Liên kết bu lông - T-stub chịu kéo

Mô tả

Mục tiêu của chương này là kiểm tra phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) của T-stub được liên kết bằng hai bu lông chịu kéo với phương pháp cấu kiện (CM) và mô hình FEM nghiên cứu (RM) được tạo trong phần mềm Midas FEA; xem (Gödrich et al. 2019).

Mô hình giải tích

T-stub hàn và bu lông chịu kéo là các cấu kiện được nghiên cứu trong đề tài. Cả hai cấu kiện đều được thiết kế theo EN 1993-1-8:2005. Các mối hàn được thiết kế để không phải là cấu kiện yếu nhất. Chiều dài hiệu quả cho các dạng phá hoại tròn và không tròn được xét theo EN 1993-1-8:2005 điều 6.2.6. Chỉ xét tải trọng kéo. Ba dạng phá hoại theo EN 1993-1-8:2005 điều 6.2.4.1 được xét: 1. dạng chảy dẻo hoàn toàn của cánh, 2. dạng có hai đường chảy dẻo tại bụng và đứt bu lông, và 3. dạng đứt bu lông; xem Hình 5.1.1. Bu lông được thiết kế theo điều 3.6.1 trong EN 1993-1-8:2005. Khả năng chịu lực thiết kế có xét đến khả năng chịu cắt thủng và đứt bu lông.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.1 Collapse modes of T-stub}}}$$

Mô hình số thiết kế

T-stub được mô hình hóa bằng các phần tử vỏ 4 nút như mô tả trong Chương 3 và được tóm tắt thêm. Mỗi nút có 6 bậc tự do. Biến dạng của phần tử bao gồm đóng góp của màng và uốn. Trạng thái vật liệu đàn hồi-dẻo phi tuyến được kiểm tra tại mỗi lớp điểm tích phân. Đánh giá dựa trên biến dạng tối đa theo EN 1993‑1‑5:2006 với giá trị 5 %. Bu lông được chia thành ba cấu kiện con. Cấu kiện con thứ nhất là thân bu lông, được mô hình hóa như một lò xo phi tuyến và chỉ chịu kéo. Cấu kiện con thứ hai truyền lực kéo vào các cánh. Cấu kiện con thứ ba giải quyết việc truyền lực cắt.

Mô hình số nghiên cứu

Trong các trường hợp CBFEM cho khả năng chịu lực, độ cứng ban đầu hoặc khả năng biến dạng cao hơn, mô hình FEM nghiên cứu (RM) từ các phần tử khối được kiểm chứng bằng thực nghiệm (Gödrich et al. 2013) được sử dụng để kiểm tra mô hình CBFEM. RM được tạo trong phần mềm Midas FEA với các phần tử khối lục diện và bát diện, xem Hình 5.1.2. Nghiên cứu độ nhạy lưới được thực hiện để đạt được kết quả phù hợp trong thời gian hợp lý. Mô hình số của bu lông dựa trên mô hình của (Wu et al. 2012). Đường kính danh nghĩa được xét ở phần thân, và đường kính lõi hiệu quả được xét ở phần ren. Vòng đệm được liên kết với đầu bu lông và đai ốc. Biến dạng do trượt ren trong vùng tiếp xúc ren-đai ốc được mô hình hóa bằng các phần tử giao diện. Các phần tử giao diện không có khả năng truyền ứng suất kéo. Các phần tử tiếp xúc cho phép truyền áp lực và ma sát được sử dụng giữa vòng đệm và cánh của T-stub. Một phần tư mẫu được mô hình hóa sử dụng tính đối xứng.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.2 Research FEM model}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.3 Geometry of the T-stubs}}}$$

Phạm vi áp dụng

CBFEM được kiểm tra cho các hình học T-stub điển hình được chọn. Chiều dày tối thiểu của cánh là 8 mm. Tỷ lệ khoảng cách bu lông trên đường kính bu lông tối đa bị giới hạn bởi p/d_b ≤ 20. Khoảng cách từ hàng bu lông đến bụng được giới hạn bởi m/d_b ≤ 5. Tổng quan các mẫu được xét với bản thép S235: f_y = 235 MPa, f_u = 360 MPa, E = E_bolt = 210 GPa được trình bày trong Bảng 5.1.1 và Hình 5.1.3.

Bảng 5.1.1 Tổng quan các mẫu T-stub được xét

Ứng xử tổng thể

So sánh ứng xử tổng thể của T-stub được mô tả bằng biểu đồ lực–biến dạng cho tất cả các quy trình thiết kế đã được thực hiện. Sự chú ý tập trung vào các đặc trưng chính: độ cứng ban đầu, khả năng chịu lực thiết kế và khả năng biến dạng. Mẫu tf20 được chọn để trình bày làm tham chiếu; xem Hình 5.1.4 và Bảng 5.1.2. CM thường cho độ cứng ban đầu cao hơn so với CBFEM và RM. Trong tất cả các trường hợp, RM cho khả năng chịu lực thiết kế cao nhất, như được trình bày trong chương 6. Khả năng biến dạng cũng được so sánh. Khả năng biến dạng của T-stub được tính theo (Beg et al. 2004). RM không xét đến nứt vật liệu, do đó dự báo khả năng biến dạng bị hạn chế.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.4 Force–deformation diagram}}}$$

Bảng 5.1.2 Tổng quan ứng xử tổng thể

Kiểm tra khả năng chịu lực

Khả năng chịu lực thiết kế tính theo CBFEM được so sánh với kết quả của CM và RM trong bước tiếp theo. Việc so sánh cũng tập trung vào khả năng biến dạng và xác định dạng phá hoại. Tất cả kết quả được sắp xếp trong Bảng 5.1.3. Nghiên cứu được thực hiện cho năm thông số: chiều dày cánh, kích thước bu lông, vật liệu bu lông, khoảng cách bu lông và chiều rộng T-stub.

Bảng 5.1.3 Tổng quan ứng xử tổng thể

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.5 Sensitivity study of flange thickness}}}$$

Nghiên cứu độ nhạy về chiều dày cánh cho thấy khả năng chịu lực theo CBFEM cao hơn so với CM đối với các mẫu có chiều dày cánh đến 20 mm. RM cho khả năng chịu lực thậm chí còn cao hơn đối với các mẫu này; xem Hình 5.1.5. Khả năng chịu lực cao hơn của cả hai mô hình số được giải thích bởi việc bỏ qua hiệu ứng màng trong CM. Trong trường hợp đường kính bu lông và vật liệu bu lông (xem Hình 5.1.6 và Hình 5.1.7 tương ứng), kết quả của CBFEM tương ứng với kết quả của CM. Do sự phù hợp tốt giữa hai phương pháp, kết quả của RM không cần thiết.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.6 Sensitivity study of the bolt diameter}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.7 Sensitivity study of the bolt material}}}$$

Trong trường hợp khoảng cách bu lông, kết quả của CBFEM và CM nhìn chung cho thấy sự phù hợp tốt; xem Hình 5.1.8. Khi khoảng cách bu lông tăng, CBFEM cho khả năng chịu lực cao hơn một chút so với CM. Vì lý do đó, kết quả của RM cũng được trình bày. RM cho khả năng chịu lực cao nhất trong tất cả các trường hợp.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.8 Sensitivity study of the bolt distance}}}$$

Trong nghiên cứu về chiều rộng T-stub, CBFEM cho khả năng chịu lực cao hơn so với CM khi chiều rộng tăng. Kết quả của RM được chuẩn bị, một lần nữa cho khả năng chịu lực cao nhất trong tất cả các trường hợp; xem Hình 5.1.9.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.9 Sensitivity study of T-stub width}}}$$

Để thể hiện khả năng dự báo của mô hình CBFEM, kết quả của các nghiên cứu được tóm tắt trong biểu đồ so sánh khả năng chịu lực theo CBFEM và CM; xem Hình 5.1.10. Kết quả cho thấy sự khác biệt giữa hai phương pháp tính toán chủ yếu đến 10 %. Trong các trường hợp CBFEM/CM > 1,1, độ chính xác của CBFEM được kiểm tra bằng kết quả của RM, cho khả năng chịu lực cao nhất trong tất cả các trường hợp được chọn.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.10 Summary of verification of CBFEM to CM}}}$$

Ví dụ chuẩn

Dữ liệu đầu vào

T-stub, xem Hình 5.1.11

• Thép S235
• Chiều dày cánh t_f = 20 mm
• Chiều dày bụng t_w = 20 mm
• Chiều rộng cánh b_f = 300 mm
• Chiều dài b = 100 mm
• Hàn góc kép a_w = 10 mm

Bu lông

• 2 × M24 8.8
• Khoảng cách bu lông w = 165 mm

Thiết lập tiêu chuẩn – Mô hình và lưới

• Số phần tử trên cấu kiện hoặc cánh lớn nhất 16

Kết quả đầu ra

• Khả năng chịu kéo thiết kế F_T,Rd = 164 kN
• Dạng phá hoại – chảy dẻo hoàn toàn của cánh với biến dạng tối đa 5 %
• Hệ số sử dụng của bu lông 86,4 %
• Hệ số sử dụng của mối hàn 45,7 %

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.11 Benchmark example for the T-stub}}}$$

Tài liệu tham khảo

EN 1993-1-5, Eurocode 3, Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-5: Các cấu kiện bản thép, CEN, Brussels, 2005.

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-8: Thiết kế nút liên kết, CEN, Brussels, 2005.

Beg D., Zupančič E., Vayas I. Về khả năng xoay của liên kết chịu mô men, Journal of Constructional Steel Research, 60 (3–5), 2004, 601–620.

Gödrich L., Wald F., Sokol Z. Về mô hình hóa nâng cao của nút liên kết bản mã đầu dầm, Connection and Joints in Steel and Composite Structures, Rzeszow, 2013.

Gödrich L., Wald F., Kabeláč J., Kuříková M. Mô hình phần tử hữu hạn thiết kế của cấu kiện liên kết T-stub bu lông, Journal of Constructional Steel Research. 2019, (157), 198-206.

Wu Z., Zhang S., Jiang S. Mô phỏng bu lông chịu kéo trong mô hình phần tử hữu hạn của liên kết dầm-cột bán cứng, International Journal of Steel Structures 12 (3), 2012, 339-350.