การเชื่อมต่อกับปีกที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็ง

คำอธิบาย

ในบทนี้ วิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) ของรอยเชื่อมต่อเนื่องที่เชื่อมแผ่นเหล็กกับเสาที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็งได้รับการตรวจสอบโดยเปรียบเทียบกับวิธีส่วนประกอบ (CM) แผ่นเหล็กถูกเชื่อมต่อกับเสาหน้าตัดเปิดและหน้าตัดกล่อง และรับแรงดึง

แบบจำลองเชิงวิเคราะห์

รอยเชื่อมต่อเนื่องเป็นส่วนประกอบเดียวที่ศึกษาในงานนี้ รอยเชื่อมได้รับการออกแบบตามบทที่ 4 ใน EN 1993-1-8:2005 ให้เป็นส่วนประกอบที่อ่อนแอที่สุดในจุดต่อ ความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อมต่อเนื่องอธิบายไว้ใน หัวข้อ 4.1 แรงที่กระทำตั้งฉากกับแผ่นที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งเชื่อมกับหน้าตัดที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็งมีค่าจำกัด ความเค้นจะกระจุกตัวอยู่ในความกว้างประสิทธิผล ในขณะที่ความต้านทานของรอยเชื่อมรอบส่วนที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็งจะถูกละเลย ดังแสดงในรูปที่ 4.5.1 สำหรับหน้าตัด I หรือ H ที่ไม่มีแผ่นเสริมความแข็ง ความกว้างประสิทธิผลได้จาก:

$$b_\mathrm{eff} = t_\mathrm{w} + 2s + 7kt_\mathrm{f} \qquad (4.5.1)$$                                                                    

$$k = \frac{t_\mathrm{f} \cdot f_\mathrm{y,f} }{ t_\mathrm{p} \cdot f_\mathrm{y,p}} \qquad (4.5.2)$$                                                         

ค่า s สำหรับหน้าตัดรีดร้อนคือ $s =r$ และสำหรับหน้าตัดเชื่อมคือ $s = \sqrt{2} \cdot a$ สำหรับหน้าตัดกล่องหรือหน้าตัดรางน้ำ ความกว้างประสิทธิผลควรได้จาก:

$$b_\mathrm{eff} = 2t_\mathrm{w} + 5 t_\mathrm{f} \quad \textrm{but}\quad b_\mathrm{eff} \leq 2t_\mathrm{w} + 5 kt_\mathrm{f}\qquad (4.5.1)$$ 

$$\sqrt{  \sigma_{\perp}^2  + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2  + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = \frac{\sigma_{N}}{\sqrt{2}} = \frac{N}{b_\mathrm{eff} \cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}}$$

$$\tau_{\parallel} = 0$$

$$\sqrt{ \left( \frac{\sigma_{N}}{\sqrt{2}} \right)^2 + 3 \cdot \left( \frac{\sigma_{N}}{\sqrt{2}} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$\sqrt{ \left( \frac{N}{b_\mathrm{eff} \cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 + 3 \cdot \left( \frac{N}{b_\mathrm{eff}\cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$N \leq \frac{f_{u}  \cdot  b_\mathrm{eff}  \cdot  a }{\beta_{\mathrm{w}}  \cdot  \gamma_{\mathrm{M2}}  \cdot  \sqrt{2}}$$

โดยที่:

$a$ - ความหนาคอรอยเชื่อม

$N$ - แรงปกติที่กระทำบนคาน

$b_\mathrm{eff}$ - ความยาวรอยเชื่อมประสิทธิผลรวม 

$\beta_{\mathrm{w}}$ - ตัวประกอบสหสัมพันธ์ที่นำมาจากตารางที่ 4.1 ใน EN 1993-1-8

$f_u$ - กำลังดึงประลัยที่กำหนดของชิ้นส่วนที่อ่อนแอกว่าที่เชื่อมต่อกัน

$\gamma_{\mathrm{M2}}$ - ตัวประกอบความปลอดภัยบางส่วนสำหรับรอยเชื่อม

       $$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.1 Effective width of an unstiffened joint (Fig. 4.8 in EN 1993-1-8:2005)}}}$$

แบบจำลองเชิงตัวเลข

ส่วนประกอบรอยเชื่อมใน CBFEM อธิบายไว้ใน พื้นฐานทางทฤษฎีทั่วไป และ พื้นฐานทางทฤษฎีตาม EN สาขาพลาสติกถูกบรรลุในส่วนหนึ่งของรอยเชื่อม และยอดความเค้นถูกกระจายตลอดความยาวรอยเชื่อม

การตรวจสอบความต้านทาน

ความต้านทานการออกแบบที่คำนวณโดย CBFEM ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของ CM โดยเปรียบเทียบเฉพาะความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อม ภาพรวมของตัวอย่างที่พิจารณาและวัสดุแสดงไว้ในตารางที่ 4.5.1 รูปทรงเรขาคณิตของจุดต่อพร้อมขนาดแสดงในรูปที่ 4.5.2

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.5.1 Examples overview}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{a) Flexible plate to open section             b) Flexible plate to box section}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.2 Joint geometry and dimentions}}}$$

ผลลัพธ์แสดงไว้ในตารางที่ 4.5.2 การศึกษาดำเนินการสำหรับสองพารามิเตอร์ ได้แก่ ความกว้างปีกของหน้าตัด HEB และความหนาเอวของหน้าตัดกล่อง แผ่นที่ยืดหยุ่นได้รับแรงดึง อิทธิพลของความกว้างปีกของหน้าตัด HEB ต่อความต้านทานการออกแบบของจุดต่อแสดงในรูปที่ 4.5.3 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาเอวของหน้าตัดกล่องกับความต้านทานการออกแบบของจุดต่อแสดงในรูปที่ 4.5.4

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.5.2 Comparison of CBFEM and CM}}}$$

ผลลัพธ์ของ CBFEM และ CM ถูกเปรียบเทียบในการศึกษาความไว อิทธิพลของความกว้างปีกของหน้าตัด HEB ต่อความต้านทานการออกแบบของจุดต่อศึกษาในรูปที่ 4.5.3 อิทธิพลของความหนาเอวของหน้าตัดกล่องต่อความต้านทานการออกแบบของจุดต่อแสดงในรูปที่ 4.5.4 การศึกษาเชิงพารามิเตอร์แสดงให้เห็นความสอดคล้องที่ดีมากของผลลัพธ์สำหรับการกำหนดค่ารอยเชื่อมทั้งหมด

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.3 Flange width of the HEB section      Fig. 4.5.4 Web thickness of the box section}}}$$

ผลลัพธ์ของการศึกษาความไวถูกสรุปในแผนภาพที่เปรียบเทียบความต้านทานการออกแบบของ CBFEM และ CM ดูรูปที่ 4.5.5 ซึ่งแสดงความแม่นยำของแบบจำลอง CBFEM

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.5 Verification of CBFEM to CM}}}$$

อิทธิพลของความหนาแผ่นต่อความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อมแสดงในรูปที่ 4.5.6 หน้าตัดเสาคือ HEB 180 ที่มีความหนาปีก 14 มม. รอยเชื่อมที่เชื่อมแผ่นที่หนากว่าปีกเสามีความต้านทานเท่ากันสำหรับ CM และ CBFEM ในทางกลับกัน รอยเชื่อมที่เชื่อมแผ่นกับปีกเสาที่มีความหนาเท่ากันหรือน้อยกว่ามีความต้านทานการออกแบบในแบบจำลองเชิงตัวเลขน้อยกว่า 20% ความหนาของแผ่นไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาในแบบจำลองเชิงตัวเลขที่ใช้ Shell element ซึ่งเป็นสาเหตุของความแตกต่างนี้

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.6 Influence of plate thickness on the resistance of joint with unstiffened column HEB180}}}$$

ตัวอย่าง Benchmark

ข้อมูลนำเข้า

เสา

• เหล็ก S235

• RHS 200/200/5

แผ่นที่ยืดหยุ่น

• เหล็ก S235

• ความหนา t_p = 17 มม.

• ความกว้าง b_p = 190 มม.

รอยเชื่อม รอยเชื่อมต่อเนื่องสองด้าน ดูรูปที่ 4.5.7

• ความหนาคอรอยเชื่อม a_w = 5 มม.

ผลลัพธ์

• ความต้านทานการออกแบบในแรงดึง N_Rd = 68 kN

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.7 Benchmark example for the welded connection of plate to unstiffened column}}}$$