Liên kết mô men tại mái của khung cổng dùng bu lông

Mô tả

Mục tiêu của nghiên cứu này là kiểm tra xác nhận liên kết mô men tại mái của khung cổng dùng bu lông, như thể hiện trong Hình 9.2.1. Xà ngang được liên kết với cánh cột bằng bản mã đầu dầm dùng bu lông. Cột được tăng cứng bằng hai sườn tăng cứng nằm ngang tại vị trí các cánh dầm. Các bản chịu nén, ví dụ như sườn tăng cứng nằm ngang của cột, bản bụng chịu cắt hoặc chịu nén, và cánh dầm chịu nén, được thiết kế theo tiết diện lớp 3. Dầm nằm ngang dài 6 m chịu tải phân bố đều trên toàn bộ chiều dài.

Hình 9.2.1 Liên kết mô men tại mái của khung cổng dùng bu lông

Mô hình giải tích

Tám cấu kiện được xem xét: hàn góc, bản bụng chịu cắt, bản bụng cột chịu nén ngang, bản bụng cột chịu kéo ngang, cánh dầm chịu nén và kéo, cánh cột chịu uốn, bản mã đầu dầm chịu uốn, và bu lông. Tất cả các cấu kiện được thiết kế theo EN 1993-1-8:2005. Tải trọng thiết kế của các cấu kiện phụ thuộc vào vị trí. Bản bụng chịu cắt được tải bởi tải trọng thiết kế theo trục đứng của cột. Các cấu kiện khác được tải bởi tải trọng thiết kế giảm tại cánh cột nơi dầm nằm ngang được liên kết.

Hàn góc

Đường hàn bao quanh toàn bộ tiết diện của dầm. Chiều dày đường hàn tại cánh có thể khác với chiều dày đường hàn tại bản bụng. Lực cắt đứng chỉ được truyền qua các đường hàn tại bản bụng và phân bố ứng suất dẻo được xem xét. Mô men uốn được truyền qua toàn bộ hình dạng đường hàn, và phân bố ứng suất đàn hồi được xem xét. Chiều rộng hàn hiệu quả phụ thuộc vào độ cứng nằm ngang của cột được xem xét (do uốn của cánh cột không có sườn tăng cứng). Thiết kế đường hàn được thực hiện theo EN 1993-1-8:2005, Điều 4.5.3.2(6). Kiểm tra được thực hiện tại hai điểm chính: tại mép trên hoặc dưới của cánh (ứng suất uốn lớn nhất) và tại giao điểm của cánh và bản bụng (tổ hợp ứng suất do lực cắt và mô men uốn).

Bản bụng chịu cắt

Chiều dày bản bụng cột được thiết kế tối đa là lớp 3; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.1(1). Hai đóng góp vào khả năng chịu tải được xem xét: sức kháng của bản bụng cột chịu cắt và đóng góp từ ứng xử khung của cánh cột và sườn tăng cứng nằm ngang; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.1 (6.7 và 6.8).

Bản bụng cột chịu nén hoặc kéo ngang

Ảnh hưởng của tương tác tải trọng cắt được xem xét; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.2 và Bảng 6.3. Ảnh hưởng của ứng suất dọc trong bản bụng cột được xem xét; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.2(2). Sườn tăng cứng nằm ngang ngăn ngừa oằn và được tính vào khả năng chịu tải của cấu kiện này với diện tích hiệu quả.

Cánh dầm chịu nén

Dầm nằm ngang được thiết kế tối đa là lớp 3.

Cánh cột hoặc bản mã đầu dầm chịu uốn

Chiều dài hiệu quả cho các dạng phá hoại tròn và không tròn được xem xét theo EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6. Ba dạng sụp đổ theo EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.4.1 được xem xét.

Bu lông

Bu lông được thiết kế theo EN 1993-1-8:2005, Điều 3.6.1. Sức kháng thiết kế xem xét sức kháng chọc thủng và đứt bu lông.

Mô hình thiết kế số

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 màng và uốn. Trạng thái vật liệu đàn hồi-dẻo phi tuyến được khảo sát tại mỗi lớp của điểm tích phân. Kiểm tra dựa trên biến dạng lớn nhất theo EN 1993-1-5:2006 với giá trị 5 %. Bu lông được chia thành ba cấu kiện con. Cấu kiện đầu tiên 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.

Ứng xử tổng thể

So sánh ứng xử tổng thể của nút liên kết, được mô tả bằng biểu đồ mô men - góc xoay cho cả hai quy trình thiết kế đã đề cập ở trên, đã được thực hiện. Chú ý tập trung vào các đặc trưng chính của biểu đồ mô men - góc xoay: độ cứng ban đầu, sức kháng thiết kế và khả năng biến dạng. Dầm IPE 330 được liên kết với cột HEB 300 bằng bản mã đầu dầm mở rộng với 5 hàng bu lông M24 8.8. Kết quả của cả hai quy trình thiết kế được thể hiện trong biểu đồ ở Hình 9.2.2 và trong Bảng 9.2.1. Phương pháp cấu kiện (CM) thường cho độ cứng ban đầu cao hơn so với CBFEM. CBFEM cho sức kháng thiết kế cao hơn một chút so với CM trong tất cả các trường hợp, như thể hiện trong Chương 9.2.5. Sự khác biệt lên đến 10%. Khả năng biến dạng cũng được so sánh. Khả năng biến dạng được tính theo (Beg et al. 2004) vì EC3 cung cấp cơ sở hạn chế cho khả năng biến dạng của các nút liên kết bản mã đầu dầm.

Hình 9.2.2 Biểu đồ mô men - góc xoay

Bảng 9.2.1 Tổng quan ứng xử tổng thể

Kiểm tra xác nhận sức kháng

Sức kháng thiết kế tính bằng CBFEM được so sánh với kết quả của phương pháp cấu kiện trong bước tiếp theo. So sánh tập trung vào sức kháng và cấu kiện tới hạn. Nghiên cứu được thực hiện cho thông số tiết diện cột. Dầm IPE 330 được liên kết với cột bằng bản mã đầu dầm mở rộng với 5 hàng bu lông. Bu lông M24 8.8 được sử dụng. Kích thước của bản mã đầu dầm P15 với khoảng cách mép và bước bu lông tính bằng milimét là chiều cao 450 (50-103-75-75-75-73) và chiều rộng 200 (50-100-50). Mép ngoài của cánh trên cách mép bản mã đầu dầm 91 mm. Cánh dầm được liên kết với bản mã đầu dầm bằng đường hàn có chiều dày cổ hàn 8 mm. Bản bụng dầm được liên kết bằng đường hàn có chiều dày cổ hàn 5 mm. Cột được tăng cứng bằng sườn tăng cứng nằm ngang đối diện với cánh dầm. Sườn tăng cứng dày 15 mm và chiều rộng tương ứng với chiều rộng cột. Chiều dày sườn tăng cứng bản mã đầu dầm là 10 mm và chiều rộng là 90 mm. Kết quả được thể hiện trong Bảng 9.2.2 và Hình 9.2.3.

Bảng 9.2.2 Sức kháng thiết kế theo thông số – tiết diện cột

Hình 9.2.3 Sức kháng thiết kế phụ thuộc vào tiết diện cột

Để minh họa độ chính xác của mô hình CBFEM, kết quả của các nghiên cứu tham số được tóm tắt trong biểu đồ so sánh sức kháng dự đoán bởi CBFEM và CM; xem Hình 9.2.4. Kết quả cho thấy CBFEM cho sức kháng thiết kế cao hơn một chút so với CM trong hầu hết các trường hợp. Sự khác biệt giữa hai phương pháp lên đến 10%.

Hình 9.2.4 Kiểm tra xác nhận CBFEM so với CM

Ví dụ chuẩn

Dữ liệu đầu vào

• Thép S235
• Dầm IPE 330
• Cột HEB 300
• Chiều cao bản mã đầu dầm h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Chiều rộng bản mã đầu dầm b_p = 200 (50-100-50) mm
• Bản mã đầu dầm P15
• Sườn tăng cứng cột dày 15 mm và rộng 300 mm
• Sườn tăng cứng bản mã đầu dầm dày 10 mm, rộng và cao 90 mm, vát cạnh 20 mm 
• Chiều dày cổ hàn cánh a_f = 8 mm
• Chiều dày cổ hàn bản bụng và sườn tăng cứng bản mã đầu dầm a_w = 5 mm
• Bu lông M24 8.8

Kết quả đầu ra

• Sức kháng thiết kế chịu uốn M_Rd = 206 kNm
• Lực cắt đứng tương ứng V_Ed= –206 kN
• Dạng sụp đổ: chảy dẻo của sườn tăng cứng dầm tại cánh trên
• Hệ số sử dụng bu lông 90,2 %
• Hệ số sử dụng đường hàn 99,0 %