SteelConnection designVerificationsConnectionAISC (USA)

Liên kết thanh giằng chữ V trong khung giằng (AISC)

Bài viết này cũng có sẵn bằng

AI dịch từ tiếng Anh

Đây là ví dụ kiểm tra thứ hai trong chuỗi các liên kết thanh giằng. Ví dụ này so sánh liên kết thanh giằng chữ V theo quy trình từ Design Guide 29 và phương pháp CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện).

Ví dụ kiểm tra này được chuẩn bị bởi Mahamid Mustafa trong dự án hợp tác giữa Đại học Illinois tại Chicago và IDEA StatiCa.

Mô tả

Mục tiêu của ví dụ này là kiểm tra phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) đối với liên kết khung giằng chữ V với các tiết diện thép hộp rỗng (HSS) chịu kéo và nén theo quy trình thiết kế theo tiêu chuẩn AISC. Nghiên cứu được thực hiện cho kích thước các thanh giằng, dầm, hình học, chiều dày bản mã và mối hàn. Trong nghiên cứu này, năm thành phần được kiểm tra: thanh giằng, cánh và bụng dầm, bản mã nút, và mối hàn. Tất cả các thành phần được thiết kế theo tiêu chuẩn AISC-360-16. Liên kết được trình bày lấy từ AISC Design Guide 29.

Kiểm tra khả năng chịu lực

Ví dụ sử dụng các tiết diện và kích thước được thể hiện trong Hình 1 như sau. Thanh giằng HSS8x8x1/2 (ASTM A500 Gr. C), dầm W27x114 (ASTM A992), bản mã nút dày ¾" (ASTM A572, Gr. 50) và mối hàn ASTM E70XX.

Hình 1. Liên kết khung giằng chữ V

Kết quả của lời giải giải tích được thể hiện qua bảng so sánh cho các trạng thái giới hạn khác nhau dưới đây. Các trạng thái giới hạn cần xem xét cho các liên kết này như sau và kết quả phân tích của các trạng thái giới hạn này được trình bày trong Bảng 1.

$Mối hàn giữa bản mã nút và thanh giằng$
$Mối hàn giữa bản mã nút và cánh dưới của dầm$
$Chảy dẻo do kéo của thanh giằng$
$Đứt do kéo của thanh giằng$
$Đứt do cắt trong thành thanh giằng$
$Phá hoại cắt khối$
$Bản mã nút chịu chảy dẻo kéo và chảy dẻo cắt dọc theo cánh dầm$
$Chảy dẻo kéo của bản mã nút trên tiết diện Whitmore$
$Bản mã nút chịu oằn trên tiết diện Whitmore$
$Chảy dẻo bụng dầm$
$Cục bộ bụng dầm.$

Bảng 1. Các trạng thái giới hạn được kiểm tra và so sánh với CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện)

Trạng thái giới hạn	AISC
Mối hàn giữa bản mã nút và thanh giằng	$\phi$ R_n=333 kips
Mối hàn giữa bản mã nút và cánh dưới của dầm	$\phi$ R_n=385 kips
Chảy dẻo do kéo của thanh giằng	$\phi$ R_n=559 kips
Đứt do cắt thành thanh giằng	$\phi$ R_n=583 kips
Đứt do kéo của thanh giằng	$\phi$ R_n=414 kips
Phá hoại cắt khối của bản mã nút	$\phi$ R_n=697 kips
Chảy dẻo kéo của bản mã nút trên tiết diện Whitmore	$\phi$ R_n=721 kips
Chảy dẻo kéo và chảy dẻo cắt của bản mã nút dọc theo cánh dầm	$\phi$ R_n=45 ksi f_un=15.8 ksi
Bản mã nút chịu oằn trên tiết diện Whitmore	$\phi$ R_n=671 kips
Bản mã nút chịu oằn lệch ngang	$\phi$ R_n=2009 kips
Oằn cục bộ bụng dầm	N/A
Chảy dẻo cục bộ bụng dầm	$\phi$ R_n=2042 kips
Chảy dẻo cắt bụng dầm	$\phi$ R_n=1094 kips
Cục bộ bụng dầm	$\phi$ R_n=1311 kips

\phi

Khả năng chịu lực theo CBFEM

Kiểm tra tổng thể của liên kết được xác minh như thể hiện trong Hình 2-4. Kết quả kiểm tra cho thấy liên kết hoạt động theo phương pháp CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện). Phá hoại trong các cấu kiện và bản do các trạng thái giới hạn chảy dẻo và đứt được đo dựa trên giới hạn biến dạng dẻo 5%. Hình dưới đây cho thấy biến dạng dẻo là 0,1%, thấp hơn nhiều so với giới hạn biến dạng dẻo 5%. Liên kết được trình bày là liên kết hàn. Trạng thái giới hạn cắt mối hàn thường chính xác khi so sánh với quy trình theo tiêu chuẩn AISC. CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) sử dụng các quy định của Chương J trong AISC 360-16 để kiểm tra cường độ mối hàn. Có thể thấy rằng hệ số sử dụng kiểm tra mối hàn là 86,6%. Phân tích có tính phi tuyến vật liệu và không nên chỉ dựa vào hệ số sử dụng. Bằng cách tăng tải mô hình cơ bản từ 333 kips lên 334 kips trong mỗi thanh giằng, khả năng chịu tải được xác định - mối hàn vừa đủ chịu được ở 333 kips và phá hoại ở 334 kips. Cả AISC và CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) đều xác định mối hàn là thành phần quyết định và cho cùng khả năng chịu tải.

Hình 2: Mô hình thiết kế

Hình 3. Lời giải tổng thể của liên kết - ứng suất

Hình 4. Lời giải tổng thể của liên kết - biến dạng dẻo

\phi

Hình 5. Bản mã nút chịu chảy dẻo kéo và chảy dẻo cắt dọc theo cánh dầm

Oằn của bản mã nút theo yêu cầu của AISC có thể được kiểm tra bằng hệ số nhân oằn sử dụng CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) vì đây là biện pháp duy nhất. Rất khó để phân biệt giữa khả năng chịu oằn của các bộ phận liên kết khác nhau, ví dụ như oằn của bản mã nút trên tiết diện Whitmore hoặc oằn lệch ngang của bản mã nút. Dạng oằn đầu tiên bao gồm bản mã nút và bụng dầm gần thanh giằng chịu nén. Hệ số oằn cho các bản nội cao hơn 3 được coi là an toàn.

Hình 6. Dạng oằn đầu tiên với hệ số 7,85

Nghiên cứu tham số

Để kiểm tra khả năng chịu lực của các thành phần khác và khả năng của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) trong việc nắm bắt tất cả các dạng phá hoại, nghiên cứu tham số được thực hiện bằng cách thay đổi chiều dày bản và kích thước mối hàn.

Điều chỉnh 1 - mối hàn góc tại thanh giằng được thay bằng mối hàn đối đầu:

Dạng phá hoại quyết định của mô hình cơ bản là phá hoại mối hàn góc tại thanh giằng. Do đó, các mối hàn góc này được thay thế trong mô hình bằng mối hàn đối đầu ngấu hoàn toàn. Tải trọng tại các thanh giằng có thể tăng lên 479 kips. Ở tải trọng này, các mối hàn góc giữa bản mã nút và dầm có hệ số sử dụng 100%; xem Hình 6. Tính toán thủ công cho khả năng chịu lực 430 kips. CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) cho khả năng chịu lực cao hơn 10%.

Hình 7. Mô hình điều chỉnh với mối hàn đối đầu giữa thanh giằng và bản mã nút

Điều chỉnh 2 - tất cả mối hàn góc được thay bằng mối hàn đối đầu:

\phi

Hình 8. Biến dạng dẻo tại mô hình chỉ có mối hàn đối đầu

Điều chỉnh 3 - tất cả mối hàn đối đầu và chiều dày bản mã nút giảm xuống 3/8 in:

Điều chỉnh này được sử dụng để nghiên cứu các dạng phá hoại liên quan đến bản mã nút. Giới hạn biến dạng dẻo bị vượt quá ở tải trọng 400 kips trong mỗi thanh giằng. Kiểm tra này mô phỏng phá hoại cắt khối của bản mã nút, chảy dẻo kéo của bản mã nút trên tiết diện Whitmore, chảy dẻo kéo và chảy dẻo cắt của bản mã nút dọc theo cánh dầm. Theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), chảy dẻo kéo và chảy dẻo cắt của bản mã nút dọc theo cánh dầm là dạng phá hoại quyết định, và phá hoại cắt khối của bản mã nút sẽ sớm xảy ra tiếp theo vì biến dạng dẻo đáng kể trải dài theo toàn bộ chiều dài của các thanh giằng.

Quy trình AISC dự đoán chảy dẻo kéo của bản mã nút tại tiết diện Whitmore tiếp theo là cắt khối trong bản mã nút. Vì CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) sử dụng ứng suất von Mises bao gồm cả ứng suất pháp và ứng suất cắt, dự đoán của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) là chính xác. Đối với phân tích oằn của bản mã nút, cả AISC và CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) đều dự đoán oằn trong bản dày 3/8". Khả năng chịu oằn của bản mã nút theo AISC là 359 kips, trong khi tải trọng tác dụng là 400 kips.

Hình 9. Biến dạng dẻo tại mô hình với bản mã nút mỏng

Hình 10. Ba dạng oằn đầu tiên của mô hình với bản mã nút mỏng

Chảy dẻo cục bộ và chảy dẻo cắt bụng dầm có khả năng chịu tải rất lớn so với tải trọng tác dụng. Hầu hết tất cả các trạng thái giới hạn trong liên kết này sẽ xảy ra trước hai trạng thái giới hạn này, vốn thường không quyết định thiết kế. Các trạng thái giới hạn này được kiểm tra bằng giới hạn biến dạng 5% trong dầm.

Cục bộ bụng dầm là trạng thái oằn xảy ra sau khi chảy dẻo; do đó, phân tích oằn tuyến tính không hoàn toàn lý tưởng. Trong CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), sử dụng phân tích tuyến tính hình học không có khuyết tật, giới hạn hệ số oằn là cách duy nhất để nắm bắt dạng phá hoại này.

Không có mô hình riêng biệt nào được tạo ra đặc biệt để các dạng phá hoại này trở thành quyết định.

Tóm tắt

Có thể kết luận rằng CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) có khả năng dự đoán ứng xử thực tế và dạng phá hoại của các liên kết khung giằng chữ V tương tự như liên kết được trình bày ở đây.

Các trạng thái giới hạn khác nhau đã được nghiên cứu cẩn thận bằng cách thực hiện nghiên cứu tham số, từ đó thu được khả năng chịu lực cho từng trạng thái giới hạn sử dụng CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện). Khả năng chịu lực của mối hàn giữa các thanh giằng và bản mã nút theo tiêu chuẩn AISC 360 phù hợp với kết quả thu được từ CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), trong khi khả năng chịu lực của mối hàn giữa bản mã nút và dầm theo AISC thấp hơn theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) 10%. Các trạng thái giới hạn của bản bao gồm chảy dẻo, đứt dựa trên giới hạn biến dạng dẻo 5% trong CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện); đối với các trạng thái giới hạn này, sự khác biệt giữa AISC và CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) nằm trong phạm vi 10%. Trạng thái giới hạn oằn được nghiên cứu theo AISC và theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện); trong liên kết được nghiên cứu, oằn không phải là trạng thái giới hạn quyết định. Để nghiên cứu oằn, bản dày 3/8" được nghiên cứu và trong cả quy trình AISC lẫn CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), oằn của bản được quan sát thấy ở cả hai phương pháp.

Trường hợp chuẩn

Đầu vào

Tiết diện dầm

$W27X114$
$Thép ASTM A992$

Tiết diện thanh giằng

$HSS 8X8X1/2$
$Thép ASTM A500 Gr. C$

Bản mã nút

$Chiều dày 3/4 in.$
$Thép ASTM A572 Gr. 50$

Tải trọng

$Lực dọc trục N = \pm289 kips$

Đầu ra

$Mối hàn 86,6%$
$Biến dạng dẻo 0,1% < 5%$
$Hệ số oằn 7,85$

Mở trong Trình xem Tải xuống

Tài liệu tham khảo

AISC. (2016). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

AISC. (2017). Steel Construction Manual, 15th Edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

AISC. (2015). Design Guide 29, Vertical Bracing Connections-Analysis and Design, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

Dowswell, Bo (2021). "Analysis of the Shear Lag Factor for Slotted Rectangular HSS Members," Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, Third Quarter, pp. 171-202.

Tệp tải xuống đính kèm

Example 2 - Chevron Brace.pdf (PDF, 1.7 MB)