SteelConnection designKnowledge baseConnectionAISC (USA)

AISC có cho phép sử dụng Phương pháp phần tử hữu hạn để thiết kế liên kết không?

This article is also available in

Kỹ sư kết cấu và người thiết kế liên kết có thể sử dụng các hướng dẫn của AISC để thiết kế và kiểm tra tiêu chuẩn các liên kết thép với nhiều hình dạng hình học khác nhau. Và họ có thể sử dụng Phương pháp phần tử hữu hạn để đạt được kết quả hiệu quả và chính xác.

Phân tích phần tử hữu hạn nói chung và phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến nói riêng đã được biết đến như một phương pháp khả thi trong nghiên cứu trong nhiều năm qua. Phương pháp này đã giúp phát triển các phương trình và quy định trong tiêu chuẩn mà các kỹ sư sử dụng. Ngoài ra, phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến đã được sử dụng rộng rãi trong thực tế tại Mỹ và trên toàn thế giới để giải quyết các bài toán kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp.

Các tiêu chuẩn và quy chuẩn của Mỹ, bao gồm ACI, AISC, TMS, NDS và các tiêu chuẩn khác, đều có các điều khoản cho phép sử dụng phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến cho các cấu kiện kết cấu và liên kết không được tiêu chuẩn đề cập, thường là các trường hợp phức tạp. Nếu các tiêu chuẩn cho phép sử dụng phương pháp này cho các bài toán phức tạp, thì nó cũng có thể giải quyết các bài toán đơn giản hơn với các giả thiết đơn giản hóa lời giải. Nghiên cứu cho thấy các trạng thái giới hạn trong thiết kế cấu kiện và liên kết có thể được mô phỏng bằng phân tích phần tử hữu hạn. Dưới đây là một số tài liệu tham khảo được liệt kê trong các phần khác nhau của sổ tay AISC.

Phần chú giải của AISC 360 chỉ ra ở nhiều vị trí khả năng sử dụng phân tích phần tử hữu hạn và phần tử hữu hạn phi tuyến, chẳng hạn như:

"Các quy định cũng cho phép sử dụng phân tích tính toán (ví dụ: phương pháp phần tử hữu hạn) để thay thế các phương trình trong Tiêu chuẩn dùng để đánh giá các trạng thái giới hạn được đề cập trong Chương D đến H, J và K" trong phần Chú giải: Phụ lục 1, Comm 1.1 trang 573, ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Bất kỳ phương pháp thiết kế nào dựa trên phân tích phi đàn hồi và thỏa mãn các yêu cầu chung đã cho đều được cho phép. Các phương pháp này có thể bao gồm việc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến (Crisfield, 1991; Bathe, 1995) dựa trên các phần tử liên tục để thiết kế một cấu kiện kết cấu đơn lẻ như một liên kết, hoặc sử dụng phân tích khung phi đàn hồi bậc hai (Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000) để thiết kế một hệ kết cấu gồm dầm, cột và liên kết." Trong Comm 1.3 16.1-582 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Khi các liên kết cần mô hình hóa không nằm trong phạm vi của cơ sở dữ liệu, có thể xác định các đặc tính ứng xử từ thí nghiệm, mô hình hóa cấu kiện đơn giản, hoặc các nghiên cứu phần tử hữu hạn (FEMA, 1995)." Trong B3. Chú giải, trang 16.1-322 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Khi kỹ sư thiết kế gặp các dầm không có trục đối xứng hoặc bất kỳ hình dạng nào khác mà không có quy định trong các phần khác của Chương F, ứng suất phải được giới hạn bởi giới hạn chảy hoặc ứng suất oằn đàn hồi. Phân bố ứng suất và/hoặc ứng suất oằn đàn hồi phải được xác định từ các nguyên lý cơ học kết cấu, sách giáo khoa hoặc sổ tay, chẳng hạn như Hướng dẫn SSRC (Ziemian, 2010), các bài báo trên tạp chí, hoặc phân tích phần tử hữu hạn. Ngoài ra, người thiết kế có thể tránh vấn đề này bằng cách chọn tiết diện từ nhiều lựa chọn được đưa ra trong các phần trước của Chương F." trong Comm. F12 16.1-393 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Đối với chiều dài đường hàn lớn hơn 100 lần kích thước đường hàn, chiều dài hiệu quả phải lấy nhỏ hơn chiều dài thực tế. Hệ số giảm, được quy định trong Mục J2.2b, tương đương với hệ số trong CEN (2005), là xấp xỉ đơn giản hóa của các công thức hàm mũ được phát triển từ các nghiên cứu phần tử hữu hạn và thí nghiệm thực hiện tại châu Âu trong nhiều năm." Trong Comm J2. trang 16.1-484 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.

Hướng dẫn Thiết kế AISC số 1 - Thiết kế liên kết chân cột cho Kết cấu Thép, ấn bản thứ ba, bao gồm hai phụ lục mới (Phụ lục C và D) nhằm cung cấp các phương pháp biểu diễn liên kết chân cột trong phân tích khung và hướng dẫn thiết kế liên quan đến mô phỏng bằng phân tích phần tử hữu hạn.

Phụ lục D - Hướng dẫn Sử dụng Phân tích Phần tử Hữu hạn cho Phân tích và Thiết kế Bản mã chân cột, Tập trung vào Chi tiết Liên kết Chân Cột Lộ Thiên

Hướng dẫn Thiết kế AISC số 24 - Liên kết Tiết diện Rỗng, ấn bản thứ ba, trích dẫn:

"Phần Chú giải của Chương K trong Tiêu chuẩn AISC đề cập đến phân tích phần tử hữu hạn (FE) phi đàn hồi như một công cụ thiết kế vượt ngoài giới hạn áp dụng dành cho các kỹ sư có kinh nghiệm, và lựa chọn này được cho phép theo Phụ lục 1 của Tiêu chuẩn AISC. Cả liên kết hàn và liên kết bu lông đều có thể được thiết kế bằng phương pháp FE, trong đó phân tích đàn hồi là đủ cho thiết kế mỏi nhưng phân tích phi đàn hồi thường cần thiết để mô phỏng trạng thái giới hạn cực hạn. Mọi giới hạn của phần mềm được chọn cần được kiểm tra để đảm bảo phần mềm có khả năng điều tra và mô phỏng đúng trạng thái giới hạn đang xét. Điều này có thể bao gồm xác nhận về phân tích phi tuyến, tiêu chí phá hoại, số lượng nút và phần tử cho phép đủ lớn, các loại phần tử trong thư viện, v.v." trong Chương 2.13, trang 41.
"Trong trường hợp này, kỹ thuật mô hình hóa FE và các thông số lưới và vật liệu được chọn cần được kiểm chứng so với một số phân tích FE từ tài liệu nghiên cứu hoặc từ các trường hợp chuẩn đã được thu thập (đã được xác nhận), chẳng hạn như của Wald et al. (2017)." trong Chương 2.13 trang 41.

Kỹ sư kết cấu và người thiết kế liên kết có thể sử dụng một bộ công cụ để hoàn thành công việc của mình - thiết kế các liên kết thép theo AISC một cách an toàn, chính xác và nhanh chóng. IDEA StatiCa, với giải pháp FEA độc đáo và đã được kiểm chứng, là một phần của bộ công cụ này. Đọc thêm về phương pháp trong phần Cơ sở lý thuyết và bộ kiểm chứng toàn diện của chúng tôi.

AISC có cho phép sử dụng Phương pháp phần tử hữu hạn để thiết kế liên kết không?

This article is also available in

Phần chú giải của AISC 360 chỉ ra ở nhiều vị trí khả năng sử dụng phân tích phần tử hữu hạn và phần tử hữu hạn phi tuyến, chẳng hạn như:

"Các quy định cũng cho phép sử dụng phân tích tính toán (ví dụ: phương pháp phần tử hữu hạn) để thay thế các phương trình trong Tiêu chuẩn dùng để đánh giá các trạng thái giới hạn được đề cập trong Chương D đến H, J và K" trong phần Chú giải: Phụ lục 1, Comm 1.1 trang 573, ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Bất kỳ phương pháp thiết kế nào dựa trên phân tích phi đàn hồi và thỏa mãn các yêu cầu chung đã cho đều được cho phép. Các phương pháp này có thể bao gồm việc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến (Crisfield, 1991; Bathe, 1995) dựa trên các phần tử liên tục để thiết kế một cấu kiện kết cấu đơn lẻ như một liên kết, hoặc sử dụng phân tích khung phi đàn hồi bậc hai (Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000) để thiết kế một hệ kết cấu gồm dầm, cột và liên kết." Trong Comm 1.3 16.1-582 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Khi các liên kết cần mô hình hóa không nằm trong phạm vi của cơ sở dữ liệu, có thể xác định các đặc tính ứng xử từ thí nghiệm, mô hình hóa cấu kiện đơn giản, hoặc các nghiên cứu phần tử hữu hạn (FEMA, 1995)." Trong B3. Chú giải, trang 16.1-322 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Khi kỹ sư thiết kế gặp các dầm không có trục đối xứng hoặc bất kỳ hình dạng nào khác mà không có quy định trong các phần khác của Chương F, ứng suất phải được giới hạn bởi giới hạn chảy hoặc ứng suất oằn đàn hồi. Phân bố ứng suất và/hoặc ứng suất oằn đàn hồi phải được xác định từ các nguyên lý cơ học kết cấu, sách giáo khoa hoặc sổ tay, chẳng hạn như Hướng dẫn SSRC (Ziemian, 2010), các bài báo trên tạp chí, hoặc phân tích phần tử hữu hạn. Ngoài ra, người thiết kế có thể tránh vấn đề này bằng cách chọn tiết diện từ nhiều lựa chọn được đưa ra trong các phần trước của Chương F." trong Comm. F12 16.1-393 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.
"Đối với chiều dài đường hàn lớn hơn 100 lần kích thước đường hàn, chiều dài hiệu quả phải lấy nhỏ hơn chiều dài thực tế. Hệ số giảm, được quy định trong Mục J2.2b, tương đương với hệ số trong CEN (2005), là xấp xỉ đơn giản hóa của các công thức hàm mũ được phát triển từ các nghiên cứu phần tử hữu hạn và thí nghiệm thực hiện tại châu Âu trong nhiều năm." Trong Comm J2. trang 16.1-484 của ấn bản lần thứ 16 của sổ tay AISC.

Phụ lục D - Hướng dẫn Sử dụng Phân tích Phần tử Hữu hạn cho Phân tích và Thiết kế Bản mã chân cột, Tập trung vào Chi tiết Liên kết Chân Cột Lộ Thiên

Hướng dẫn Thiết kế AISC số 24 - Liên kết Tiết diện Rỗng, ấn bản thứ ba, trích dẫn:

"Phần Chú giải của Chương K trong Tiêu chuẩn AISC đề cập đến phân tích phần tử hữu hạn (FE) phi đàn hồi như một công cụ thiết kế vượt ngoài giới hạn áp dụng dành cho các kỹ sư có kinh nghiệm, và lựa chọn này được cho phép theo Phụ lục 1 của Tiêu chuẩn AISC. Cả liên kết hàn và liên kết bu lông đều có thể được thiết kế bằng phương pháp FE, trong đó phân tích đàn hồi là đủ cho thiết kế mỏi nhưng phân tích phi đàn hồi thường cần thiết để mô phỏng trạng thái giới hạn cực hạn. Mọi giới hạn của phần mềm được chọn cần được kiểm tra để đảm bảo phần mềm có khả năng điều tra và mô phỏng đúng trạng thái giới hạn đang xét. Điều này có thể bao gồm xác nhận về phân tích phi tuyến, tiêu chí phá hoại, số lượng nút và phần tử cho phép đủ lớn, các loại phần tử trong thư viện, v.v." trong Chương 2.13, trang 41.
"Trong trường hợp này, kỹ thuật mô hình hóa FE và các thông số lưới và vật liệu được chọn cần được kiểm chứng so với một số phân tích FE từ tài liệu nghiên cứu hoặc từ các trường hợp chuẩn đã được thu thập (đã được xác nhận), chẳng hạn như của Wald et al. (2017)." trong Chương 2.13 trang 41.