Ví dụ kiểm chứng này được thực hiện trong khuôn khổ dự án hợp tác giữa Đại học Bang Ohio và IDEA StatiCa. Danh sách tác giả như sau:

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

4.1. Giới thiệu

Khác với các liên kết moment khác được đề cập trong nghiên cứu này, liên kết moment bản cánh hàn không gia cường - bản bụng bu lông (WUF-B) chỉ được phép sử dụng trong hệ khung moment thông thường (OMF). Trong nghiên cứu này, năm liên kết WUF-B đã thử nghiệm và ba liên kết WUF-B được phát triển đã được khảo sát. Sử dụng IDEA StatiCa và tuân theo quy trình thiết kế AISC, khả năng chịu uốn của tám liên kết đã được tính toán và kết quả được so sánh với nhau. Một trong các mẫu thử nghiệm được chọn làm mô hình cơ sở để tiếp tục khảo sát bằng Abaqus. Đường cong moment - góc xoay được tính toán cho mô hình cơ sở bằng cả IDEA StatiCa và Abaqus, và các đường cong tính toán được so sánh với đường cong đo được trình bày trong báo cáo thử nghiệm. Ngoài ra, ảnh hưởng của các loại bu lông khác nhau cũng được khảo sát chi tiết. 

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Bảy cặp liên kết moment WUF-B giống hệt nhau đã được đánh giá theo Quy trình thử nghiệm Giai đoạn 2 SAC (SAC, 1997) bởi Lee và cộng sự (1999) tại Đại học Lehigh trong khuôn khổ chương trình Giai đoạn II SAC. Năm mẫu thử nghiệm được chọn để khảo sát trong nghiên cứu này, trong đó một mẫu được chọn làm mô hình cơ sở. Các thông số của mẫu được trình bày trong Bảng 4.1. Mô hình cơ sở bao gồm dầm W24x68 và cột W14x120, sáu bu lông A325 chịu trượt tới hạn (SC) đường kính 7/8 in., bản mã liên kết đơn dày 3/8 in., và bản liên tục dày 5/8 in. Biến thể 1, biến thể 2 và biến thể 3 có dầm W30x99 giống nhau, bản mã liên kết đơn dày 1/2 in., bản liên tục dày 3/4 in., và tám bu lông A325 chịu trượt tới hạn (SC) đường kính 1 in., trong khi kích thước cột lần lượt là W14x145, W14x176 và W14x257. Biến thể 4 có dầm W36x150 và cột W14x257, mười bu lông A325 chịu tỳ đường kính 1 in. với ren nằm ngoài mặt phẳng cắt, bản mã liên kết đơn dày 5/8 in., và bản liên tục dày 1 in.

Bảng 4.1: Thông số các mẫu WUF-B (Lee và cộng sự, 1999)

Khoảng cách giữa các gối đỡ cột là 144 in., và khoảng cách từ mặt cột đến kích là 134,9 in. Sơ đồ thử nghiệm và cấu hình của năm liên kết được trình bày trong Hình 4.1 đến 4.3.

Hình 4.1: Trái) Sơ đồ thử nghiệm; Phải) cấu hình mô hình cơ sở (Lee và cộng sự, 1999)

Hình 4.2: Trái) Cấu hình biến thể 1; Phải) cấu hình biến thể 2 (Lee và cộng sự, 1999)

Hình 4.3: Trái) Cấu hình biến thể 3; Phải) cấu hình biến thể 4 (Lee và cộng sự, 1999)

Các thông số vật liệu từ thử nghiệm mẫu coupon cho bản cánh dầm, bản cánh cột, bản mã liên kết đơn và bản liên tục được trình bày trong Bảng 4.2.

Bảng 4.2: Thông số vật liệu đo được của các mẫu WUF-B được chọn (Lee và cộng sự, 1999)

Theo kết quả thử nghiệm, vùng panel của mô hình cơ sở bắt đầu chảy dẻo ở chu kỳ trôi dạt 0,75%. Chảy dẻo ở bản cánh dầm bắt đầu ở chu kỳ trôi dạt 1%, và hiện tượng rách bản cánh dầm được quan sát thấy ở chu kỳ thứ hai tại trôi dạt 3% (xem Hình 4.4). Tương tự, hiện tượng chảy cắt đầu tiên được quan sát thấy ở vùng panel của biến thể 1 tại chu kỳ trôi dạt 0,5. Chảy dẻo ở vùng panel lan rộng trong các chu kỳ trôi dạt 1,5. Trong các chu kỳ trôi dạt 3%, khớp dẻo hình thành ở vùng này và hiện tượng nứt gãy ở vùng k của cột được quan sát thấy (xem Hình 4.5). Đối với biến thể 2, báo cáo ghi nhận vùng panel bắt đầu chảy dẻo ở chu kỳ trôi dạt 1% và lan rộng trong các chu kỳ tiếp theo. Trong các chu kỳ trôi dạt 2%, bản cánh dầm bị chảy dẻo. Vết nứt nhỏ xuất hiện ở bản cánh dầm tại chu kỳ trôi dạt 3% và hiện tượng gãy được quan sát thấy ở bản cánh trên của dầm tại chu kỳ đầu tiên của trôi dạt 4% (xem Hình 4.6).

Hình 4.4: Trái) Mô hình cơ sở sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - góc xoay dẻo tổng (Lee và cộng sự, 1999)

Hình 4.5: Trái) Biến thể 1 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - góc xoay dẻo tổng (Lee và cộng sự, 1999)

Hình 4.6: Trái) Biến thể 2 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - góc xoay dẻo tổng (Lee và cộng sự, 1999)

Khác với ba mẫu thử nghiệm đầu tiên, hiện tượng chảy dẻo đầu tiên hình thành ở bản cánh dầm trong các chu kỳ trôi dạt 1%, và các vết nứt nhỏ ở khu vực này được quan sát thấy tại chu kỳ trôi dạt 1,5 trong quá trình thử nghiệm biến thể 3. Vùng panel bắt đầu chảy dẻo trong các chu kỳ trôi dạt 2% và hiện tượng rách dẻo được quan sát thấy ở bản cánh trên của dầm tại chu kỳ trôi dạt 2% (xem Hình 4.7).

Hình 4.7: Trái) Biến thể 3 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - góc xoay dẻo tổng (Lee và cộng sự, 1999)

Đối với biến thể 4, báo cáo thử nghiệm ghi nhận hiện tượng chảy dẻo đầu tiên xảy ra ở vùng panel tại chu kỳ trôi dạt 0,75. Bản cánh dầm bị chảy dẻo ở chu kỳ trôi dạt 1%, và các vết nứt nhỏ được quan sát thấy gần lỗ khoét tiếp cận mối hàn của bản cánh dầm tại chu kỳ trôi dạt 2%. Hiện tượng gãy ở bản cánh dầm được quan sát thấy trong các chu kỳ trôi dạt 3% (xem Hình 4.8).

Hình 4.8: Trái) Biến thể 4 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - góc xoay dẻo tổng (Lee và cộng sự, 1999)

4.3 Tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn

Các kiểm tra thiết kế theo tiêu chuẩn đã được thực hiện và các dạng phá hoại được xác định cho liên kết moment WUF-W theo yêu cầu của AISC 341 (2016) và AISC 360 (2016). Theo Mục D.2 trong AISC 341, các liên kết bu lông có hệ số trượt tối thiểu 0,30 có thể được thiết kế như liên kết tỳ có ứng lực trước. Do phân tích sơ bộ các mẫu thử nghiệm bằng IDEA StatiCa cho thấy trạng thái giới hạn quyết định là cường độ bu lông của liên kết chịu trượt tới hạn đối với mô hình cơ sở, biến thể 2 và biến thể 3, ba biến thể bổ sung đã được phát triển từ các liên kết thử nghiệm đó bằng cách chuyển loại bu lông từ chịu trượt tới hạn (SC) sang loại chịu tỳ với ren nằm ngoài mặt phẳng cắt. Ba mẫu được phát triển được đặt tên bằng cách thêm ".X" vào tên ban đầu được trình bày trong Bảng 4.2 (ví dụ: mô hình cơ sở.X từ mô hình cơ sở), trong khi tên của ba mẫu thử nghiệm được cập nhật bằng cách thêm ".SC" vào tên ban đầu (ví dụ: mô hình cơ sở.SC từ mô hình cơ sở, xem Bảng 4.3 để biết tên đã cập nhật).

Các kiểm tra thiết kế sau đây đã được xác định cho liên kết moment WUF-B theo AISC 341 (2016) và AISC 360 (2016).

• Lỗ khoét tiếp cận mối hàn                                                                          (AWS (2016) D1.8/D1.8M)
• Kiểm tra cường độ chịu uốn của cột                                                   (AISC 360 (2016), Eq. F2-1)
• Kiểm tra cường độ cắt vùng panel                                                 (AISC 341 (2016), J10-11)
• Kiểm tra yêu cầu bản liên tục                                           (AISC 341 (2016), Sec. E3.6f)
• Kiểm tra chảy cắt trên dầm                                                     (AISC 360 (2016), Eq. J4-3)
• Kiểm tra cường độ mối hàn giữa bản mã liên kết đơn và cột                (AISC 360 (2016), Eq. J4-2)
• Kiểm tra cường độ cắt bu lông                                                             (AISC 360 (2016), Eq. J3-6a)
• Kiểm tra bản cánh dầm với bản cánh cột                                            (AISC 341 (2016), Sec E1.6)
• Lỗ khoét tiếp cận mối hàn                                                                            (AWS (2016) D1.8/D1.8M)

Do cường độ bu lông của các mẫu thử nghiệm không được đo và cung cấp trong báo cáo, bu lông chịu trượt tới hạn A325 được giả định có bề mặt loại A với hệ số trượt 0,3, và các giá trị danh nghĩa theo Bảng J3 của AISC được sử dụng cho cường độ kéo danh nghĩa (\(f_{nt} = 90\) \(ksi\)) và cường độ cắt  (\(f_{nv} = 68\) \(ksi\)) cho bu lông chịu tỳ loại A325. Tóm tắt các kiểm tra thiết kế được trình bày trong Bảng 4.3.

Bảng 4.3: Kiểm tra thiết kế cho liên kết moment WUF-W

Dạng phá hoại của các mẫu có thể được dự đoán bằng cách tính toán cường độ của các trạng thái giới hạn sau và xác định trạng thái quyết định bằng cách so sánh với cường độ yêu cầu tính từ phân tích kết cấu đại diện cho điều kiện thử nghiệm:

1. Cường độ chịu uốn dẻo của cột
2. Cường độ chịu uốn dẻo của dầm
3. Cường độ chịu uốn tương ứng với khả năng chịu cắt không đàn hồi của vùng panel

Moment dẻo của dầm và cột tại vị trí khớp dẻo (\(M_{by@ph}\) và (\(M_{cy@ph}\)) được tính như sau:

        \(M_{b@ph}\) = \(F_{yb}Z_{bx}\)                                                          (4.1)

     \(M_{b@ph}\) = \(F_{yc}Z_{cx}\)                                                              (4.2)

trong đó \(F_{yb}\) là giới hạn chảy của dầm, \(Z_{bx}\) là mô đun tiết diện dẻo của dầm, \(F_{yc}\) là giới hạn chảy của cột, và \(Z_{cx}\) là mô đun tiết diện dẻo của cột. Cường độ cắt không đàn hồi của vùng panel, \(R_{npz}\), được tính với giả định rằng cường độ lực dọc yêu cầu của cột nhỏ hơn hoặc bằng 75% cường độ chảy dọc trục của nó theo Mục J10 trong AISC 360 (2016) như sau:

 \(R_{npz} = (1.0)(0.6)F_{yc}d_{c}t_{cw}(1+\frac{{3b_{cf}t_{cf}}^2}{d_{c}d_{b}t_{cw}})\)                     (4.3)

trong đó \(d_{c}\) là chiều cao cột, \(t_{cw}\) là chiều dày bản bụng cột, \(b_{cf}\) là chiều rộng bản cánh cột, \(t_{cf}\) là chiều dày bản cánh cột, \(d_{b}\) là chiều cao dầm.

Khả năng chịu uốn của vùng panel tại trục cột, \(M_{npz}\), có thể được tính bằng cách xét lực cắt tầng của cột tác dụng theo chiều ngược lại như thể hiện trong Hình 4.9 như sau:

  \(M_{npz} = (R_{npz} + V_{c})(d_{b} - t_{bf})\)                                     (4.4)

trong đó \(V_{c}\) là lực cắt của cột, \(d_{b}\) là chiều cao dầm, \(t_{bf}\) là chiều dày bản cánh dầm. Khả năng chịu uốn của vùng panel tại mặt cột, \(M_{npz@foc}\), có thể được tính bằng cách trừ đi moment bổ sung do tải trọng đứng từ mặt cột đến trục cột như sau:

 \(M_{npz@foc} = M_{npz} - V_{grav}\frac{d_{c}}{2}\)     

trong đó \(V_{grav}\) là lực đứng tại vị trí khớp dẻo của dầm.                                       

Hình 4.9: Các lực trong vùng panel (AISC 360, 2016)

Để tính toán ứng xử của các mẫu, mô hình SAP2000 đại diện cho sơ đồ thử nghiệm đã được xây dựng. Giả định rằng các gối đỡ cột là liên kết khớp. Đối với mô hình cơ sở, mô hình SAP2000 đã xây dựng và biểu đồ moment tính toán tương ứng với tải trọng đứng 10 kips tại đầu dầm được minh họa trong Hình 4.10.

Hình 4.10: Trái) Mô hình SAP2000; Phải) Biểu đồ moment

Ứng xử moment của dầm và cột tại trục của chúng (\(M_{bu@cc}\) và \(M_{cu@cc}\)) được lấy từ mô hình SAP2000, và các giá trị moment tương ứng tại mặt cấu kiện (tức là \(M_{bu@foc}\) và \(M_{cu@foc}\)) được tính như sau:

\(M_{bu@foc} = (M_{bu@cc} - V_{ub})\frac{d_{b}}{2}\)                                     (4.5)

\(M_{cu@foc} = (M_{cu@cc} - V_{uc})\frac{d_{c}}{2}\)                                      (4.6)

trong đó \(V_{ub}\) là lực cắt tính toán của dầm và \(V_{uc}\) là lực cắt tính toán của cột. Giả định rằng khớp dẻo trong dầm hình thành tại mặt cột, và khớp dẻo trong cột xảy ra tại mặt dầm. Khả năng chịu uốn tính toán của vùng panel và dầm tại mặt cột (tức là \(M_{npz@foc}\) và \(M_{b@ph}\)), và khả năng chịu uốn của cột tại mặt dầm (\(M_{c@ph}\)) được trình bày trong Bảng 4.4. Ngoài ra, phân tích SAP2000 được thực hiện cho từng liên kết theo cách mà dầm đạt đến khả năng chịu moment dẻo do lực cắt tác dụng tại đầu dầm đại diện cho kích. Ứng xử moment tính toán của cột và dầm tại mặt cấu kiện (tức là \(M_{cu@foc}\), \(M_{bu@foc}\)) cũng được trình bày trong Bảng 4.4. Các giá trị này được so sánh với nhau và trạng thái giới hạn quyết định được xác định.

Bảng 4.4: Tóm tắt tính toán khả năng chịu lực

Dạng phá hoại của mô hình cơ sở.SC, biến thể 1 và mô hình cơ sở.X là cường độ vùng panel, trong khi cường độ chịu uốn dẻo của dầm là trạng thái giới hạn quyết định đối với các mẫu còn lại.

4.4 Phân tích IDEA StatiCa

Tám liên kết moment WUF-B được mô tả trong phần trước đã được mô hình hóa trong IDEA StatiCa với mục đích mô phỏng ứng xử của các thí nghiệm. Các thông số vật liệu từ thử nghiệm mẫu coupon đo được cung cấp trong Lee và cộng sự (1999) đã được sử dụng trong phần mềm IDEA StatiCa và các hệ số sức kháng được đặt bằng 1,0. Sử dụng kiểu phân tích ứng suất - biến dạng trong IDEA StatiCa (tức là EPS), khả năng chịu moment và dạng phá hoại của các liên kết đã được xác định. Đối với mô hình cơ sở, quan hệ moment - góc xoay được tính toán bằng kiểu phân tích độ cứng liên kết (tức là ST) trong phần mềm IDEA StatiCa.

4.4.1 Phân tích mô hình Cơ sở.SC

Mô hình IDEA StatiCa được xây dựng cho mô hình cơ sở.SC sử dụng các thông số vật liệu đo được (Bảng 4.2). Các hệ số cường độ dư, \(R_{y}\) và \(F_{t}\), và tất cả các hệ số sức kháng LRFD được đặt bằng 1,0. Để xác định tải trọng tại trục cột, mô hình khung dầm-cột được tạo trong SAP2000 với chiều dài cột và dầm trong sơ đồ thử nghiệm (xem Hình 4.10). Liên kết khớp được gán tại cả hai đầu cột, và lực cắt 10 kips được đặt tại khoảng cách 134,9 in. tính từ mặt cột. Các tải trọng nút tính toán được áp dụng vào mô hình IDEA StatiCa tại vị trí dầm bằng không (trục cột) bằng cách bật tùy chọn "tải trọng ở trạng thái cân bằng". Để tính toán khả năng chịu lực, tải trọng được tăng dần cho đến khi đạt được một trong các điều kiện sau:

1. Biến dạng dẻo 5% trong các bản (dầm, cột, bản mã liên kết đơn, bản liên tục)
2. 100% khả năng chịu lực của bu lông
3. 100% khả năng chịu lực của mối hàn

Khi lực cắt và giá trị moment tương ứng đạt lần lượt 47,60 kips và 6.770 kips-in., khả năng chịu lực của bu lông đã đạt và biến dạng dẻo trung bình tính toán trong bản cánh dầm là 3,2% (Hình 4.11). Sử dụng phân tích "ST", quan hệ moment - góc xoay được tính toán và thể hiện trong Hình 4.12. Lưu ý rằng trong phân tích "ST", cột được ngàm cứng tại cả hai đầu, điều này có thể dẫn đến sự khác biệt giữa sức kháng uốn thu được từ phân tích "EPS" với tải trọng ở trạng thái cân bằng.

Hình 4.11: Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình Cơ sở.SC dưới moment 6.770 kips-in.

Hình 4.12: Quan hệ moment - góc xoay cho mô hình cơ sở.SC

4.4.2 Phân tích Biến thể 1

Theo cùng quy trình được mô tả cho mô hình cơ sở.SC, mô hình IDEA StatiCa được xây dựng cho biến thể 1 với bu lông chịu trượt tới hạn. Từ quá trình gia tải tăng dần, khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 82,20 kips và 11.700 kips-in., bản bụng dầm đạt giới hạn biến dạng dẻo 5% trong khi biến dạng dẻo 4,6% và 4,0% đạt được lần lượt trong bản cánh dầm và bản bụng cột (Hình 4.13).  

Hình 4.13: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 1 dưới moment 11.700 kips-in.

 4.4.3 Phân tích Biến thể 2.SC

Theo cùng quy trình được mô tả trong hai phần trước, phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho biến thể 2.SC. Quan sát thấy rằng khả năng chịu lực của bu lông đạt được khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 90,0 kips và 12.800 kips-in. (Hình 4.14).

Hình 4.14: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 2 dưới moment 12.800 kips-in.

4.4.4 Phân tích Biến thể 3.SC

Theo cùng quy trình, khả năng chịu uốn của biến thể 3.SC được xác định bằng IDEA StatiCa. Khi lực cắt và moment tương ứng đạt lần lượt 87,90 kips và 12.500 kip-in., khả năng chịu lực của bu lông chịu trượt tới hạn đã đạt (Hình 4.15).

Hình 4.15: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 3 dưới moment 12.500 kips-in.

4.4.5 Phân tích Biến thể 4

Phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho biến thể 4 theo cùng quy trình. Phân tích IDEA StatiCa cho thấy giới hạn biến dạng dẻo 5% đạt được trong bản bụng dầm và biến dạng dẻo 3,8% được tính toán trong bản cánh trên của dầm khi lực cắt 156,60 kips và moment tương ứng 22.270 kips-in. đạt được (Hình 4.16).

Hình 4.16: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 4 dưới moment 22.270 kips-in.

4.4.6 Phân tích mô hình Cơ sở.X

Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở.X được phát triển từ mô hình cơ sở.SC bằng cách thay đổi loại bu lông từ chịu trượt tới hạn sang bu lông chịu tỳ. Cùng quy trình được thực hiện và khả năng chịu uốn của mẫu được tính toán. Quan sát thấy rằng biến dạng dẻo 5% được tính toán trong bản cánh trên của dầm khi lực cắt 48,00 kips và moment tương ứng 6.830 kip-in. đạt được (xem Hình 4.17). Giá trị này cao hơn XX% so với mô hình Cơ sở.SC.

Hình 4.17: Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở.X dưới moment 6.830 kips-in.

4.4.7 Phân tích Biến thể 2.X

Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 2.X được phát triển từ biến thể 2.SC bằng cách thay đổi loại bu lông. Quan sát thấy rằng biến dạng dẻo 5% đạt được trong bản bụng dầm trên khi lực cắt 97,00 kips và moment tương ứng 13.800 kip-in. được áp dụng (xem Hình 4.18). Ngoài ra, biến dạng dẻo 4,8% được tính toán trong bản cánh trên của dầm. Giá trị này cao hơn XX% so với mô hình 2.SC.

Hình 4.18: Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình biến thể 2.X dưới moment 13.800 kips-in.

4.4.8 Phân tích Biến thể 3.X

Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 3.X được phát triển từ biến thể 3.SC theo các bước tương tự được giải thích trong hai phần trước. Quan sát thấy rằng giới hạn biến dạng dẻo 5% đạt được trong bản bụng dầm trong khi biến dạng dẻo 4,9% được tính toán trong bản cánh trên của dầm khi lực cắt và moment tương ứng đạt lần lượt 98,20 kips và 13.970 kip-in. (xem Hình 4.19). Giá trị này cao hơn XX% so với mô hình 3.SC.

Hình 4.19: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 3.X dưới moment 13.970 kips-in.

Tám liên kết moment WUF-W đã được phân tích bằng IDEA StatiCa và khả năng chịu moment của chúng tại trục cột được tính toán. Khả năng chịu moment tại mặt cột được tính bằng Phương trình 4.7 và được trình bày trong Bảng 4.5.

\(M_{y@foc} = M_{y@cc} - V\frac{d_{c}}{2}\)                                                      (4.7)

trong đó \(M_{y@foc}\) là khả năng chịu moment tại mặt cột, \(M_{y@cc}\) là khả năng chịu moment tại trục cột, \(V\) là lực cắt, và \(d_{c}\) là chiều cao cột.

Bảng 4.5: Khả năng chịu moment tính toán bằng IDEA StatiCa

4.5. Phân tích ABAQUS

Trong phần này, mô hình cơ sở được xây dựng trong Mục 4.4.1 được tái tạo bằng phần mềm ABAQUS (phiên bản 2022) để phân tích phần tử hữu hạn và kết quả được so sánh với IDEA StatiCa. Mô hình CAD cho phân tích phần tử hữu hạn được tạo ra bằng nền tảng Viewer của IDEA StatiCa. Sáu bu lông và 28 đường hàn kết nối toàn bộ cụm lắp ráp sau đó được thêm thủ công bằng giao diện CAD trong ABAQUS. Tải trọng đứng 47,6 kips và moment tương ứng 6.770 kips-in. (quanh trục Y) được áp dụng vào một điểm tham chiếu xác định (tức là RF₁) tại trục cột như thể hiện trong Hình 4.20. Chiều dài phân tích của cột trong IDEA StatiCa là 175,95 in. Do đó, để mô phỏng chiều dài cột giống hệt trong ABAQUS, hai điểm tham chiếu khác (tức là RF₂ và RF₃) được đặt cách tâm cột 87,975 in. dọc theo trục Z theo cả hai chiều (xem Hình 4.20). Hai điểm tham chiếu này được cố định theo tất cả các phương và được kết nối với mặt trên và mặt dưới của cột bằng mô-đun xây dựng liên kết trong ABAQUS. Để mô phỏng cơ chế truyền lực cắt theo kiểu ma sát trong bu lông của IDEA StatiCa, tải trọng ứng lực trước được áp dụng trong ABAQUS dọc theo trục của từng thân bu lông. Trong ABAQUS, kích thước phần tử được chọn trong khoảng 0,1-0,4 in. sau phân tích độ nhạy lưới thông thường, và tổng cộng 310.451 phần tử được tạo ra trong mô hình. Phần tử khối tuyến tính 8 nút tích phân giảm ứng suất 3D (tức là C3D8R) được chọn làm loại phần tử.

Hình 4.20: Thiết lập mô hình và mật độ lưới trong ABAQUS

Ràng buộc liên kết cứng được áp dụng giữa các đường hàn và các bộ phận kết nối. Ứng xử vật liệu được mô hình hóa bằng tính dẻo tuyến tính hai đoạn trong ABAQUS. Các thông số khác, bao gồm khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson được lấy từ thư viện vật liệu của IDEA StatiCa. Mô phỏng số được thực hiện trên bốn bộ xử lý (Intel Xenon ® CPU E5-2698 v4 @ 2,20GHz) và mất khoảng 270 phút để hoàn thành. Hình 4.21 so sánh ứng suất von-Mises dự đoán giữa IDEA StatiCa và ABAQUS.

Hình 4.21: So sánh ứng suất von Mises tính toán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS

Ứng suất tối đa dự đoán trong IDEA StatiCa là 46,2 ksi trên bản bụng cột (lưu ý rằng chú giải của IDEA StatiCa hiển thị dữ liệu thiết kế) trong khi mô hình ABAQUS cho thấy ứng suất tối đa 46,8 ksi tại cùng vị trí. Ứng suất tối đa 51,8 ksi trong chú giải ABAQUS thuộc về đường hàn phía trước kết nối bản mã liên kết đơn với cột. Sự phân bố ứng suất hơi khác nhau có thể là do việc xem xét chiều dài cột trong ABAQUS và cách áp dụng điều kiện biên, sử dụng lưới mịn hơn trong phân tích phần tử hữu hạn, và mô hình CAD đơn giản hóa trong IDEA StatiCa. Lưu ý rằng các tác giả đã thực hiện phân tích độ nhạy lưới thông thường cho mô hình IDEA StatiCa và quan sát thấy một số sự không nhất quán trong kết quả.

Biến dạng dẻo tối đa tính toán trong IDEA StatiCa và ABAQUS lần lượt là 2,3% và 2,9% (cả hai đều trên bản cánh trên của dầm). Ngoài ra, vùng biến dạng dẻo dự đoán bởi IDEA StatiCa nhất quán với bản đồ chảy dẻo tính toán trong ABAQUS (tức là hàng dưới cùng trong Hình 4.22). Thêm vào đó, kết quả ABAQUS cho thấy các bu lông cũng đang trải qua biến dạng dẻo.

Hình 4.22: Hàng trên) So sánh biến dạng dẻo tính toán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS; hàng dưới) So sánh bản đồ chảy dẻo giữa IDEA StatiCa và ABAQUS

Hình 4.23 thể hiện so sánh đường cong moment - góc xoay giữa hai phần mềm theo trục cột. Lưu ý rằng trong Hình 4.23, để xác định tổng góc xoay bằng IDEA StatiCa (thể hiện bằng đường cam đứt nét), góc xoay đàn hồi của dầm tại trục cột được tính bằng SAP2000 và sau đó cộng vào đường cong góc xoay dẻo mặc định được báo cáo bởi IDEA StatiCa (thể hiện bằng đường cam liền nét). Cả hai mô hình đều cho ước tính độ cứng ban đầu tương đương nhau. Sự khác biệt nhỏ có thể liên quan đến sự khác nhau về loại phần tử (tức là phần tử khối trong ABAQUS so với phần tử vỏ trong IDEA StatiCa) và việc sử dụng ràng buộc liên kết cứng trong ABAQUS để đại diện cho các mối hàn.

Hình 4.23: So sánh moment - góc xoay giữa IDEA StatiCa và ABAQUS

4.6 Tóm tắt và So sánh Kết quả

Tám liên kết moment WUF-B đã được khảo sát bằng IDEA StatiCa và theo quy trình thiết kế AISC. Ngoài ra, kết quả từ mô hình cơ sở IDEA StatiCa (tức là SC) được so sánh với kết quả từ mô hình ABAQUS tương đương.

Trong quá trình thử nghiệm mô hình cơ sở.SC, mẫu bị phá hoại do rách bản cánh dầm trong khi trạng thái giới hạn quyết định tính theo quy trình AISC là cường độ vùng panel, thấp hơn 8% so với cường độ dầm. Phân tích IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở.SC tính toán dạng phá hoại là cường độ trượt bu lông. Mặt khác, mô hình IDEA StatiCa của mô hình cơ sở.X bị phá hoại do bản cánh dầm vì loại bu lông được thay đổi từ chịu trượt tới hạn sang chịu tỳ theo quy định của AISC 341 cho các liên kết moment. Ngoài ra, quan hệ moment - góc xoay dẻo tính toán bằng IDEA StatiCa được so sánh với đường cong cung cấp trong báo cáo thử nghiệm như minh họa trong Hình 4.24.

Hình 4.24: So sánh moment - góc xoay cho mô hình cơ sở.SC với hình phóng to bên phải

Đối với biến thể 1, báo cáo thử nghiệm chỉ ra rằng khớp dẻo xảy ra trong vùng panel. Cùng dạng phá hoại được tính toán theo quy trình AISC. Mặt khác, phân tích IDEA StatiCa cho thấy mẫu đạt khả năng chịu lực do bản bụng dầm với biến dạng dẻo 5% trong khi biến dạng dẻo 4% được tính toán trong vùng panel.

Đối với biến thể 2.SC, gãy bản cánh dầm được báo cáo là dạng phá hoại của mẫu. Tương tự, quy trình AISC tính toán cùng dạng phá hoại. Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 2.SC cho thấy dạng phá hoại là cường độ trượt bu lông trong khi phân tích IDEA StatiCa thực hiện cho biến thể 2.X tính toán cùng dạng phá hoại với thử nghiệm và quy trình AISC.

Đối với biến thể 3.SC, rách dẻo được báo cáo trong quá trình thử nghiệm. Cùng dạng phá hoại được tính toán theo quy trình AISC. Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 3.SC cho thấy cường độ trượt bu lông đạt được trong khi mô hình xây dựng cho biến thể 3.X cho thấy mẫu đạt khả năng chịu lực do cường độ chịu uốn của dầm như quan sát theo quy trình AISC và trong thử nghiệm.

Đối với biến thể 4, quan sát thử nghiệm, quy trình AISC và phân tích IDEA StatiCa tính toán cùng dạng phá hoại. Khả năng chịu moment uốn theo IDEA StatiCa được tính là 20.656 kips-in. trong khi tính theo quy trình AISC là 24.286 kips-in. Khả năng chịu moment uốn tính toán của tám mẫu bằng IDEA StatiCa và theo quy trình AISC được trình bày trong Hình 4.25.

Hình 4.25: Khả năng chịu moment tính toán bằng IDEA StatiCa và quy trình AISC

Vui lòng thêm một số nhận xét ở cuối – ví dụ: IDEA StatiCa cho kết quả an toàn một cách nhất quán so với kết quả thực nghiệm và quy trình AISC. Mặc dù bu lông chịu trượt tới hạn được thiết kế, chúng có thể được kiểm tra bằng bu lông chịu tỳ trong IDEA StatiCa, tận dụng cường độ chịu tỳ sau trượt của chúng.

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

Tài liệu tham khảo

Lee, K. H., Stojadinovic, B., Goel, S. C., Margarian, A. G., Choi, J., Wongkaew, A., Reyher, B. P., and Lee, D. Y. (2002). Parametric Tests on Unreinforced Connections, Volume I-Final Report. SAC/BD-00/01.

AISC 360 (2016), "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

AISC 341 (2016), "Seismic Provisions for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 341-16, Chicago, Illinois.

AWS D1.8/D1.8M (2016) Structural Welding Code—Seismic Supplement AWS B4.0:2007 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds