ามกับปีกคาน ความกว้างของแผ่นเสริมความแข็งสอดคล้องกับความกว้างของปีกคาน ความกว้างรวมของแผ่นเสริมความแข็งคือ 160 มม. หน้าตัดเสาถูกเลือกตั้งแต่ HEB 160 ถึง HEB 500 ผลลัพธ์แสดงในตาราง 9.1.4 อิทธิพลของหน้าตัดเสาต่อความต้านทานการออกแบบของการเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัลแบบเชื่อมแสดงในรูปที่ 9.1.5

ตาราง 9.1.4 ความต้านทานการออกแบบและส่วนประกอบวิกฤตของการเชื่อมต่อโมเมนต์ใน CBFEM และ CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

ตัวอย่างที่สามนำเสนอการเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัลที่ประกอบด้วยคานหน้าตัดเปิด IPE 330 และเสา HEA 320 พารามิเตอร์คือความหนาของเอวเสา เสาได้รับการเสริมด้วยแผ่นเสริมความแข็งแนวนอนสองแผ่นที่มีความหนา 10 มม. และความกว้าง 160 มม. ความหนาของเอวเสาถูกเลือกตั้งแต่ 4 ถึง 16 มม. ผลลัพธ์สรุปไว้ในตาราง 9.1.5 อิทธิพลของความหนาเอวเสาต่อความต้านทานการออกแบบของการเชื่อมต่อโมเมนต์โครงพอร์ทัลแบบเชื่อมแสดงในรูปที่ 9.1.6

ตาราง 9.1.5 ความต้านทานการออกแบบและส่วนประกอบวิกฤตของการเชื่อมต่อโมเมนต์ใน CBFEM และ CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

เพื่อแสดงให้เห็นความแม่นยำของแบบจำลอง CBFEM ผลลัพธ์ของการศึกษาพารามิเตอร์ถูกสรุปในแผนภาพที่เปรียบเทียบความต้านทานของ CBFEM และวิธีส่วนประกอบ ดูรูปที่ 9.1.7 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความแตกต่างระหว่างวิธีการคำนวณทั้งสองน้อยกว่า 5% ซึ่งเป็นค่าที่ยอมรับได้โดยทั่วไป การศึกษาที่มีพารามิเตอร์ความหนาเอวเสาให้ความต้านทานที่สูงกว่าสำหรับแบบจำลอง CBFEM เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีส่วนประกอบ ความแตกต่างนี้เกิดจากการพิจารณาหน้าตัดแบบเชื่อม การถ่ายแรงเฉือนในวิธีส่วนประกอบพิจารณาเฉพาะในเอวและละเลยการมีส่วนร่วมของปีก

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

ตัวอย่าง Benchmark

ข้อมูลนำเข้า

เสา

• เหล็ก S235
• HEB260

คาน

• เหล็ก S235
• IPE330

แผ่นเสริมความแข็งเสา

• ความหนา t_s = 19 มม.
• ความกว้าง 80 มม.
• ตรงข้ามกับปีกคาน

รอยเชื่อม

• ปีกคาน: ความหนาคอรอยเชื่อมมุม a_f  = 8 มม.
• เอวคาน: ความหนาคอรอยเชื่อมมุม a_w  = 8 มม.
• รอยเชื่อมชนรอบแผ่นเสริมความแข็ง

ผลลัพธ์

• ความต้านทานการออกแบบในการดัด M_Rd = 146 kNm
• ส่วนประกอบวิกฤต: ปีกคานที่ 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]