ตัวอย่างการตรวจสอบนี้จัดทำขึ้นในโครงการร่วมระหว่าง Ohio State University และ IDEA StatiCa โดยมีผู้เขียนดังต่อไปนี้:

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

3.1. บทนำ

การเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าลำดับที่สามที่ครอบคลุมในการศึกษาการตรวจสอบนี้คือการเชื่อมต่อโมเมนต์แบบ welded unreinforced flange-welded web (WUF-W) ในบทนี้ เช่นเดียวกับบทก่อนหน้า ได้คัดเลือกการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กที่ผ่านการทดสอบเชิงทดลองจำนวนหกรายการจากเอกสารอ้างอิง เพื่อเปรียบเทียบความต้านทานโมเมนต์ดัดที่ได้จาก IDEA StatiCa และกระบวนการออกแบบตาม AISC นอกจากนี้ยังได้ทำการเปรียบเทียบความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนระหว่าง IDEA StatiCa และ ABAQUS สำหรับชิ้นทดสอบหนึ่งชิ้นที่เลือกเป็นแบบจำลองพื้นฐาน

3.2 การศึกษาเชิงทดลอง

Ricles et al. (2000) ได้ดำเนินการทดลองชุดหนึ่งเพื่อศึกษาสมรรถนะแผ่นดินไหวของการเชื่อมต่อแบบ welded unreinforced flange ที่มีความเหนียวที่มหาวิทยาลัย Lehigh เพื่อจุดประสงค์นี้ การเชื่อมต่อแบบภายนอกหกจุดและแบบภายในห้าจุดขนาดเต็มสเกลถูกนำมาทดสอบภายใต้แรงกระทำแบบวัฏจักร แม้ว่ารายละเอียดการเชื่อมและรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นทดสอบที่ทดสอบทั้งหมดจะไม่จำเป็นต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของ AISC 358 (2016) ฉบับล่าสุด แต่การศึกษาเชิงทดลองนี้ได้รับการคัดเลือกให้ตรวจสอบในการศึกษานี้ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

• ไม่มีการศึกษาเชิงทดลองที่ดำเนินการในสหรัฐอเมริกาสำหรับ WUF-W ที่มีชิ้นทดสอบซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดทั้งหมดที่ระบุไว้ใน AISC 358 (2016)
• เป็นหนึ่งในการศึกษาเชิงทดลองที่เป็นพื้นฐานของข้อกำหนดการรับรองล่วงหน้าของการเชื่อมต่อโมเมนต์ WUF-W ใน AISC 358 (2016)
• งานวิจัยเชิงทดลองนี้ได้รับการสนับสนุนจาก SAC Joint Venture โดยมีเงินทุนจาก Federal Emergency Management Agency (FEMA) เพื่อประเมินรายละเอียดที่ปรับปรุงแล้วของการเชื่อมต่อโมเมนต์ WUF-W โปรแกรมวิจัย SAC ถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงการออกแบบและสมรรถนะของการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กหลังจากที่พบสมรรถนะที่ไม่ดีในการเชื่อมต่อบางส่วนภายหลังแผ่นดินไหว Northridge ปี 1994

การจัดเตรียมการทดสอบสำหรับการเชื่อมต่อแบบภายในแสดงไว้ในรูปที่ 3.1 ความยาวระหว่างจุดรองรับคานและแนวกึ่งกลางเสาคือ 177 นิ้ว (4.50 ม.) และความยาวจากตัวกระตุ้นถึงจุดรองรับด้านล่างของเสาคือ 156 นิ้ว (3.96 ม.) จากการเชื่อมต่อที่ทดสอบทั้งหมด 11 จุด ได้คัดเลือกหกจุดเพื่อครอบคลุมในการศึกษาการตรวจสอบนี้ คุณสมบัติทางเรขาคณิตและวัสดุของการเชื่อมต่อหกจุดที่เลือกแสดงไว้ในตารางที่ 3.1 และ 3.2 และการกำหนดค่าของชิ้นทดสอบแสดงไว้ในรูปที่ 3.2 ถึง 3.4

ตารางที่ 3.1: คุณสมบัติของชิ้นทดสอบ WUF-W

รูปที่ 3.1: การจัดเตรียมการทดสอบ (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.2: ซ้าย) การกำหนดค่าของแบบจำลองพื้นฐาน T1; ขวา) การกำหนดค่าของชิ้นทดสอบ T5 (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.3: ซ้าย) การกำหนดค่าของชิ้นทดสอบ C1; ขวา) การกำหนดค่าของชิ้นทดสอบ C2 (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.4: ซ้าย) การกำหนดค่าของชิ้นทดสอบ C3; ขวา) การกำหนดค่าของชิ้นทดสอบ C4 (Ricles et al., 2000)

ตารางที่ 3.2: คุณสมบัติวัสดุที่วัดได้ของชิ้นทดสอบ WUF-W (Ricles et al., 2000)

แบบจำลองพื้นฐาน (ชิ้นทดสอบ T1) และชิ้นทดสอบ T5 เป็นการเชื่อมต่อแบบภายนอก ในขณะที่ชิ้นทดสอบอื่นๆ เป็นการเชื่อมต่อแบบภายในที่ประกอบด้วยคานและการเชื่อมต่อที่เหมือนกันซึ่งยึดกับเสาเดียวกันจากแต่ละด้านแนวนอน (ดูรูปที่ 3.1) เนื่องจากการเชื่อมต่อที่เหมือนกันแสดงสมรรถนะที่เกือบเหมือนกันในระหว่างการทดสอบ จึงแบ่งปันเพียงภาพถ่ายหลังการทดสอบและความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนของชิ้นทดสอบภายในแต่ละชิ้นที่ครอบคลุมในการศึกษานี้ (ชิ้นทดสอบ C1, C2, C3 และ C4)

เว็บคานของแบบจำลองพื้นฐานถูกเชื่อมแบบ groove weld กับปีกเสา และมีการเชื่อมเพิ่มเติมต่อเนื่องรอบขอบของแผ่นรับแรงเฉือน มีรายงานว่า groove weld ระหว่างแผ่นรับแรงเฉือนและปีกเสาเกิดรอยแตกในระหว่างรอบการเคลื่อนตัว 2% และปีกคานเกิดรอยแตกในระหว่างรอบการเคลื่อนตัว 4% ดังแสดงในรูปที่ 3.5 ชิ้นทดสอบ T5 ถูกออกแบบแตกต่างจากแบบจำลองพื้นฐานโดยมีแผ่นเสริม Doubler การเชื่อมบางส่วนระหว่างแผ่นรับแรงเฉือนและเว็บคาน ขนาด fillet weld ที่ใหญ่กว่าระหว่างแผ่นรับแรงเฉือนและปีกเสา และไม่มีแผ่นต่อเนื่อง มีรายงานว่าการแตกหักแบบเหนียวเกิดขึ้นที่ปีกคานในระหว่างรอบการเคลื่อนตัว 6% (ดูรูปที่ 6)

รูปที่ 3.5: ซ้าย) แบบจำลองพื้นฐาน (T1) หลังการทดสอบ; ขวา) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกรวม (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.6: ซ้าย) ชิ้นทดสอบ T5 หลังการทดสอบ; ขวา) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกรวม (Ricles et al., 2000)

ชิ้นทดสอบ C1 เป็นหนึ่งในการเชื่อมต่อแบบภายในสี่จุดที่ครอบคลุมในการศึกษานี้ มีขนาดเสาที่ใหญ่กว่าและแผ่นเสริม Doubler ที่หนากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นทดสอบ T5 พบการแตกหักแบบเหนียวในรอบแรกของการเคลื่อนตัว 5% ที่ปีกบนของคานด้านตะวันตก และในรอบที่สองของการเคลื่อนตัว 5% ที่ปีกบนของคานด้านตะวันออก ดังแสดงในรูปที่ 3.7 ชิ้นทดสอบ C2 แตกต่างจากชิ้นทดสอบ C1 โดยถูกออกแบบให้มีแผ่นต่อเนื่องและแผ่นเสริม Doubler ที่บางกว่า ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าชิ้นทดสอบ C2 วิบัติในระหว่างรอบการเคลื่อนตัว 6% เนื่องจากการแตกหักแบบเหนียวที่ปีกคานทั้งสองด้าน ดังแสดงในรูปที่ 3.8

ชิ้นทดสอบ C3 ประกอบด้วยเสาที่ลึกกว่าและบางกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นทดสอบสี่ชิ้นแรก รายงานการทดสอบระบุว่าพบการแตกหักแบบเหนียวของปีกคานด้านตะวันตกในระหว่างรอบแรกของการเคลื่อนตัวชั้น 5.5% ดังแสดงในรูปที่ 3.9 ชิ้นทดสอบ C4 มีแผ่นเสริม Doubler และแผ่นต่อเนื่องที่หนากว่า นอกเหนือจากการกำหนดค่าของชิ้นทดสอบ C3 ในระหว่างการทดลอง การแตกหักแบบเหนียวเกิดขึ้นเมื่อสิ้นสุดรอบการเคลื่อนตัว 6% (รูปที่ 3.10)

รูปที่ 3.7: ซ้าย) ชิ้นทดสอบ C1 หลังการทดสอบ; ขวา) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกรวม (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.8: ซ้าย) ชิ้นทดสอบ C2 หลังการทดสอบ; ขวา) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกรวม (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.9: ซ้าย) ชิ้นทดสอบ C3 หลังการทดสอบ; ขวา) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกรวม (Ricles et al., 2000)

รูปที่ 3.10: ซ้าย) ชิ้นทดสอบ C4 หลังการทดสอบ; ขวา) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกรวม (Ricles et al., 2000)

3.3 การคำนวณตามมาตรฐาน

ได้ปฏิบัติตามขั้นตอนที่ระบุไว้ในหัวข้อ 8.7 ของ AISC 358 (2016) สำหรับการเชื่อมต่อ WUF-W และดำเนินการตรวจสอบดังต่อไปนี้สำหรับชิ้นทดสอบทั้งหก

• ตรวจสอบข้อจำกัดทางเรขาคณิตของคาน                                         (AISC 358 Sec. 8.3.1)
• ตรวจสอบข้อจำกัดทางเรขาคณิตของเสา                                      (AISC 358 Sec. 8.3.2)
• ตรวจสอบกำลังรับแรงเฉือนออกแบบของคาน                                        (AISC 358, Sec. 8.7)
• ตรวจสอบกำลังรับโมเมนต์ดัด                                                          (AISC 360, Eq. F2-1)
• ตรวจสอบข้อกำหนดแผ่นต่อเนื่อง                                    (AISC 341, Sec.E3.6f.2)
• ตรวจสอบความสัมพันธ์กำลังระหว่างเสาและคาน                            (AISC 358 Section 8.4)
• ตรวจสอบรอยเชื่อมปีกคานกับปีกเสา                           (AISC 358 Section 8.5)
• ตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตของรูเข้าถึงรอยเชื่อม                                         (AWS D1.8/D1.8M)
• ตรวจสอบการเชื่อมต่อเว็บคานกับเสา                               (AISC 358 Section 8.6)

สรุปผลการตรวจสอบตามมาตรฐาน AISC 358 (2016) ของชิ้นทดสอบทั้งหกแสดงไว้ในตารางที่ 3.3 รายละเอียดของการคำนวณและการตรวจสอบการออกแบบมีอยู่ในภาคผนวก E และ F 

ตารางที่ 3.3: การตรวจสอบตามมาตรฐาน AISC 358 (2016) สำหรับชิ้นทดสอบ

สมมติว่าบานพับพลาสติกเกิดขึ้นที่หน้าเสาตามหัวข้อ 8.7 ใน AISC 358 (2016) กำลังรับโมเมนต์ของคานที่ตำแหน่งบานพับพลาสติก \(M_{by@ph}\) สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการที่ 3.1

 \(M_{by@ph}\) = \(F_{yb}Z_{bx}\)                                                                                                (3.1)

โดยที่ \(F_{yb}\) คือความเค้นจุดครากของคาน \(Z_{bx}\) คือโมดูลัสหน้าตัดพลาสติกของคาน กำลังรับโมเมนต์พลาสติกของชิ้นทดสอบได้รับการคำนวณและแสดงไว้ในตารางที่ 3.4

ตารางที่ 3.4: กำลังรับโมเมนต์พลาสติกของชิ้นทดสอบที่คำนวณตามกระบวนการออกแบบ AISC

3.4 การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa

ชิ้นทดสอบทั้งหกที่เลือกถูกสร้างแบบจำลองใน IDEA StatiCa โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อจำลองพฤติกรรมของการทดลอง กำลังรับโมเมนต์และรูปแบบการวิบัติถูกระบุโดยใช้ประเภทการวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด (คือ EPS) คุณสมบัติวัสดุที่วัดได้ตามที่ระบุใน Ricles et al. (2000) (ดูตารางที่ 3.2) ถูกนำเข้าสู่ซอฟต์แวร์ และตัวประกอบความต้านทานถูกกำหนดเป็น 1.0 โดยใช้ประเภทการวิเคราะห์ความแข็งของการเชื่อมต่อ (คือ ST) ใน IDEA StatiCa ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนได้รับการคำนวณสำหรับแบบจำลองพื้นฐาน

3.4.1 การวิเคราะห์แบบจำลองพื้นฐาน

แบบจำลอง IDEA StatiCa ถูกพัฒนาสำหรับแบบจำลองพื้นฐาน คุณสมบัติวัสดุที่วัดได้ถูกนำเข้า และสัมประสิทธิ์ความต้านทานเกิน \(R_{y}\) และ \(R_{t}\) ถูกกำหนดเท่ากับ 1.0 (ดูรูปที่ 3.11) นอกจากนี้ ตัวประกอบความต้านทาน LRFD ทั้งหมดถูกกำหนดเป็น 1.0 เพื่อเปรียบเทียบการตอบสนองจริงที่คำนวณได้ของการเชื่อมต่อกับที่วัดได้ในระหว่างการทดลองในห้องปฏิบัติการ (Ricles et al., 2000) เพื่อหาแรงที่แนวกึ่งกลางเสา ได้พัฒนาแบบจำลองโครงสร้างคาน-เสาใน SAP2000 โดยใช้ความยาวของเสาและคานในการจัดเตรียมการทดสอบ ใช้จุดรองรับแบบหมุนได้ที่ด้านล่างของเสาและจุดรองรับแบบลูกกลิ้งที่ปลายคาน

เพื่อคำนวณกำลังรับโมเมนต์ของแบบจำลองพื้นฐาน ได้ใช้การโหลดแบบเพิ่มทีละน้อยโดยใช้การวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด (คือ EPS) พร้อมตัวเลือก "loads in equilibrium" ในแบบจำลอง IDEA StatiCa จนกว่าจะบรรลุเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่งดังต่อไปนี้:

1. ความเครียดพลาสติก 5% ในแผ่นเหล็ก
2. กำลังรับแรง 100% ในสลักเกลียว
3. กำลังรับแรง 100% ในรอยเชื่อม

รอยเชื่อมระหว่างแผ่นรับแรงเฉือนและปีกเสาถึงกำลังรับแรงเมื่อค่าแรงเฉือนและโมเมนต์ที่สอดคล้องกันเท่ากับ 167.70 kips และ 29,700 kips-in. ตามลำดับ (รูปที่ 3.11) โดยใช้การวิเคราะห์ "ST" ได้รับความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนและแสดงไว้ในรูปที่ 3.12

รูปที่ 3.11: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับแบบจำลองพื้นฐาน

รูปที่ 3.12: ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนสำหรับแบบจำลองพื้นฐาน

3.4.2 การวิเคราะห์ชิ้นทดสอบแบบแปรผัน

การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa ดำเนินการสำหรับชิ้นทดสอบ T5 ตามขั้นตอนที่อธิบายไว้สำหรับแบบจำลองพื้นฐาน พบว่าเว็บคานถึงความเครียดพลาสติก 5% เมื่อแรงเฉือนและโมเมนต์ที่สอดคล้องกันเท่ากับ 205.70 kips และ 36,420  kips-in. ตามลำดับ (รูปที่ 3.13)

รูปที่ 3.13: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ T5

ชิ้นทดสอบ C1 ถูกสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์ใน IDEA StatiCa ตามขั้นตอนเดียวกัน พบว่าเว็บคานถึงความเครียดพลาสติก 5% เมื่อแรงเฉือนและโมเมนต์ที่สอดคล้องกันเท่ากับ 212.60 kips และ 37,650  kips-in. ตามลำดับ (รูปที่ 3.14)

รูปที่ 3.14: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C1

ตามขั้นตอนเดียวกันที่อธิบายไว้ในหัวข้อนี้ ได้ดำเนินการวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C2 พบว่าเว็บคานถึงความเครียดพลาสติก 5% เมื่อแรงเฉือนและโมเมนต์ที่สอดคล้องกันเท่ากับ 212.60 kips และ 37,650 kips-in. ตามลำดับ (รูปที่ 3.15)

รูปที่ 3.15: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C2

ตามขั้นตอนเดียวกัน ได้ดำเนินการวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C3 พบว่าเว็บคานถึงความเครียดพลาสติก 5% เมื่อแรงเฉือนและโมเมนต์ที่สอดคล้องกันเท่ากับ 213.20 kips และ 37,750 kips-in. ตามลำดับ (รูปที่ 3.16)

รูปที่ 3.16: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C3

ตามขั้นตอนเดียวกัน ได้ดำเนินการวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C4 พบว่าเว็บคานถึงความเครียดพลาสติก 5% เมื่อแรงเฉือนและโมเมนต์ที่สอดคล้องกันเท่ากับ 213.60 kips และ 37,820 kips-in. ตามลำดับ (รูปที่ 3.17)

รูปที่ 3.17: แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับชิ้นทดสอบ C4

ชิ้นทดสอบทั้งหกถูกวิเคราะห์โดยใช้ IDEA StatiCa และกำลังรับโมเมนต์ที่แนวกึ่งกลางเสาได้รับการคำนวณโดยจำลองสภาวะการทดสอบ เพื่อเปรียบเทียบกำลังรับโมเมนต์กับที่คำนวณตามขั้นตอน AISC 358 กำลังรับโมเมนต์ที่หน้าเสาได้รับการคำนวณโดยใช้สมการที่ 3.6 และแสดงไว้ในตารางที่ 3.5

        \(M_{y@foc}\) = \(M_{y@cc} + V\frac{d_{c}}{2}\)                                                                                         (3.6)

โดยที่ \(M_{y@foc}\) คือกำลังรับโมเมนต์ที่หน้าเสา \(M_{y@cc}\) คือกำลังรับโมเมนต์ที่แนวกึ่งกลางเสา \(V\) คือแรงเฉือน และ \(d_{c}\) คือความลึกของเสา

ตารางที่ 3.5: กำลังรับโมเมนต์ที่คำนวณโดย IDEA StatiCa

3.5. การวิเคราะห์ด้วย ABAQUS

ในหัวข้อนี้ แบบจำลองพื้นฐานที่พัฒนาในหัวข้อ 3.4.1 ถูกสร้างขึ้นใหม่โดยใช้ซอฟต์แวร์ ABAQUS (เวอร์ชัน 2022) สำหรับการวิเคราะห์ FE และผลลัพธ์ถูกเปรียบเทียบกับ IDEA StatiCa แบบจำลอง CAD สำหรับการวิเคราะห์ FE ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แพลตฟอร์ม viewer ของ IDEA StatiCa จากนั้นสลักเกลียวสองตัวและแนวเชื่อม 5 เส้น (คือ ระหว่างเว็บแผ่นรับแรงเฉือน-คานและแผ่นรับแรงเฉือน-ปีกเสา) ถูกเพิ่มด้วยตนเองในชุดประกอบโดยใช้อินเทอร์เฟซ CAD ใน ABAQUS แรงในแนวดิ่ง 182.2 kips และโมเมนต์ที่สอดคล้องกัน 32,270 kips-in. (รอบแกน Y) ถูกกระทำที่จุดอ้างอิงที่กำหนด (คือ RF₁) ที่แนวกึ่งกลางเสาดังแสดงในรูปที่ 3.18 ความยาวเชิงวิเคราะห์ของเสาใน IDEA StatiCa คือ 215.45 นิ้ว ดังนั้น เพื่อจำลองความยาวเสาที่เหมือนกันใน ABAQUS จึงได้นำจุดอ้างอิงอีกสองจุด (คือ RF₂ และ RF₃) มาวางห่างออกไป 107.725 นิ้วจากศูนย์กลางเสาตามแนวแกน Z ในทั้งสองทิศทาง (ดูรูปที่ 3.18) จุดอ้างอิงทั้งสองนี้ถูกยึดตรึงในทุกทิศทางและเชื่อมต่อกับหน้าบนและหน้าล่างของเสาโดยใช้โมดูล connector builder ใน ABAQUS ใน ABAQUS ขนาดของ element ถูกเลือกให้อยู่ระหว่าง 0.1–0.25 นิ้ว หลังจากการวิเคราะห์ความไวของตาข่าย และมีการสร้าง element ทั้งหมด 240,417 element ชนิด element ที่เลือกคือ 3D stress, 8-node linear brick reduced integration (คือ C3D8R)

รูปที่ 3.18: การตั้งค่าแบบจำลองใน ABAQUS

ข้อจำกัดแบบ tie ถูกใช้ระหว่างแนวเชื่อมและชิ้นส่วนที่ยึดติด พฤติกรรมของวัสดุถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้ความเป็นพลาสติกแบบ bi-linear ใน ABAQUS พารามิเตอร์อื่นๆ รวมถึงความหนาแน่น โมดูลัสยืดหยุ่น และอัตราส่วนปัวซอง ถูกนำมาจากคลังวัสดุของ IDEA StatiCa การจำลองเชิงตัวเลขดำเนินการบนโปรเซสเซอร์สี่ตัว (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz) และใช้เวลาประมาณ 155 นาทีในการเสร็จสิ้น รูปที่ 3.19 เปรียบเทียบความเค้น von-Mises ที่คาดการณ์ระหว่าง IDEA StatiCa และ ABAQUS

รูปที่ 3.19: การเปรียบเทียบความเค้น von Mises ที่คำนวณได้ระหว่างแบบจำลอง IDEA StatiCa และ ABAQUS

ความเค้นสูงสุดที่คาดการณ์ใน IDEA StatiCa คือ 55.90 ksi ที่ปีกบนของคาน (โปรดทราบว่าตำนานของ IDEA StatiCa แสดงข้อมูลการออกแบบ) ในขณะที่แบบจำลอง ABAQUS แสดงความเค้นสูงสุด 56.5 ksi ที่ตำแหน่งเดียวกัน ความเค้นสูงสุด 57 ksi ในตำนานของ ABAQUS เป็นของแนวเชื่อมยาวด้านหน้าที่เชื่อมแผ่นรับแรงเฉือนกับเสา การกระจายความเค้นที่แตกต่างกันเล็กน้อยน่าจะเกิดจากการพิจารณาความยาวของเสาใน ABAQUS และวิธีการกำหนดเงื่อนไขขอบเขต การใช้ตาข่ายที่ละเอียดกว่าในการวิเคราะห์ FE และแบบจำลอง CAD ที่ลดความซับซ้อนใน IDEA StatiCa โปรดทราบว่าผู้เขียนได้ดำเนินการวิเคราะห์ความไวของตาข่ายตามปกติสำหรับแบบจำลอง IDEA StatiCa ด้วยเช่นกัน และพบความไม่สอดคล้องกันบางประการในผลลัพธ์

รูปที่ 3.20: การเปรียบเทียบความเครียดพลาสติกที่คำนวณได้ระหว่างแบบจำลอง IDEA StatiCa และ ABAQUS

ความเครียดพลาสติกสูงสุดที่คำนวณได้ใน IDEA StatiCa และ ABAQUS คือ 10.8% และ 11% ตามลำดับ (ทั้งคู่อยู่ที่แนวเชื่อมด้านหน้าที่เชื่อมแผ่นรับแรงเฉือนกับเสา) นอกจากนี้ บริเวณการเสียรูปพลาสติกที่คาดการณ์โดย IDEA StatiCa สอดคล้องกับแผนที่การครากที่คำนวณได้ใน ABAQUS (คือ แถวล่างในรูปที่ 3.20) รูปที่ 3.21 แสดงการเปรียบเทียบเส้นโค้งโมเมนต์-การหมุนระหว่างซอฟต์แวร์ทั้งสองโดยอ้างอิงที่แนวกึ่งกลางเสา โปรดทราบว่าในรูปที่ 3.21 เพื่อให้ได้การหมุนรวมโดย IDEA StatiCa (แสดงด้วยเส้นประสีส้ม) การหมุนของคานเชิงเส้นที่แนวกึ่งกลางเสาได้รับการคำนวณโดยใช้ SAP2000 และนำมาบวกกับเส้นโค้งการหมุนพลาสติกเริ่มต้นที่รายงานโดย IDEA StatiCa (แสดงด้วยเส้นทึบสีส้ม) ทั้งสองแบบจำลองให้การประมาณความแข็งเริ่มต้นที่ใกล้เคียงกัน ความแตกต่างเล็กน้อยอาจเกี่ยวข้องกับความแตกต่างในชนิดของ element (คือ solid element ใน ABAQUS เทียบกับ shell element ใน IDEA StatiCa) และการใช้ข้อจำกัดแบบ tie ใน ABAQUS เพื่อแทนรอยเชื่อม

รูปที่ 3.21: การเปรียบเทียบโมเมนต์-การหมุนระหว่าง IDEA StatiCa และ ABAQUS

3.6 สรุปและการเปรียบเทียบผลลัพธ์

การสังเกตเชิงทดลองระบุว่าแบบจำลองพื้นฐานวิบัติเนื่องจากการแตกหักที่เกิดขึ้นในรอยเชื่อมระหว่างเว็บคานและปีกเสา ในทำนองเดียวกัน การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa ระบุว่ารอยเชื่อมระหว่างแผ่นรับแรงเฉือนและปีกเสาวิบัติ นอกจากนี้ การตรวจสอบตามมาตรฐาน AISC แสดงให้เห็นว่ารอยเชื่อมนี้ไม่เป็นไปตามข้อจำกัดการเชื่อมต่อเว็บคานกับเสาที่ระบุไว้ในหัวข้อ 8.6 ใน AISC 358 (2016) (ดูตารางที่ 3.3) ความสัมพันธ์โมเมนต์-การหมุนพลาสติกที่วัดได้ในระหว่างการทดลองและคำนวณโดยใช้การวิเคราะห์ IDEA StatiCa สำหรับแบบจำลองพื้นฐานถูกเปรียบเทียบในรูปที่ 3.22 กำลังรับโมเมนต์ที่คำนวณตามขั้นตอน AISC ที่หน้าเสาถูกแปลงไปยังแนวกึ่งกลางเสาโดยใช้สมการที่ 3.6 เนื่องจากการเปรียบเทียบโมเมนต์-การหมุนดำเนินการที่แนวกึ่งกลางเสา และแสดงไว้ในกราฟเดียวกันกับที่คำนวณโดยการวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียดของ IDEA StatiCa (รูปที่ 3.5)

รูปที่ 3.22: การเปรียบเทียบโมเมนต์-การหมุน

เกี่ยวกับชิ้นทดสอบแบบแปรผัน (ดูหัวข้อ 3.2) พบในการศึกษาเชิงทดลอง (Ricles et al., 2000) ว่าชิ้นทดสอบวิบัติเนื่องจากการโก่งเดาะเฉพาะที่อย่างรุนแรงและการแตกหักที่ปีกคาน (รูปที่ 3.6 ถึง 3.10) ในทำนองเดียวกัน การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa แสดงให้เห็นว่าชิ้นทดสอบ T5, C1, C2, C3 และ C4 ถึงกำลังรับแรงที่เว็บคานซึ่งถึงขีดจำกัดความเครียดพลาสติก 5% (รูปที่ 3.13 ถึง 3.17) ในทางกลับกัน จากการตรวจสอบตามมาตรฐาน AISC คาดว่าการวิบัติจะเกิดขึ้นที่คาน แม้ว่าการตรวจสอบบางรายการจะไม่เป็นไปตามข้อกำหนดอย่างครบถ้วน (เช่น แผ่นต่อเนื่องและรูเข้าถึงรอยเชื่อมในตารางที่ 3.3) ทั้งนี้เนื่องจากความแตกต่างเล็กน้อยในข้อกำหนดทางเรขาคณิต กำลังรับโมเมนต์ของชิ้นทดสอบทั้งหมดที่คำนวณโดยใช้ IDEA StatiCa (ตารางที่ 3.5) และตามขั้นตอน AISC (ตารางที่ 3.4) แสดงไว้ในรูปที่ 3.23

กำลังรับโมเมนต์ทั้งหมดที่คำนวณจาก IDEA StatiCa (โดยใช้คุณสมบัติจริงหรือที่วัดได้) มีค่ามากกว่าที่คำนวณจาก AISC ประมาณ 8% ยกเว้นแบบจำลองพื้นฐาน ซึ่งเป็นเรื่องสมเหตุสมผลเนื่องจากกำลังรับโมเมนต์ตาม AISC \(M_{p}\) อ้างอิงจากสมมติฐานการออกแบบที่กำหนดให้ตำแหน่งบานพับพลาสติกอยู่ที่หน้าเสาตามหัวข้อ 8.7 ใน AISC 358 (2016) ในทางกลับกัน FEMA (2000) แนะนำให้กำหนดตำแหน่งบานพับพลาสติกห่างจากหน้าเสาเป็นระยะครึ่งหนึ่งของความลึกคานสำหรับการเชื่อมต่อโมเมนต์ WUF-W หากสมมติว่าตำแหน่งบานพับพลาสติกอยู่ห่างจากหน้าเสาในระยะหนึ่ง ควรพิจารณาโมเมนต์เพิ่มเติมที่เกิดจากแรงเฉือนจากบานพับพลาสติกถึงหน้าเสาด้วย ซึ่งจะทำให้คำนวณได้กำลังรับโมเมนต์ที่มากขึ้น ความแตกต่างระหว่างกำลังรับโมเมนต์ที่คำนวณตามขั้นตอนการออกแบบ AISC และโดยใช้ IDEA StatiCa สามารถอธิบายได้จากสมมติฐานที่อนุรักษ์นิยมของ AISC 358 สำหรับตำแหน่งบานพับพลาสติกของการเชื่อมต่อโมเมนต์ WUF-W 

รูปที่ 3.23: กำลังรับโมเมนต์ที่คำนวณโดย IDEA StatiCa และขั้นตอน AISC

อ่านการศึกษาฉบับเต็มเกี่ยวกับการเชื่อมต่อที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า!

เอกสารอ้างอิง

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.

Ricles, J.M., Mao, C., Lu, L.W. and Fisher, J.W. (2000), "Development and Evaluation of Improved Details for Ductile Welded Unreinforced Flange Connections," Report No. SAC/BD-00-24, SAC Joint Venture, Sacramento, CA.

FEMA (2000), Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings, FEMA 350, Federal Emergency Management Agency, Washington, DC.