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

3.1. Giới thiệu

Liên kết được tiền chứng nhận thứ ba được đề cập trong nghiên cứu kiểm chứng này là liên kết moment bản cánh hàn không gia cường - bụng hàn (WUF-W). Trong chương này, tương tự như các chương trước, sáu liên kết thép được điều tra thực nghiệm đã được chọn từ tài liệu để so sánh khả năng chịu moment uốn thu được bằng IDEA StatiCa và quy trình thiết kế AISC. Ngoài ra, so sánh quan hệ moment - góc xoay giữa IDEA StatiCa và ABAQUS đã được thực hiện cho một trong các mẫu được chọn làm mô hình cơ sở.

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Ricles và cộng sự (2000) đã thực hiện một loạt thí nghiệm để nghiên cứu hiệu năng kháng chấn của các liên kết bản cánh hàn không gia cường dẻo tại Đại học Lehigh. Để đạt mục đích này, sáu liên kết ngoài và năm liên kết trong toàn kích thước đã được chịu tải trọng chu kỳ. Mặc dù chi tiết hàn và hình học của các mẫu thử không nhất thiết thỏa mãn các yêu cầu của AISC 358 (2016) mới nhất, nghiên cứu thực nghiệm này được chọn để xem xét trong nghiên cứu kiểm chứng này vì các lý do sau:

• Không có nghiên cứu thực nghiệm nào được thực hiện tại Hoa Kỳ cho WUF-W với các mẫu thỏa mãn tất cả các yêu cầu được nêu trong AISC 358 (2016)
• Là một trong những nghiên cứu thực nghiệm đã tạo cơ sở cho các yêu cầu tiền chứng nhận của liên kết moment WUF-W trong AISC 358 (2016)
• Nghiên cứu thực nghiệm này được tài trợ bởi SAC Joint Venture với nguồn kinh phí từ Cơ quan Quản lý Tình trạng Khẩn cấp Liên bang (FEMA) nhằm đánh giá các chi tiết cải tiến của liên kết moment WUF-W. Chương trình nghiên cứu SAC được triển khai để cải thiện thiết kế và hiệu năng liên kết thép sau khi quan sát thấy hiệu năng kém của một số liên kết sau trận động đất Northridge năm 1994.

Sơ đồ thí nghiệm cho các liên kết trong được minh họa trong Hình 3.1. Chiều dài giữa gối đỡ dầm và trục cột là 177 in. (4,50 m), và chiều dài từ kích đến gối đỡ dưới của cột là 156 in. (3,96 m). Trong số 11 liên kết được thử nghiệm, sáu liên kết được chọn để đề cập trong nghiên cứu kiểm chứng này. Các đặc tính hình học và vật liệu của sáu liên kết được chọn được trình bày trong Bảng 3.1 và 3.2, và cấu hình của các mẫu được thể hiện trong Hình 3.2 đến 3.4.

Bảng 3.1: Đặc tính của các mẫu WUF-W

Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.2: Trái) Cấu hình mô hình cơ sở T1; Phải) cấu hình mẫu T5 (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.3: Trái) Cấu hình mẫu C1; Phải) cấu hình mẫu C2 (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.4: Trái) Cấu hình mẫu C3; Phải) cấu hình mẫu C4 (Ricles và cộng sự, 2000)

Bảng 3.2: Đặc tính vật liệu đo được của các mẫu WUF-W (Ricles và cộng sự, 2000)

Mô hình cơ sở (mẫu T1) và mẫu T5 là các liên kết ngoài, trong khi các mẫu còn lại là liên kết trong bao gồm các dầm và liên kết giống hệt nhau được gắn vào cùng một cột từ mỗi phía ngang (xem Hình 3.1). Do các liên kết giống hệt nhau cho thấy hiệu năng gần như tương đương trong quá trình thử nghiệm, chỉ một trong số các ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay được chia sẻ dưới đây cho mỗi mẫu liên kết trong được đề cập trong nghiên cứu này (mẫu C1, C2, C3 và C4).

Bụng dầm của mô hình cơ sở được hàn rãnh vào bản cánh cột và một đường hàn bổ sung được thực hiện liên tục xung quanh các cạnh của bản mã liên kết đơn. Theo báo cáo, đường hàn rãnh giữa bản mã liên kết đơn và bản cánh cột bị nứt trong các chu kỳ trôi dạt 2%, và bản cánh dầm bị nứt trong các chu kỳ trôi dạt 4% như thể hiện trong Hình 3.5. Mẫu T5 được thiết kế khác với mô hình cơ sở với bản tăng cứng bụng, mối hàn góc một phần giữa bản mã liên kết đơn và bụng dầm, kích thước mối hàn góc lớn hơn giữa bản mã liên kết đơn và bản cánh cột, và không có bản liên tục. Theo báo cáo, phá hoại dẻo xảy ra ở bản cánh dầm trong các chu kỳ 6% (xem Hình 6).

Hình 3.5: Trái) Mô hình cơ sở (T1) sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.6: Trái) Mẫu T5 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Ricles và cộng sự, 2000)

Mẫu C1 là một trong bốn liên kết trong được đề cập trong nghiên cứu này. Nó có kích thước cột lớn hơn và bản tăng cứng bụng dày hơn so với mẫu T5. Phá hoại dẻo được quan sát ở chu kỳ đầu tiên của trôi dạt 5% trên bản cánh trên dầm phía tây và chu kỳ thứ hai của trôi dạt 5% trên bản cánh trên dầm phía đông được minh họa trong Hình 3.7. Mẫu C2, khác với mẫu C1, được thiết kế với bản liên tục và bản tăng cứng bụng mỏng hơn. Kết quả thực nghiệm cho thấy mẫu C2 bị phá hoại trong các chu kỳ trôi dạt 6% do phá hoại dẻo trên cả hai bản cánh dầm như thể hiện trong Hình 3.8.

Mẫu C3 bao gồm một cột sâu hơn và mỏng hơn so với bốn mẫu đầu tiên. Báo cáo thử nghiệm nêu rằng phá hoại dẻo của bản cánh dầm phía tây được quan sát trong chu kỳ đầu tiên của trôi dạt tầng 5,5% như thể hiện trong Hình 3.9. Mẫu C4 có bản tăng cứng bụng và bản liên tục dày hơn ngoài cấu hình của mẫu C3. Trong quá trình thử nghiệm, phá hoại dẻo xảy ra vào cuối chu kỳ trôi dạt 6% (Hình 3.10).

Hình 3.7: Trái) Mẫu C1 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.8: Trái) Mẫu C2 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.9: Trái) Mẫu C3 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Ricles và cộng sự, 2000)

Hình 3.10: Trái) Mẫu C4 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Ricles và cộng sự, 2000)

3.3 Tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn

Quy trình được nêu trong Mục 8.7 của AISC 358 (2016) cho các liên kết WUF-W đã được tuân theo, và các kiểm tra sau đây được thực hiện cho sáu mẫu.

• Kiểm tra giới hạn hình học dầm                                         (AISC 358 Sec. 8.3.1)
• Kiểm tra giới hạn hình học cột                                      (AISC 358 Sec. 8.3.2)
• Kiểm tra khả năng chịu cắt thiết kế của dầm                         (AISC 358, Sec. 8.7)
• Kiểm tra khả năng chịu uốn                                                           (AISC 360, Eq. F2-1)
• Kiểm tra yêu cầu bản liên tục                                     (AISC 341, Sec.E3.6f.2)
• Kiểm tra quan hệ khả năng chịu lực cột - dầm                             (AISC 358 Section 8.4)
• Kiểm tra mối hàn bản cánh dầm với bản cánh cột                           (AISC 358 Section 8.5)
• Kiểm tra hình học lỗ tiếp cận hàn                                          (AWS D1.8/D1.8M)
• Kiểm tra liên kết bụng dầm với cột                                (AISC 358 Section 8.6)

Tóm tắt các kiểm tra thiết kế theo AISC 358 (2016) của sáu mẫu được trình bày trong Bảng 3.3. Chi tiết các tính toán và kiểm tra thiết kế được cung cấp trong Phụ lục E và F. 

Bảng 3.3: Kiểm tra thiết kế theo AISC 358 (2016) cho các mẫu

Giả thiết rằng khớp dẻo hình thành tại mặt cột theo Mục 8.7 trong AISC 358 (2016). Khả năng chịu moment của dầm tại vị trí khớp dẻo, \(M_{by@ph}\), có thể được tính theo Phương trình 3.1.

 \(M_{by@ph}\) = \(F_{yb}Z_{bx}\)                                                                                                (3.1)

trong đó \(F_{yb}\) là giới hạn chảy của dầm, \(Z_{bx}\) là mô đun tiết diện dẻo của dầm. Khả năng chịu moment dẻo của các mẫu đã được tính toán và trình bày trong Bảng 3.4.

Bảng 3.4: Khả năng chịu moment dẻo của các mẫu được tính theo quy trình thiết kế AISC

3.4 Phân tích IDEA StatiCa

Sáu mẫu được chọn đã được mô hình hóa trong IDEA StatiCa với mục đích mô phỏng ứng xử của các thí nghiệm. Khả năng chịu moment và dạng phá hoại của chúng được xác định bằng loại phân tích ứng suất - biến dạng (tức là EPS). Các đặc tính vật liệu đo được trong Ricles và cộng sự (2000) (xem Bảng 3.2) được nhập vào phần mềm, và các hệ số sức kháng được đặt bằng 1,0. Sử dụng loại phân tích độ cứng liên kết (tức là ST) trong IDEA StatiCa, quan hệ moment - góc xoay được tính toán cho mô hình cơ sở.

3.4.1 Phân tích mô hình cơ sở

Mô hình IDEA StatiCa được xây dựng cho mô hình cơ sở. Các đặc tính vật liệu đo được đã được nhập vào, và các hệ số tăng bền, \(R_{y}\) và \(R_{t}\), được đặt bằng 1,0 (xem Hình 3.11). Ngoài ra, tất cả các hệ số sức kháng LRFD được đặt bằng 1,0 để so sánh ứng xử thực tế được tính toán của các liên kết với ứng xử đo được trong thí nghiệm phòng thí nghiệm (Ricles và cộng sự, 2000). Để xác định tải trọng tại trục cột, một mô hình khung dầm - cột được xây dựng trong SAP2000 sử dụng chiều dài cột và dầm trong sơ đồ thí nghiệm. Gối khớp được sử dụng ở đáy cột và gối con lăn được sử dụng ở đầu dầm.

Để tính toán khả năng chịu moment của mô hình cơ sở, tải trọng tăng dần được áp dụng bằng phân tích ứng suất - biến dạng (tức là EPS) với tùy chọn "tải trọng cân bằng" trong mô hình IDEA StatiCa cho đến khi đạt được một trong các điều kiện sau:

1. 5% biến dạng dẻo trong các bản thép
2. 100% khả năng chịu lực của bu lông
3. 100% khả năng chịu lực của mối hàn

Mối hàn giữa bản mã liên kết đơn và bản cánh cột đạt khả năng chịu lực khi lực cắt và giá trị moment tương ứng lần lượt là 167,70 kips và 29.700 kips-in. (Hình 3.11). Sử dụng phân tích "ST", quan hệ moment - góc xoay được xác định và thể hiện trong Hình 3.12.

Hình 3.11: Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở

Hình 3.12: Quan hệ moment - góc xoay cho mô hình cơ sở

3.4.2 Phân tích các mẫu biến thể

Phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho mẫu T5 theo quy trình đã giải thích cho mô hình cơ sở. Quan sát thấy rằng bụng dầm đạt 5% biến dạng dẻo khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 205,70 kips và 36.420  kips-in. (Hình 3.13).

Hình 3.13: Mô hình IDEA StatiCa cho mẫu T5

Mẫu C1 được mô hình hóa và phân tích trong IDEA StatiCa theo cùng quy trình. Quan sát thấy rằng bụng dầm đạt 5% biến dạng dẻo khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 212,60 kips và 37.650  kips-in. (Hình 3.14).

Hình 3.14: Mô hình IDEA StatiCa cho mẫu C1

Theo cùng quy trình được mô tả trong mục này, phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho mẫu C2. Quan sát thấy rằng bụng dầm đạt 5% biến dạng dẻo khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 212,60 kips và 37.650 kips-in. (Hình 3.15).

Hình 3.15: Mô hình IDEA StatiCa cho mẫu C2

Theo cùng quy trình, phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho mẫu C3. Quan sát thấy rằng bụng dầm đạt 5% biến dạng dẻo khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 213,20 kips và 37.750 kips-in. (Hình 3.16).

Hình 3.16: Mô hình IDEA StatiCa cho mẫu C3

Theo cùng quy trình, phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho mẫu C4. Quan sát thấy rằng bụng dầm đạt 5% biến dạng dẻo khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 213,60 kips và 37.820 kips-in. (Hình 3.17).

Hình 3.17: Mô hình IDEA StatiCa cho mẫu C4

Sáu mẫu được phân tích bằng IDEA StatiCa và khả năng chịu moment của chúng tại trục cột được tính toán bằng cách mô phỏng điều kiện thử nghiệm. Để so sánh khả năng chịu moment với các giá trị được tính theo quy trình AISC 358, khả năng chịu moment tại mặt cột được tính bằng Phương trình 3.6 và trình bày trong Bảng 3.5.

        \(M_{y@foc}\) = \(M_{y@cc} + V\frac{d_{c}}{2}\)                                                                                         (3.6)

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 3.5: Khả năng chịu moment được tính bởi IDEA StatiCa

3.5. Phân tích ABAQUS

Trong mục này, mô hình cơ sở được xây dựng trong Mục 3.4.1 được dựng lại 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. Hai bu lông và 5 đường hàn (tức là giữa bụng dầm - bản mã liên kết đơn và bản mã liên kết đơn - bản cánh cột) sau đó được thêm thủ công vào cụm lắp ráp bằng giao diện CAD trong ABAQUS. Tải trọng thẳng đứng 182,2 kips và moment tương ứng 32.270 kips-in. (quanh trục Y) được áp dụng tại một điểm tham chiếu xác định (tức là RF₁) tại trục cột như thể hiện trong Hình 3.18. Chiều dài phân tích của cột trong IDEA StatiCa là 215,45 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 107,725 in. dọc theo trục Z theo cả hai chiều (xem Hình 3.18). 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. Trong ABAQUS, kích thước phần tử được chọn trong khoảng 0,1–0,25 in. sau phân tích độ nhạy lưới và tổng cộng 240.417 phần tử được tạo ra. Phần tử khối tuyến tính 8 nút tích phân giảm ứng suất 3D (tức là C3D8R) được chọn làm loại phần tử.

Hình 3.18: Thiết lập mô hình trong ABAQUS

Ràng buộc liên kết 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 (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20GHz) và mất khoảng 155 phút để hoàn thành. Hình 3.19 so sánh ứng suất von-Mises dự đoán giữa IDEA StatiCa và ABAQUS.

Hình 3.19: So sánh ứng suất von Mises được tính toán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS

Ứng suất tối đa dự đoán trong IDEA StatiCa là 55,90 ksi trên bản cánh trên dầm (lưu ý rằng chú giải IDEA StatiCa hiển thị dữ liệu thiết kế) trong khi mô hình ABAQUS cho thấy ứng suất tối đa 56,5 ksi tại cùng vị trí. Ứng suất tối đa 57 ksi trong chú giải ABAQUS thuộc về đường hàn dài 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 cũng 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.

Hình 3.20: So sánh biến dạng dẻo được tính toán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS

Biến dạng dẻo tối đa được tính toán trong IDEA StatiCa và ABAQUS lần lượt là 10,8% và 11% (cả hai đều trên đường hàn phía trước kết nối bản mã liên kết đơn với cột). Ngoài ra, vùng biến dạng dẻo dự đoán bởi IDEA StatiCa nhất quán với bản đồ chảy dẻo được tính trong ABAQUS (tức là hàng dưới cùng trong Hình 3.20). Hình 3.21 thể hiện so sánh đường cong moment - góc xoay giữa hai phần mềm theo trục cột. Lưu ý rằng trong Hình 3.21, để xác định tổng góc xoay bằng IDEA StatiCa (được 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 (được thể hiện bằng đường cam liền nét). Cả hai mô hình đều cho kết quả ước tính độ cứng ban đầu tương đương nhau. Sự sai lệch nhỏ có thể liên quan đến sự khác biệt 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 trong ABAQUS để mô phỏng các mối hàn.

Hình 3.21: So sánh moment - góc xoay giữa IDEA StatiCa và ABAQUS

3.6 Tóm tắt và so sánh kết quả

Các quan sát thực nghiệm cho thấy mô hình cơ sở bị phá hoại do nứt xảy ra ở mối hàn giữa bụng dầm và bản cánh cột. Tương tự, phân tích IDEA StatiCa cho thấy mối hàn giữa bản mã liên kết đơn và bản cánh cột bị phá hoại. Ngoài ra, các kiểm tra thiết kế AISC cho thấy mối hàn này không thỏa mãn các giới hạn liên kết bụng dầm với cột được nêu trong Mục 8.6 của AISC 358 (2016) (xem Bảng 3.3). Quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được trong thí nghiệm và tính toán bằng phân tích IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở được so sánh trong Hình 3.22. Khả năng chịu moment được tính theo quy trình AISC tại mặt cột được chuyển đổi về trục cột bằng Phương trình 3.6 vì so sánh moment - góc xoay được thực hiện tại trục cột, và được thể hiện trong cùng đồ thị với giá trị được tính bằng phân tích ứng suất - biến dạng của IDEA StatiCa (Hình 3.5).

Hình 3.22: So sánh moment - góc xoay

Đối với các mẫu biến thể (xem Mục 3.2), trong nghiên cứu thực nghiệm (Ricles và cộng sự, 2000) quan sát thấy rằng các mẫu bị phá hoại do oằn cục bộ nghiêm trọng và nứt ở bản cánh dầm (Hình 3.6 đến 3.10). Tương tự, phân tích IDEA StatiCa cho thấy các mẫu T5, C1, C2, C3 và C4 đạt khả năng chịu lực tại bụng dầm khi đạt giới hạn biến dạng dẻo 5% (Hình 3.13 đến 3.17). Mặt khác, dựa trên các kiểm tra thiết kế AISC, phá hoại được dự kiến xảy ra ở dầm mặc dù một số kiểm tra không được thỏa mãn hoàn toàn (ví dụ: bản liên tục và lỗ tiếp cận hàn trong Bảng 3.3). Điều này là do sự khác biệt nhỏ trong các yêu cầu hình học. Khả năng chịu moment của tất cả các mẫu được tính bằng IDEA StatiCa (Bảng 3.5) và theo quy trình AISC (Bảng 3.4) được trình bày trong Hình 3.23.

Tất cả khả năng chịu moment được tính từ IDEA StatiCa (sử dụng đặc tính thực tế hoặc đo được) đều lớn hơn khoảng 8% so với giá trị từ AISC, ngoại trừ mô hình cơ sở. Điều này hợp lý vì khả năng chịu moment AISC, \(M_{p}\), dựa trên giả thiết thiết kế rằng vị trí khớp dẻo được lấy tại mặt cột theo Mục 8.7 trong AISC 358 (2016). Mặt khác, FEMA (2000) khuyến nghị vị trí khớp dẻo được lấy cách mặt cột một khoảng bằng nửa chiều cao dầm đối với các liên kết moment WUF-W. Nếu vị trí khớp dẻo được giả thiết cách mặt cột một khoảng nhất định, moment bổ sung do lực cắt từ khớp dẻo đến mặt cột cần được xem xét, do đó khả năng chịu moment lớn hơn sẽ được tính toán. Sự khác biệt giữa khả năng chịu moment được tính theo quy trình thiết kế AISC và bằng IDEA StatiCa có thể được quy cho giả thiết bảo thủ của AISC 358 về vị trí khớp dẻo của các liên kết moment WUF-W. 

Hình 3.23: Khả năng chịu moment được tính bởi IDEA StatiCa và quy trình AISC

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

Tài liệu tham khảo

AISC (2016), "Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, including Supplement No. 1," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 358-16, Chicago, Illinois.

Ricles, J.M., Mao, C., Lu, L.W. and Fisher, J.W. (2000), "Development and Evaluation of Improved Details for Ductile Welded Unreinforced Flange Connections," Report No. SAC/BD-00-24, SAC Joint Venture, Sacramento, CA.

FEMA (2000), Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings, FEMA 350, Federal Emergency Management Agency, Washington, DC.