Liên kết thép được tiền chứng nhận (AISC) - Tóm tắt, Kết luận và Khuyến nghị

Loạt ví dụ kiểm chứng được chuẩn bị trong một dự án chung giữa Đại học Bang Ohio và IDEA StatiCa. Các tác giả được liệt kê dưới đây:

• Baris Kasapoglu, nghiên cứu sinh Tiến sĩ
• Ali Nassiri, Tiến sĩ
• Halil Sezen, Tiến sĩ

Liên kết moment tiết diện dầm thu hẹp (RBS)

Một liên kết moment RBS đã được thử nghiệm được chọn từ một nghiên cứu thực nghiệm (Uang et al., 2000) và năm biến thể bổ sung được tạo ra. Khả năng chịu moment của sáu mẫu thử với các dạng phá hoại được ước tính theo quy trình AISC và sử dụng IDEA StatiCa. Sự khác biệt giữa các khả năng tính toán (1 - khả năng chịu moment theo IDEA StatiCa/khả năng chịu moment tính theo quy trình AISC) dao động từ -3% đến +7%, trong khi sự khác biệt trung bình là khoảng 4% (Bảng 6.1). Ngoài ra, quan hệ moment - góc xoay tính bằng IDEA StatiCa sử dụng phân tích độ cứng được so sánh với quan hệ được cung cấp trong báo cáo thử nghiệm (Hình 6.1). Có thể thấy rằng IDEA StatiCa có khả năng xác định dạng phá hoại, tính toán khả năng chịu moment và đường cong moment - góc xoay của các liên kết moment RBS.

Bảng 6.1: Khả năng chịu moment uốn của các liên kết moment RBS tính bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC (so với mặt cột)

Hình 6.1: So sánh góc xoay dẻo của moment (so với trục cột) của liên kết moment RBS (mô hình cơ sở)

Đọc bài viết ví dụ kiểm chứng đầy đủ về Tiết diện dầm thu hẹp

Liên kết moment bản mã đầu dầm (EPM)

Sáu liên kết EPM đã được thử nghiệm được đánh giá theo quy trình thiết kế AISC và sử dụng IDEA StatiCa. Khả năng chịu moment và các dạng phá hoại của chúng được tính toán và so sánh với các quan sát từ thí nghiệm (Sumner et al., 2000). Sự khác biệt giữa các kết quả dao động từ -7% đến +11% trong khi sự khác biệt trung bình là khoảng 2% (Bảng 6.2). Cần lưu ý rằng chảy dẻo bản mã đầu dầm là trạng thái giới hạn kiểm soát đối với biến thể 3, nơi sự khác biệt 11% được tính toán, trong khi cường độ hàn không đủ giữa bản mã đầu dầm và bụng dầm là dạng phá hoại quan sát được từ phân tích IDEA StatiCa. Khi mối hàn đạt đến giới hạn cường độ, biến dạng dẻo 1,9% được tính toán trong bản mã đầu dầm, nhỏ hơn giới hạn biến dạng dẻo 5% đối với bản thép. Từ ví dụ này, có thể diễn giải rằng quy trình được nêu trong AISC 358 cho trạng thái giới hạn chảy dẻo bản mã đầu dầm cho kết quả thiên về an toàn hơn so với IDEA StatiCa. Đối với mô hình cơ sở, đường cong moment - góc xoay thu được bằng IDEA StatiCa được so sánh với đường cong đo được từ thực nghiệm. IDEA StatiCa thể hiện khả năng ước tính khả năng chịu lực đứt bu lông bao gồm ảnh hưởng của lực bẩy đến khả năng chịu lực của bu lông và đóng góp của sườn tăng cứng bản mã đầu dầm đến cường độ uốn của các mẫu EPM. Sự khác biệt giữa các độ dốc sau khi chảy dẻo và khoảng cách giữa các giá trị moment đỉnh đạt được có thể được quy cho sự suy giảm độ cứng mà mẫu thử trải qua và mô hình vật liệu hai tuyến tính được sử dụng bởi IDEA StatiCa, tương ứng.

Hình 6.2: So sánh góc xoay dẻo của moment (so với trục cột) của liên kết EPM (mô hình cơ sở)

Bảng 6.2: Khả năng chịu moment uốn của các liên kết EPM tính bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC (so với mặt cột)

Đọc bài viết ví dụ kiểm chứng đầy đủ về Liên kết moment bản mã đầu dầm (EPM)

Liên kết moment cánh không gia cường hàn - bụng hàn (WUF-W) 

Khả năng chịu moment và các dạng phá hoại của sáu mẫu WUF-W đã được thử nghiệm được tính toán bằng IDEA StatiCa và theo quy trình thiết kế AISC, và các quan sát được so sánh với kết quả của các thử nghiệm do Ricles et al. (2000) thực hiện. Các dạng phá hoại thu được từ ba nguồn tương tự nhau ở tất cả các liên kết trong khi khả năng chịu moment tính bằng IDEA StatiCa lớn hơn khoảng 8% so với các giá trị thu được từ quy trình thiết kế AISC, ngoại trừ mô hình cơ sở (Bảng 6.3). Lý do IDEA StatiCa tính toán khả năng chịu moment lớn hơn quy trình AISC đối với các biến thể có thể liên quan đến giả định về vị trí khớp dẻo. AISC 358 khuyến nghị lấy tại mặt cột đối với các liên kết moment WUF-W, dẫn đến moment bổ sung nhỏ hơn do lực cắt tại vị trí khớp dẻo so với trường hợp khớp dẻo xuất hiện ở một khoảng cách tính từ mặt cột. Đối với mô hình cơ sở, phân tích IDEA StatiCa cho thấy mẫu đạt đến khả năng chịu lực khi mối hàn giữa mặt cột và bản mã chịu cắt bị phá hoại. Tương tự, tính toán thủ công theo quy trình thiết kế AISC cho thấy mối hàn không thỏa mãn giới hạn cường độ yêu cầu. Tuy nhiên, AISC không có quy trình nào để tính toán khả năng chịu moment của các loại liên kết này được kiểm soát bởi mối hàn giữa cột và dầm hoặc bản mã chịu cắt. Cần lưu ý rằng khả năng chịu moment tính theo quy trình AISC dựa trên cường độ moment dẻo của dầm mặc dù liên kết này không được phép thiết kế theo AISC vì yêu cầu cường độ đối với mối hàn không được thỏa mãn. Nhìn chung, sự khác biệt trung bình giữa các khả năng chịu moment tính bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC là khoảng 5%. Ngoài ra, phân tích moment - góc xoay được thực hiện bằng IDEA StatiCa và ABAQUS cho mô hình cơ sở và các kết quả được so sánh. Đường cong góc xoay dẻo - moment tính bằng IDEA StatiCa được so sánh với đường cong đo được cung cấp bởi các nhà nghiên cứu thử nghiệm (Hình 6.3). Sự khác biệt giữa các độ dốc của các đường cong có thể được quy cho sự suy giảm độ cứng mà mẫu thử trải qua trong quá trình tải trọng chu kỳ. Một nhận xét khác có thể đưa ra là vì IDEA StatiCa sử dụng mô hình vật liệu hai tuyến tính, ứng xử hóa bền không thể được mô phỏng hoàn toàn.

Bảng 6.3: Khả năng chịu moment uốn của các liên kết moment WUF-W tính bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC (so với mặt cột)

Hình 6.3: So sánh góc xoay dẻo của moment (so với trục cột) của liên kết moment WUF-W (mô hình cơ sở)

Đọc bài viết ví dụ kiểm chứng đầy đủ về Liên kết moment cánh không gia cường hàn - bụng hàn (WUF-W)

Liên kết moment cánh không gia cường hàn - bụng bu lông (WUF-B)

Ứng xử uốn của năm mẫu WUF-B đã được thử nghiệm (Lee et al., 1999) được khảo sát với tổng cộng tám mô hình sử dụng hai loại bu lông khác nhau: 1) ma sát, 2) chịu lực. Khả năng chịu moment uốn của các mẫu được tính toán bằng IDEA StatiCa và theo quy trình thiết kế AISC rồi so sánh (Bảng 6.4). Vì bu lông chịu trượt có thể được thiết kế như bu lông chịu lực căng trước nếu hệ số trượt của bề mặt tiếp xúc lớn hơn hoặc bằng 0,30 theo AISC 341 (2016), các mẫu chứa bu lông chịu trượt (ví dụ: baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) có thể bỏ qua trong so sánh cường độ moment giữa IDEA StatiCa và quy trình AISC. Đối với các liên kết còn lại, sự khác biệt giữa khả năng chịu moment tính bằng IDEA StatiCa và AISC dao động từ -18% đến -6% trong khi sự khác biệt trung bình là khoảng 13%. Lý do IDEA StatiCa tính toán cường độ moment thiên về an toàn hơn quy trình AISC có thể liên quan đến liên kết yếu giữa bụng dầm và cánh cột. Có thể thực hiện kiểm tra thêm bằng cách thay thế bản mã chịu cắt bằng hàn đối đầu dọc theo bụng dầm và thu được sự cải thiện đáng kể về khả năng chịu moment theo cùng quy trình trong IDEA StatiCa.

Đối với mô hình cơ sở, góc xoay dẻo - moment được thu được từ phân tích IDEA StatiCa và so sánh với giá trị đo được từ thực nghiệm (Hình 6.4). Cần lưu ý rằng bu lông ma sát (chịu trượt) được sử dụng cho phân tích moment - góc xoay trong khi bu lông chịu lực được sử dụng cho phân tích khả năng chịu moment. Sự khác biệt giữa các đường cong có thể liên quan đến quá trình trích xuất dữ liệu. Vì đường cong moment - góc xoay đo được được trích xuất từ hình vẽ trong báo cáo thử nghiệm, các sai số nhỏ là không thể tránh khỏi. Sự khác biệt về ứng xử sau khi chảy dẻo có thể được giải thích bằng mô hình vật liệu hai tuyến tính được sử dụng bởi phần mềm.

Hình 6.4: So sánh góc xoay dẻo của moment (so với trục cột) của liên kết moment WUF-B (mô hình cơ sở)

Bảng 6.4: Khả năng chịu moment uốn của các liên kết moment WUF-B tính bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC (so với mặt cột)

Đọc bài viết ví dụ kiểm chứng đầy đủ về Liên kết moment cánh không gia cường hàn - bụng bu lông (WUF-B)

Liên kết moment dạng chữ T đôi

Sáu liên kết chữ T đôi đã được thử nghiệm được kiểm tra theo quy trình thiết kế AISC và sử dụng IDEA StatiCa. Khả năng chịu moment của chúng được tính toán và các kết quả được so sánh.

Sự khác biệt giữa các kết quả dao động từ -9% đến +7% trong khi sự khác biệt trung bình là khoảng 3% (Bảng 6.5). Ngoài ra, các dạng phá hoại được ước tính khá tốt. Phân tích moment - góc xoay được thực hiện thông qua IDEA StatiCa và ABAQUS sử dụng hai loại bu lông khác nhau (ví dụ: chịu lực, ma sát) vì loại bu lông kiểm soát kéo không có sẵn trong IDEA StatiCa. Các đường cong được so sánh với đường cong thu được từ thực nghiệm do Leon (1999) thực hiện cho mô hình cơ sở (Hình 6.5). Quan sát thấy rằng đường cong góc xoay dẻo - moment của mẫu thử nằm giữa các đường cong tính từ phân tích IDEA StatiCa cho bu lông ma sát và bu lông chịu lực như mong đợi. Ngoài ra, các kiểm tra tiền chứng nhận được nêu trong AISC 358 được thực hiện cho các mẫu. Đối với mô hình cơ sở, phân tích thiết kế theo khả năng chịu lực được thực hiện trong IDEA StatiCa và so sánh với kết quả thu được theo quy trình AISC. Có thể kết luận rằng IDEA StatiCa có khả năng rất tốt trong việc tính toán khả năng chịu moment và xác định dạng phá hoại của các liên kết moment chữ T đôi. Hơn nữa, có thể bổ sung rằng phân tích theo khả năng chịu lực (ví dụ: CD) có khả năng xác định liệu liên kết có đủ khả năng chịu lực khi khớp dẻo xuất hiện ở cả hai dầm theo yêu cầu của AISC 358 đối với các liên kết chịu động đất hay không.

Bảng 6.5: Khả năng chịu moment uốn của các liên kết moment chữ T đôi tính bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC (so với mặt cột)

Hình 6.5: So sánh góc xoay dẻo của moment (so với trục cột) của liên kết moment chữ T đôi (mô hình cơ sở)

Nhìn chung, có sự phù hợp tốt giữa các khả năng chịu moment và dạng phá hoại thu được từ thử nghiệm, phân tích IDEA StatiCa và quy trình thiết kế AISC. Các khuyến nghị để cải thiện thêm phần mềm được liệt kê dưới đây:

• Có thể phát triển một loại bu lông mới cho bu lông kiểm soát kéo/căng trước và cung cấp cho người dùng ngoài các loại bu lông chịu lực và ma sát.
• Các lực cần áp dụng với tùy chọn "tải trọng ở trạng thái cân bằng" có thể được tính toán từ IDEA StatiCa cho các chiều dài phần tử và điều kiện biên khác nhau theo sở thích của người dùng. Theo cách này, có thể thực hiện phân tích cho điều kiện mong muốn mà không cần phần mềm khác hoặc tính toán thủ công bổ sung. Với phiên bản IDEA StatiCa hiện tại (tức là v22), để tính toán khả năng chịu moment của các mẫu thử, các lực tại liên kết được tính toán bằng SAP2000 bằng cách mô phỏng các điều kiện thiết lập thử nghiệm (ví dụ: chiều dài phần tử, điều kiện biên), sau đó các lực tính toán đó được áp dụng trong IDEA StatiCa sử dụng tùy chọn "tải trọng ở trạng thái cân bằng".
• Tải trọng tăng dần có thể được áp dụng tự động và có hệ thống bởi IDEA StatiCa và khả năng chịu moment có thể được cung cấp mà không cần điều chỉnh tải trọng và chạy lại
• Kiểm tra tiền chứng nhận có thể được thực hiện bởi IDEA StatiCa
• Có thể tích hợp công cụ chia lưới tốt hơn vào phần mềm
• Biểu diễn đường cong moment - góc xoay có thể được cải thiện/làm phong phú hơn bằng cách cung cấp cho người dùng các công cụ để điều chỉnh phông chữ, màu sắc và kích thước của biểu đồ.
• Một số ký hiệu cần được sửa/điều chỉnh cho người dùng Mỹ (ví dụ: θ thay vì ϕ cho góc xoay theo AISC)

Đọc bài viết ví dụ kiểm chứng đầy đủ về liên kết moment chữ T đôi

Đọc toàn bộ nghiên cứu về các liên kết được tiền chứng nhận!