Tác giả:
- Baris Kasapoglu, Nghiên cứu sinh Tiến sĩ (Khoa Kỹ thuật Dân dụng, Môi trường và Trắc địa)
- Rafael Arthur Giorjao, Tiến sĩ (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu)
- Ali Nassiri, Tiến sĩ (Khoa Kỹ thuật Hệ thống Tích hợp)
- Halil Sezen, Tiến sĩ (Khoa Kỹ thuật Dân dụng, Môi trường và Trắc địa)
Tháng 6 năm 2021
Giới thiệu
Trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu và dân dụng, việc hiểu rõ ứng xử kết cấu và tính toàn vẹn của công trình là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Tuy nhiên, việc phân tích và xác định ứng xử của một kết cấu phức tạp khi chịu nhiều điều kiện tải trọng khác nhau bằng các phương pháp giải tích thông thường là một thách thức lớn. Do đó, Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là một công cụ hữu ích để mô hình hóa số các kết cấu vật lý quá phức tạp đối với các phương pháp giải tích. Mục tiêu bao quát của báo cáo này là đánh giá kết quả FEA thu được từ gói phần mềm IDEA StatiCa cho ba nhóm liên kết thép phổ biến được sử dụng tại Hoa Kỳ (tức là liên kết đơn giản, bán cứng và ngàm cứng), và so sánh với dữ liệu thực nghiệm hiện có cũng như kết quả tính toán từ phần mềm FEA khác là ABAQUS. Phản ứng của nút liên kết dầm-cột thu được từ phần mềm IDEA StatiCa sau đó được so sánh với các tính toán thiết kế thực hiện theo yêu cầu của AISC 360, Tiêu chuẩn cho Công trình Thép Kết cấu (2016) và Sổ tay Thi công Thép AISC (2017).
Báo cáo này gồm bốn chương. Trong Chương 1–3, một thiết kế liên kết đã được xác nhận bằng thực nghiệm được chọn từ tài liệu tham khảo cho mỗi loại liên kết làm mô hình cơ sở. Các kiểm tra thiết kế theo tiêu chuẩn và tính toán được thực hiện theo các tiêu chuẩn xây dựng Hoa Kỳ cho từng mô hình cơ sở và mười biến thể của nó. Sau đó, kết quả được so sánh với dự đoán của IDEA StatiCa. Ngoài ra, kết quả FEA từ IDEA StatiCa được so sánh với kết quả từ ABAQUS. Tất cả các bước cần thiết và chi tiết của tất cả các kiểm tra hình học và thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế AISC được đưa vào phần phụ lục. Chương cuối chứa đánh giá tổng thể về phần mềm IDEA StatiCa về độ chính xác và khả năng tương thích với các yêu cầu của tiêu chuẩn xây dựng Hoa Kỳ đối với liên kết thép.
1 LIÊN KẾT ĐƠN GIẢN
Trong nghiên cứu này, khả năng chịu lực thiết kế của mười mẫu liên kết khớp được tính toán theo yêu cầu của AISC 360 (2016) và Sổ tay Thi công AISC (2017). Bốn mẫu thử nghiệm được chọn từ nghiên cứu thực nghiệm của McMullin và Astaneh (1988) tại Khoa Kỹ thuật Dân dụng, Đại học California, Berkeley. Sáu mô hình bổ sung được phát triển cho mục đích xác minh bằng cách điều chỉnh các thông số dựa trên các mẫu thử nghiệm hiện có. Sau đó, mô hình cơ sở được phân tích bằng ABAQUS (2020) và IDEA StatiCa (Phiên bản 20.1.3471.1) và kết quả được so sánh.
Nghiên cứu thực nghiệm
Bảy mẫu liên kết dầm-cột thép quy mô thực đã được thử nghiệm và kết quả được trình bày trong McMullin và Astaneh (1988). Mỗi mẫu liên kết được bu lông vào dầm và hàn vào cột bằng các tiết diện thép góc đôi. Mục tiêu chính của các thử nghiệm này là chỉ tác dụng lực cắt vào liên kết với mô men uốn rất nhỏ. Để đạt được mục tiêu này, kích thủy lực gần liên kết tác dụng lực cắt. Kích thủy lực gần đầu mút công xôn nhằm giữ dầm nằm ngang và hạn chế góc xoay (uốn) của liên kết.
Sơ đồ thiết bị đo lường sử dụng trong thí nghiệm (McMullin và Astaneh, 1988)
Tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn và so sánh
Khả năng chịu lực thiết kế (Rn) của các liên kết được tính toán theo yêu cầu của Tiêu chuẩn AISC cho Công trình Thép Kết cấu (AISC 360, 2016) và Sổ tay Thi công Thép AISC (AISC Manual, 2017). Cường độ danh nghĩa, Rn, và hệ số sức kháng tương ứng, , cho mỗi trạng thái giới hạn thiết kế liên kết theo phương pháp thiết kế tải trọng và sức kháng có hệ số (LRFD) được quy định trong Chương J của AISC 360. Mười ba kiểm tra thiết kế sau đây được thực hiện theo các phương trình thiết kế LRFD trong AISC 360 hoặc AISC Manual.
- Kiểm tra cắt bu lông (Eq. J3-1, AISC 360-16)
- Kiểm tra kéo bu lông (Eq. J3-1, AISC 360-16)
- Ép mặt bu lông lên dầm (AISC 360-16, Eq. J3-6a)
- Xé rách bu lông trên dầm (AISC 360-16, Eq. J3-6c)
- Ép mặt bu lông lên thép góc (AISC 360-16, Eq. J3-6a)
- Xé rách bu lông trên thép góc (AISC 360-16, Eq. J3-6c)
- Đứt cắt trên thép góc (phía dầm) (AISC 360-16, Eq. J4-4)
- Cắt khối trên thép góc (phía dầm) (AISC 360-16, Eq. J4-5)
- Chảy dẻo cắt trên thép góc (AISC 360-16, Eq. J4-3)
- Chảy dẻo cắt trên dầm (AISC 360-16, Eq. J4-3)
- Đứt mối hàn trên thép góc (phía gối đỡ) (Trang 9-5, AISC Manual)
- Khả năng chịu lực mối hàn (Trang 10–11, AISC Manual)
- Khả năng chịu lực mối hàn (không có độ lệch tâm) (AISC 360-16, Eq. J4-2)
Phân tích IDEA StatiCa
IDEA StatiCa kiểm tra bốn kịch bản phá hoại khác nhau của loại liên kết thép này: (1) phá hoại bản thép, (2) phá hoại bu lông, (3) phá hoại mối hàn, và (4) oằn. Bốn mẫu thử nghiệm được chọn (Bảng 1.4) và sáu mô hình bổ sung (Bảng 1.6) được mô hình hóa trong IDEA StatiCa và phân tích dưới tác dụng của lực cắt, như thể hiện trong Hình 1.9. Trong phần mềm, vị trí của lực cắt có thể được chọn tùy ý. Hai vị trí lực cắt được khảo sát: (1) tại bu lông, và (2) tại mặt cột.
So sánh khả năng chịu cắt: Bốn mẫu thử nghiệm
| Khả năng chịu lực | Mẫu thử số 4 | Mẫu thử số 5 | Mẫu thử số 6 | Mẫu thử số 9 |
| Khả năng chịu lực theo IDEA StatiCa - lực tác dụng tại bu lông (kips) | 130,2 | 73,4 | 31,3 | 61,3 |
| Khả năng chịu lực theo AISC Manual - lực tác dụng tại bu lông (kips) | 186,8 | 114,6 | 48,1 | 126,6 |
| Khả năng chịu lực theo IDEA StatiCa - lực tác dụng tại mối hàn (kips) | 216,6 | 145,4 | 74,8 | 168,0 |
| Khả năng chịu lực theo AISC 360-16 Eq. J2.4 - lực tác dụng tại mối hàn (kips) | 228,3 | 161,5 | 94,7 | 201,9 |
| Lực cắt cực hạn đo được trong thí nghiệm (kips) | 230 | 205 | 117 | 192 |
So sánh khả năng chịu cắt: sáu mô hình bổ sung
| Khả năng chịu lực | Mô hình 1 | Mô hình 2 | Mô hình 3 | Mô hình 4 | Mô hình 5 | Mô hình 6 |
| Khả năng chịu lực theo IDEA StatiCa - lực tác dụng tại bu lông (kips) | 127,3 | 200,1 | 129,1 | 130,2 | 132,3 | 127,9 |
| Khả năng chịu lực theo AISC Manual - lực tác dụng tại bu lông (kips) | 233,5 | 186,8 | 139,9 | 186,8 | 186,8 | 214,4 |
| Khả năng chịu lực theo IDEA StatiCa - lực tác dụng tại mối hàn (kips) | 229,0 | 226,7 | 136,0 | 216,5 | 213,3 | 234,1 |
| Khả năng chịu lực theo AISC 360-16 Eq. J2.4 - lực tác dụng tại mối hàn (kips) | 285,4 | 228,1 | 139,9 | 228,1 | 228,1 | 285,4 |
Tóm tắt và so sánh kết quả
Hai khả năng chịu lực mối hàn khác nhau được tính toán cho mỗi mẫu thử nghiệm theo yêu cầu thiết kế LRFD của AISC. Đối với bốn mẫu thử nghiệm tương tự, hai khả năng chịu lực mối hàn khác nhau được tính toán từ các mô hình IDEA StatiCa bằng cách tác dụng lực cắt tại các vị trí khác nhau. Trong tất cả các kịch bản tải trọng, bộ phận yếu nhất của các liên kết được xác định là mối hàn. Khả năng chịu lực nhỏ nhất hoặc khống chế tương ứng với khả năng chịu lực mối hàn được trình bày và so sánh với khả năng chịu cắt mối hàn cực hạn đo được trong thí nghiệm.
Khả năng chịu lực mối hàn của các mẫu thử nghiệm được tính toán theo hai cách khác nhau dựa trên yêu cầu tiêu chuẩn LRFD của AISC (AISC 360-16 và AISC Manual, 2017). Đối với Mẫu thử số 4, nếu áp dụng Phương trình J2.4 trong AISC 360-16, khả năng chịu lực thiết kế mối hàn của mẫu được tính là 228,3 kips. Trong cách tính này, không xét đến độ lệch tâm. Để so sánh cách tiếp cận này với phân tích IDEA StatiCa, lực cắt thẳng đứng được tác dụng tại mối hàn (song song với đường hàn) và khả năng chịu lực mối hàn của mẫu này được tính là 216,6 kips, rất gần với giá trị tính theo Phương trình J2.4 trong AISC 360-16 (228,3 kips).
Khi lực cắt được tác dụng tại bu lông (lực thẳng đứng bên ngoài song song với hàng bu lông) trong mô hình IDEA StatiCa, khả năng chịu lực của liên kết được tính là 130,2 kips. Nếu khả năng chịu lực mối hàn được tính theo phương trình cường độ mối hàn LRFD (Trang 10-11 của Sổ tay Thi công AISC, 2017), có xét đến độ lệch tâm của tải trọng ở phía gối đỡ, khả năng chịu lực mối hàn của mẫu được tính là 186,8 kips. Tuy nhiên, theo hướng thiên về an toàn, phương trình LRFD của AISC này không xét đến độ lệch tâm phát sinh từ khoảng cách giữa bu lông và mối hàn. Giả thiết này được cho là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt giữa kết quả tính từ IDEA StatiCa và phương trình cường độ LRFD trong AISC Manual (2017).
So sánh kết quả IDEA StatiCa và ABAQUS
Nhìn chung, có sự phù hợp tốt giữa kết quả của hai gói phần mềm. Trong trường hợp 1, khi tải trọng được tác dụng tại trọng tâm nhóm bu lông, biến dạng lớn hơn được quan sát thấy trên các thép góc đôi trong mô hình ABAQUS. Ngoài ra, ứng suất cực đại dự đoán trên dầm, cột và đường hàn cao hơn một chút trong mô hình ABAQUS. Bên cạnh đó, phân bố ứng suất trên dầm trong mô hình ABAQUS cũng có sự khác biệt nhỏ. Trong khi việc tác dụng tải trọng lên nhóm bu lông không phổ biến trong phần mềm phần tử hữu hạn truyền thống, sự khác biệt này có thể liên quan đến các công thức tiếp xúc hoặc loại phần tử khác nhau (tức là phần tử khối trong ABAQUS so với phần tử vỏ trong IDEA StatiCa). Ngoài ra, do bản chất của ràng buộc liên kết cứng, ứng suất lớn hơn được thu được trên cột trong mô hình ABAQUS. Trong trường hợp 2, khi tải trọng được tác dụng tại đường hàn, sự phù hợp tốt hơn nhiều được quan sát thấy giữa hai mô hình. Trong cả hai mô hình, bộ phận yếu nhất của các liên kết được xác định là đường hàn. Điều này cũng nhất quán với các kiểm tra thiết kế theo tiêu chuẩn LRFD.
Ứng suất von Mises dự đoán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS; trường hợp 1 (hàng trên): tải trọng cắt được tác dụng tại trọng tâm nhóm bu lông, và trường hợp 2 (hàng dưới): tải trọng cắt được tác dụng tại đường hàn
2 LIÊN KẾT BÁN CỨNG
Trong chương này, khả năng chịu lực thiết kế của mười mẫu liên kết bán cứng được tính toán theo yêu cầu của AISC 360 (2016) và Sổ tay Thi công AISC (2017). Các mẫu này được chọn từ nghiên cứu thực nghiệm của Azizinamini và cộng sự (1985) tại Khoa Kỹ thuật Dân dụng, Đại học Nam Carolina. Tất cả các mẫu được phân tích bằng IDEA StatiCa trong khi một trong số đó được phân tích bằng ABAQUS (2020). Sau đó, kết quả được so sánh.
Nghiên cứu thực nghiệm về liên kết bán cứng
Một số liên kết bán cứng gồm thép góc đôi và thép góc cánh dầm trên và dưới được chịu tải trọng tĩnh và tải trọng chu kỳ để khảo sát ứng xử mô men - góc xoay. Một cặp mẫu được thử nghiệm cùng một lúc như thể hiện trong Hình 2.1. Một phía của các tiết diện dầm được bu lông vào cột và phía kia được đỡ bằng gối con lăn. Chuyển vị thẳng đứng của đoạn cột ngắn được cho phép bởi các con lăn dẫn hướng gắn vào đỉnh và đáy cột. Kích thủy lực được sử dụng để tác dụng tải trọng lên cột và liên kết truyền tải trọng sang các dầm.
Sơ đồ thí nghiệm của Azizinamini và cộng sự (1985)
Tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn và so sánh
Khả năng chịu lực thiết kế (Rn) của các liên kết được tính toán theo yêu cầu của AISC 360 (2016) và AISC Manual (2017). Cường độ danh nghĩa, Rn, và hệ số sức kháng tương ứng, cho mỗi trạng thái giới hạn LRFD thiết kế liên kết được quy định trong Chương J của AISC 360. Giả thiết rằng thép góc trên và dưới cung cấp khả năng chịu mô men, và thép góc bụng đôi được sử dụng để chịu lực cắt cho liên kết theo hướng thiên về an toàn.
Khả năng chịu lực thiết kế của thép góc bụng đôi
Mười bốn kiểm tra thiết kế sau đây được thực hiện theo các phương trình thiết kế LRFD trong AISC 360 hoặc AISC Manual cho khả năng chịu lực thiết kế của thép góc bụng đôi.
- Thép góc (phía dầm)
- Cắt bu lông Eq. J3-1, AISC 360-16
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Chảy dẻo cắt Eq. J4-3, AISC 360-16
- Đứt cắt Eq. J4-4, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Thép góc (phía cột)
- Cắt bu lông Eq. J3-1, AISC 360-16
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Chảy dẻo cắt Eq. J4-3, AISC 360-16
- Đứt cắt Eq. J4-4, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Khả năng chịu kéo kết quả do lực bẩy Phần 9, AISC Manual
- Dầm
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Chảy dẻo cắt Eq. J4-3, AISC 360-16
- Cột
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
Khả năng chịu lực thiết kế của hai thép góc bụng đôi (trong các mẫu 14S1 và 14S2) bị khống chế bởi cắt khối của bu lông trên thép góc gắn vào dầm, trong khi ép mặt và xé rách bu lông trên dầm khống chế khả năng chịu lực cắt thiết kế của tám mẫu còn lại.
Khả năng chịu lực thiết kế của thép góc gối trên và dưới
Mười sáu kiểm tra thiết kế sau đây được thực hiện theo các phương trình LRFD trong AISC 360 hoặc AISC Manual cho khả năng chịu lực thiết kế của thép góc trên và gối.
- Thép góc trên và gối (phía dầm)
- Chảy dẻo kéo Eq. J4-1, AISC 360-16
- Đứt kéo Eq. J4-2, AISC 360-16
- Lực nén Sec. J4.4, AISC 360-16
- Cắt bu lông Eq. J3-1, AISC 360-16
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Thép góc trên và gối (phía cột)
- Chảy dẻo cắt Eq. J4-3, AISC 360-16
- Đứt cắt Eq. J4-4, AISC 360-16
- Khả năng chịu kéo do lực bẩy Trang 9-10, AISC Manual
- Dầm
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Khả năng chịu uốn Sec. F13.1, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Cột
- Cắt bụng tấm Eq. J10-9, AISC 360-16
- Uốn cục bộ cánh Eq. J10-1, AISC 360-16
- Chảy dẻo cục bộ bụng Eq. J10-2, AISC 360-16
- Oằn cục bộ bụng Eq. J10-4, AISC 360-16
Khả năng chịu lực thiết kế của tất cả thép góc trên và gối bị khống chế bởi khả năng chịu kéo do lực bẩy ở phía bu lông gắn vào cột. Khả năng chịu lực thiết kế của tất cả thép góc trên và gối bị khống chế bởi khả năng chịu kéo do lực bẩy.
Phân tích IDEA StatiCa
Mười mẫu thử nghiệm được mô hình hóa trong IDEA StatiCa và phân tích dưới tác dụng của lực cắt tác dụng tại một khoảng cách nhất định so với cột. Khoảng cách được chọn bằng khoảng cách giữa trục cột và gối đỡ dầm. Gối đỡ dầm được giả thiết cách trục cột 120 in. đối với bốn mẫu đầu tiên, trong khi là 72 in. đối với sáu mẫu còn lại. Tất cả các mẫu đều bị phá hoại do thép góc trên gắn vào cột vượt quá giới hạn biến dạng dẻo được phần mềm định nghĩa là 5%.
Biểu đồ mô men - góc xoay cùng với khả năng chịu lực xác định theo tính toán truyền thống AISC (màu xanh) và IDEA StatiCa (màu cam) được thể hiện trong các hình sau.
Quan hệ mô men - góc xoay của Mẫu thử số: 14S1 (trái) và 14S2 (phải)
Quan hệ mô men - góc xoay của Mẫu thử số: 14S3 (trái) và 14S4 (phải)
Quan hệ mô men - góc xoay của Mẫu thử số: 8S1 (trái) và 8S2 (phải)
Quan hệ mô men - góc xoay của Mẫu thử số: 8S3 (trái) và 8S4 (phải)
Quan hệ mô men - góc xoay của Mẫu thử số: 8S5 (trái) và 8S6 (phải)
Phân tích ABAQUS
Trong phần này, kết quả đầu ra từ IDEA StatiCa được so sánh với kết quả từ gói phần mềm ABAQUS (2020). Trong nghiên cứu này, mẫu thử nghiệm số 14S1 được chọn làm mô hình cơ sở. Các mô phỏng số với các điều kiện gần như giống hệt nhau (tức là về tính chất vật liệu, điều kiện biên và tải trọng) được thực hiện bằng cả IDEA StatiCa và ABAQUS. Mô hình ban đầu được thiết kế trong IDEA StatiCa và sau đó cụm lắp ráp (bao gồm dầm, cột, thép góc bụng, thép góc trên và gối) được nhập vào ABAQUS thông qua nền tảng Viewer của IDEA StatiCa. Sau đó, một mô hình đơn giản hóa cho bu lông được thiết kế và thêm vào mô hình ABAQUS.
Thiết lập mô hình liên kết bán cứng trong ABAQUS
Trong ABAQUS, loại phần tử được sử dụng là C3D8R (ứng suất 3D, phần tử khối tuyến tính 8 nút, tích phân rút gọn), và tổng cộng 562.377 phần tử được tạo ra trong mô hình.
Mật độ lưới mô hình ABAQUS
Các mô phỏng số được thực hiện trên bốn bộ xử lý (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz) và mỗi mô phỏng mất khoảng 535 phút để hoàn thành.
So sánh ứng suất von-Mises dự đoán giữa IDEA StatiCa và ABAQUS
So sánh góc nhìn bên giữa IDEA StatiCa và ABAQUS với hệ số tỷ lệ biến dạng bằng mười
Nhìn chung, có sự phù hợp tốt giữa kết quả của hai gói phần mềm. Tuy nhiên, biến dạng lớn hơn được ghi nhận trên các thép góc bụng, cánh trên và cánh dưới trong mô hình IDEA StatiCa. Ngoài ra, phân bố ứng suất trên các thép góc bụng có sự khác biệt nhỏ giữa hai mô hình. Điều này nhiều khả năng là do trong mô hình ABAQUS, các phần tử khối với tích phân rút gọn được sử dụng. Trong cả hai mô hình, bộ phận yếu nhất của cụm lắp ráp được xác định là cánh trên chịu kéo dưới tác dụng của lực cắt hướng xuống, gây ra kéo trong cánh trên.
3 LIÊN KẾT NGÀM CỨNG
Trong chương này, khả năng chịu lực thiết kế của mười mẫu liên kết ngàm cứng được tính toán theo yêu cầu của AISC 360 (2016) và Sổ tay Thi công AISC (2017). Mẫu cơ sở được chọn từ nghiên cứu thực nghiệm của Sato và cộng sự (2007) tại Khoa Kỹ thuật Kết cấu, Đại học California, San Diego. Mẫu cơ sở và chín mô hình biến thể bổ sung được phân tích bằng IDEA StatiCa trong khi mẫu cơ sở cũng được phân tích bằng ABAQUS (2020).
Nghiên cứu thực nghiệm về liên kết ngàm cứng
Ba liên kết mô men bản cánh bu lông (BFP) quy mô thực đã được thử nghiệm tải trọng chu kỳ tại Đại học California, San Diego. Tất cả các mẫu đều đáp ứng yêu cầu của Quy định Kháng chấn AISC cho Công trình Thép Kết cấu đối với liên kết dầm-cột của khung mô men đặc biệt. Khoảng cách giằng ngang cho các mẫu được xác định theo quy định này. Chuyển vị thẳng đứng được tác dụng bởi kích thủy lực tại đầu mút dầm.
Tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn và so sánh
Khả năng chịu lực thiết kế (Rn) của mười liên kết ngàm cứng được tính toán theo yêu cầu của Tiêu chuẩn AISC cho Công trình Thép Kết cấu (AISC 360, 2016) và Sổ tay Thi công Thép AISC (AISC Manual, 2017). Cường độ danh nghĩa, Rn, và hệ số sức kháng tương ứng, , cho mỗi trạng thái giới hạn thiết kế liên kết theo phương pháp thiết kế tải trọng và sức kháng có hệ số (LRFD) được quy định trong Chương J của AISC 360.
Khả năng chịu lực thiết kế của bản bụng đơn
Tám kiểm tra thiết kế sau đây được thực hiện theo các phương trình thiết kế LRFD trong AISC 360 hoặc AISC Manual cho khả năng chịu lực thiết kế của bản bụng đơn.
- Bản bụng
- Cắt bu lông Eq. J3-1, AISC 360-16
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Chảy dẻo cắt Eq. J4-3, AISC 360-16
- Đứt cắt Eq. J4-4, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Cắt mối hàn Eq. 8-2, AISC Manual
- Dầm
- Cắt bu lông Eq. J3-1, AISC 360-16
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
Trong số các khả năng chịu lực thiết kế được tính toán cho mười mẫu thử nghiệm, khả năng chịu lực thiết kế của mô hình 2 bị khống chế bởi đứt cắt trong khi cắt bu lông dẫn đến phá hoại đối với tám mẫu còn lại.
Khả năng chịu lực thiết kế của bản cánh
Mười ba kiểm tra thiết kế sau đây được thực hiện theo các phương trình thiết kế LRFD trong AISC 360 hoặc AISC Manual cho khả năng chịu lực thiết kế của bản cánh.
- Bản cánh
- Cắt bu lông Eq. J3-1, AISC 360-16
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Chảy dẻo kéo Eq. J4-3, AISC 360-16
- Đứt kéo Eq. J4-4, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Lực nén Sec. J4-4, AISC 360-16
- Dầm
- Ép mặt và xé rách bu lông Eq. J3-6, AISC 360-16
- Uốn Sec. F13.1, AISC 360-16
- Cắt khối Eq. J4-5, AISC 360-16
- Cột
- Cắt bụng tấm Eq. J10-9, AISC 360-16
- Uốn cục bộ cánh Eq. J10-1, AISC 360-16
- Chảy dẻo cục bộ bụng Eq. J10-2, AISC 360-16
- Oằn cục bộ bụng Eq. J10-4, AISC 360-16
Trong số các khả năng chịu lực thiết kế được tính toán cho mười mẫu thử nghiệm, khả năng chịu lực thiết kế của bảy mẫu bị khống chế bởi cắt vùng bụng tấm, hai mẫu bị khống chế bởi cắt bu lông và một mẫu bị khống chế bởi cắt khối. Khả năng chịu mô men của các mẫu được tính bằng cách nhân khả năng chịu lực thiết kế khống chế với cánh tay đòn mô men như được cung cấp trong Bảng 3.5. Cánh tay đòn mô men bằng chiều cao dầm đối với cắt bu lông, trong khi bằng tổng chiều cao dầm và chiều dày bản đối với cắt vùng bụng tấm và cường độ cắt khối (BFP, mô hình 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 8).
Phân tích IDEA StatiCa
Mười mẫu liên kết thép ngàm cứng được mô hình hóa trong IDEA StatiCa và phân tích dưới tác dụng của lực cắt tác dụng tại vị trí cách trục cột 177,5 in. như trong báo cáo thử nghiệm. Lực cắt được tăng dần từng bước cho đến khi các liên kết đạt đến khả năng chịu lực trong IDEA StatiCa.
Phân tích ABAQUS
Trong phần này, kết quả đầu ra từ IDEA StatiCa được so sánh với gói phần mềm ABAQUS (phiên bản 2020). Mẫu thử BFP được chọn làm mô hình cơ sở. Các mô phỏng số với các điều kiện gần như giống hệt nhau (tức là về tính chất vật liệu, điều kiện biên và tải trọng) được thực hiện bằng cả IDEA StatiCa và ABAQUS. Mô hình ban đầu được thiết kế trong IDEA StatiCa và sau đó cụm lắp ráp (bao gồm dầm, cột và các bản thép) được nhập vào ABAQUS thông qua nền tảng Viewer của IDEA StatiCa. Sau đó, một mô hình đơn giản hóa cho bu lông được thiết kế và thêm vào mô hình ABAQUS.
Thiết lập mô hình trong ABAQUS
Trong ABAQUS, loại phần tử được sử dụng là C3D8R (ứng suất 3D, phần tử khối tuyến tính 8 nút, tích phân rút gọn), và tổng cộng 681.016 phần tử được tạo ra trong mô hình. Các mô phỏng số được thực hiện trên tám bộ xử lý (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz) và mô phỏng mất khoảng 685 phút.
Có sự phù hợp tốt giữa kết quả của hai gói phần mềm. Phân bố ứng suất trên dầm và cột rất gần nhau. Tuy nhiên, ứng suất cao hơn một chút được dự đoán trên cột, bản 1 và các sườn tăng cứng trong mô hình ABAQUS, điều này nhiều khả năng là do bản chất của ràng buộc liên kết cứng. Tải trọng dự đoán trên các bu lông và nhóm mối hàn cũng rất gần nhau giữa hai phần mềm.
4 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN
IDEA StatiCa là gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) dựa trên cấu kiện dùng cho thiết kế liên kết thép. Phần mềm có thể được sử dụng để đánh giá kết cấu hoặc thiết kế nhiều loại liên kết thép kết cấu hàn và bu lông cũng như bản mã chân cột. Mục tiêu chính của báo cáo này là xác minh kết quả FEA thu được từ gói phần mềm IDEA StatiCa cho ba loại liên kết thép thường dùng tại Hoa Kỳ (tức là liên kết đơn giản, bán cứng và ngàm cứng) theo các tiêu chuẩn xây dựng Hoa Kỳ. Phản ứng thực nghiệm đo được có sẵn cho các mẫu liên kết được chọn cho mục đích xác minh trong nghiên cứu này. Đối với mỗi loại liên kết và mười biến thể của nó, trước tiên, các kiểm tra tiêu chuẩn và tính toán được thực hiện theo yêu cầu của AISC 360, Tiêu chuẩn cho Công trình Thép Kết cấu (2016) và Sổ tay Thi công Thép AISC (2017). Sau đó, kết quả được so sánh với dự đoán của IDEA StatiCa. Ngoài ra, kết quả từ IDEA StatiCa được so sánh với ABAQUS, một phần mềm FEA mạnh mẽ khác trên thị trường. Phản ứng đo được của các mẫu thử nghiệm cũng được sử dụng để so sánh và hiểu rõ hơn về ứng xử tổng thể và dạng phá hoại của các mô hình liên kết.
Nhìn chung, có sự phù hợp tốt giữa kết quả IDEA StatiCa, kiểm tra tiêu chuẩn theo các tiêu chuẩn Hoa Kỳ và kết quả ABAQUS. Kết quả tính toán có sự khác biệt so với kết quả thu được từ IDEA StatiCa, có thể do AISC là tiêu chuẩn thiết kế và có thể thiên về an toàn, trong khi phần mềm được thiết kế để nắm bắt ứng xử thực tế vốn được kỳ vọng chính xác hơn.
Mặc dù có nhiều gói phần mềm FEA trên thị trường có khả năng dự đoán phản ứng kết cấu tổng thể dưới nhiều điều kiện tải trọng khác nhau, nhưng vẫn thiếu các công cụ FEA chuyên dụng tập trung vào thiết kế liên kết. So với các gói phần mềm FEA khác trên thị trường, phần mềm IDEA StatiCa có nhiều ưu điểm. Ngoài tính dễ sử dụng, đặc điểm quan trọng nhất của IDEA StatiCa được nhận thấy là thời gian tính toán, trong đó kết quả có thể thu được trong một phần thời gian so với các phần mềm FEA thông thường như ABAQUS. Điều này sẽ giúp các kỹ sư đánh giá và điều chỉnh thiết kế liên kết sơ bộ nhanh hơn và hiệu quả hơn nếu cần thay đổi. Ngoài ra, trong các gói phần mềm FEA thông thường, tải trọng và khả năng chịu lực của các cấu kiện liên kết (tức là bu lông, mối hàn, bản thép) phải được trích xuất từ mô hình trong giai đoạn hậu xử lý, đây là công việc phức tạp và tốn thời gian. Tuy nhiên, trong IDEA StatiCa, kết quả được tính toán và báo cáo trực tiếp. Ngoài ra, trong IDEA StatiCa, tải trọng có thể được tác dụng trực tiếp tại bất kỳ vị trí/cấu kiện nào của liên kết, trong khi trong các phần mềm FEA thông thường, điều này phải được thực hiện thông qua việc xác định điểm tham chiếu và sau đó liên kết nó với liên kết, đây là một bước bổ sung.
Tuy nhiên, một sự khác biệt nhỏ được phát hiện ở các tiếp xúc được xác định giữa các bản thép và mặt cột/dầm, mặc dù cùng loại phân tích được thực hiện, tức là biến dạng nhỏ. Điều này có thể do sự khác biệt giữa phần tử khối và phần tử vỏ hoặc thuật toán tiếp xúc được sử dụng trong hai phần mềm. Ngoài ra, cách IDEA StatiCa tính toán và sử dụng kích thước phần tử tối ưu chưa được làm rõ. Bên cạnh đó, do giới hạn biến dạng dẻo khuyến nghị là 5% theo Eurocode (EN1993-1-5 app. C par. C8 note 1) được định nghĩa là giá trị mặc định trong phần mềm IDEA StatiCa, các dạng phá hoại khác nhau đã được quan sát thấy.
Nhờ khả năng mô hình hóa và phân tích liên kết nhanh chóng và dễ dàng của IDEA StatiCa, việc mô hình hóa phi tuyến phức tạp và phân tích động tốn thời gian của các kết cấu thép lớn có thể được thực hiện tương đối nhanh. Tính chất của các liên kết trong kết cấu khung dầm-cột có thể được xác định dựa trên phân tích và kiểm tra thiết kế hoàn thành trong IDEA StatiCa. Sau đó, mô hình liên kết có thể được điều chỉnh và phân tích lại nếu cần thiết sau khi phân tích khung được hoàn thành bằng phần mềm phân tích kết cấu, ví dụ như SAP2000. Các liên kết có thể được làm yếu hơn hoặc mạnh hơn trong IDEA StatiCa tùy thuộc vào hiệu năng tối ưu mong muốn của mô hình khung kết cấu. Một phương pháp dễ dàng và mạnh mẽ hơn để phát triển quan hệ mô men - góc xoay của liên kết trong IDEA StatiCa sẽ rất hữu ích vì trong các chương trình như SAP2000, quan hệ mô men - góc xoay của liên kết cần được xác định như một phần của mô hình hóa kết cấu khung.
Phần mềm IDEA StatiCa chỉ tốt khi Giao diện Người dùng Đồ họa (GUI) của nó được thực hiện tốt. Nếu GUI không được thực hiện tốt, người dùng sẽ gặp khó khăn khi sử dụng ứng dụng hoặc phần mềm. IDEA StatiCa thiết kế GUI tốt. Cùng với GUI tốt, chất lượng của phần mềm cũng được ghi nhận. Việc tuân theo một bộ quy ước hoặc tiêu chuẩn đảm bảo tính nhất quán và giúp người dùng dễ dàng điều hướng trong phần mềm. Ngôn ngữ chuẩn và nhất quán đảm bảo người dùng sẽ hiểu các thuật ngữ khi nhìn thấy chúng. Các mô hình dễ dàng được chỉnh sửa, cho phép khám phá biến số và kiểm tra nhanh chóng.
Phần mềm liên tục được cập nhật bao gồm thời gian tải nhanh hơn và thậm chí sửa lỗi để cải thiện trải nghiệm người dùng tổng thể.
Tài liệu tham khảo
[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.
[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," ấn bản thứ 15th, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.
[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.
[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background
[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.
[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Repor to American Institute of Steel Construction.
Phiên bản đầy đủ của báo cáo có thể tải xuống tại liên kết dưới đây: