รอยเชื่อมมุมในจุดต่อแผ่นเหล็กมุม

คำอธิบาย

ในบทนี้ แบบจำลองรอยเชื่อมมุมในจุดต่อแผ่นเหล็กมุมที่คำนวณด้วยวิธี Component-Based Finite Element (CBFEM) ได้รับการตรวจสอบเทียบกับวิธี Component Method (CM) โดยเหล็กฉากถูกเชื่อมติดกับแผ่นเหล็กและรับแรงในแนวตั้งฉาก การศึกษาความไวจะพิจารณาขนาดของเหล็กฉากและความยาวของรอยเชื่อม

แบบจำลองเชิงวิเคราะห์

รอยเชื่อมมุมเป็นองค์ประกอบเดียวที่ศึกษาในการวิเคราะห์นี้ รอยเชื่อมได้รับการออกแบบตามบทที่ 4 ใน EN 1993-1-8:2005 ให้เป็นองค์ประกอบที่อ่อนแอที่สุดในจุดต่อ ความต้านทานการออกแบบของรอยเชื่อมมุมอธิบายไว้ใน หัวข้อ 4.1 ภาพรวมของตัวอย่างและวัสดุที่พิจารณาแสดงไว้ในตาราง 4.2.1 รูปทรงเรขาคณิตของจุดต่อพร้อมขนาดแสดงไว้ในรูปที่ 4.2.1

การคำนวณด้วยวิธี Component Method 

การคำนวณด้วยมือนี้ละเว้นโมเมนต์เพิ่มเติมของรอยเชื่อม ซึ่งเกิดขึ้นจากการกระจายแรงไปยังส่วนหน้าตัด L ตาม EN 1993-1-8 (4.13)

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

$$\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = 0$$

$$\tau_{\parallel} = \frac{V}{l  \cdot  a}$$

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

$$\sqrt{  3 \cdot \left(  \frac{V}{l \cdot a}\right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}$$

$$V = \frac{f_u  \cdot  l \cdot  a  \cdot  \beta_{\mathrm{Lw1}}}{\beta_{\mathrm{w}}  \cdot  \gamma_{\mathrm{M2}}  \cdot  \sqrt{3}}$$

ความต้านทานรวมคำนวณจากผลรวมของความต้านทานรอยเชื่อมด้านบนและด้านล่าง 

$$V = V_\mathrm{top} + V_\mathrm{bottom}$$

โดยที่:

$a$ - ความหนาคอรอยเชื่อม

$V$ - แรงเฉือนที่กระทำต่อคาน

$l = 2 \cdot L_\mathrm{\dots}$ - ความยาวรอยเชื่อมขนาน

$\beta_{\mathrm{w}}$ - ตัวประกอบสหสัมพันธ์ที่นำมาจากตาราง 4.1 ของ EN 1993-1-8

$\beta_{\mathrm{Lw1}}$ - ตัวประกอบลดสำหรับรอยเชื่อมยาว สมการ 4.9 ของ EN 1993-1-8

$f_u$ - กำลังดึงประลัยที่ระบุของชิ้นส่วนที่อ่อนแอกว่าที่เชื่อมต่อกัน

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

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.1 Examples overview}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.1 Joint geometry with dimensions}}}$$

แบบจำลองเชิงตัวเลข

องค์ประกอบรอยเชื่อมใน CBFEM อธิบายไว้ใน พื้นฐานทางทฤษฎีทั่วไป และ พื้นฐานทางทฤษฎีตาม EN แบบจำลองรอยเชื่อมมีไดอะแกรมวัสดุแบบ elastic-plastic และจุดสูงสุดของความเค้นจะถูกกระจายตลอดความยาวรอยเชื่อม

การตรวจสอบความต้านทาน

ค่าการออกแบบความต้านทานรอยเชื่อมที่คำนวณด้วย CBFEM ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของ CM ดูตาราง 4.2.2 พารามิเตอร์สองตัวที่ศึกษา ได้แก่ ความยาวของรอยเชื่อมและหน้าตัดเหล็กฉาก รูปที่ 4.2.2 แสดงการศึกษาความไวของความยาวรอยเชื่อมด้านล่าง ความยาวของรอยเชื่อมด้านบน a ในการศึกษาคือ L_a=100mm

 $$\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.2 Comparison of CBFEM and CM}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{a}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{b}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{a) Angle cleat 80×10             b) Angle cleat 160×16}}}$$

 $$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.2 Sensitivity study of bottom weld b length}}}$$

ผลลัพธ์ของ CBFEM และ CM ถูกเปรียบเทียบกัน และนำเสนอการศึกษาความไว อิทธิพลของความยาวรอยเชื่อมต่อค่าการออกแบบความต้านทานของจุดต่อเหล็กฉากเชื่อมแสดงในรูปที่ 4.2.2 การศึกษาแสดงให้เห็นความสอดคล้องที่ดีสำหรับทุกรูปแบบรอยเชื่อม เพื่อแสดงความแม่นยำของแบบจำลอง CBFEM ผลลัพธ์ของการศึกษาถูกสรุปในไดอะแกรมที่เปรียบเทียบค่าการออกแบบความต้านทานโดย CBFEM และ CM ดูรูปที่ 4.2.3 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการทำนายทั้งหมดของ CBFEM อยู่ในด้านที่ปลอดภัยเมื่อเทียบกับ CM ซึ่งละเว้นความเยื้องศูนย์

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.3 Verification of CBFEM to CM}}}$$

ตัวอย่าง Benchmark

ข้อมูลนำเข้า

เหล็กฉาก

• หน้าตัด 2×L80×10
• ระยะห่างระหว่างเหล็กฉาก 16 มม.

แผ่นเหล็ก

• ความหนา t_p = 16 มม.
• ความกว้าง b_p  = 240 มม.

รอยเชื่อม รอยเชื่อมมุมขนาน ดูรูปที่ 4.2.4

• ความหนาคอรอยเชื่อม a_w  = 3 มม.
• ความยาวรอยเชื่อมด้านบน L_w,top = 100 มม.
• ความยาวรอยเชื่อมด้านล่าง L_w,bottom = 50 มม.

ผลลัพธ์

• ค่าการออกแบบความต้านทานแรงดึง F_Rd = 170 kN (ควรสังเกตว่าความต้านทานนี้คำนวณโดยใช้ฟังก์ชัน "Stop at limit strain" ดังนั้นความต้านทาน CBFEM จริงอาจสูงกว่าเล็กน้อย)

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.4 Benchmark example of the welded angle plate joint with parallel fillet welds}}}$$