Liên kết Moment Đúc sẵn Dạng Chữ T Đôi Được Phê duyệt Trước - AISC

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

5.1. Giới thiệu

Loại liên kết thép cuối cùng được nghiên cứu trong đề tài này là liên kết moment dạng chữ T đôi (xem Hình 5.1). Chữ T đôi là liên kết được phê duyệt trước để sử dụng trong vùng kháng chấn như một phần của hệ IMF và SMF nếu các yêu cầu được nêu trong AISC 358 được thỏa mãn. Trong phạm vi nghiên cứu này, một nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện cho liên kết chữ T đôi và các biến thể của nó đã được chọn từ tài liệu, và khả năng chịu uốn của chúng được kiểm tra theo quy trình thiết kế AISC cũng như sử dụng IDEA StatiCa. Ngoài ra, mô hình cơ sở được phân tích bằng phần mềm ABAQUS và các kết quả được so sánh.

Hình 5.1: Liên kết moment dạng chữ T đôi điển hình (AISC 358)

Trong các phần tiếp theo, thí nghiệm thực nghiệm được mô tả, các kiểm tra tiêu chuẩn AISC được thực hiện cho các mẫu thử được tóm tắt, và các kết quả phân tích số thu được từ IDEA StatiCa và ABAQUS được thảo luận. Cuối cùng, các kết quả thu được từ ba nguồn (tức là thí nghiệm, quy trình thiết kế AISC và phân tích số) được so sánh với nhau.

5.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Sáu liên kết chữ T đôi toàn tỷ lệ và 48 cấu kiện chữ T đơn lẻ đã được thử nghiệm tại Viện Công nghệ Georgia bởi Leon (1999) trong khuôn khổ dự án SAC Task 7.03. Mục đích chính của nghiên cứu này là hiểu rõ hơn về ứng xử của các liên kết bu lông dưới tải trọng chu kỳ và kiểm chứng liệu kết quả thử nghiệm cấu kiện quy mô nhỏ có thể được ngoại suy sang liên kết toàn tỷ lệ hay không. Trong phạm vi nghiên cứu này, chỉ các chi tiết và kết quả của sáu thử nghiệm toàn tỷ lệ được tóm tắt. Để biết thêm chi tiết về các thí nghiệm, độc giả được giới thiệu đến Swanson (1999) và Smallidge (1999) ngoài báo cáo thử nghiệm của Leon (1999).

Tất cả các mẫu thử đều sử dụng cột W14×145 trong khi dầm thay đổi từ W21×44 đến W24×55. Tất cả các phần tử liên kết đều là bu lông cường độ cao A490 kiểm soát lực kéo với đường kính 7/8 in. hoặc 1 in. Các cấu kiện chữ T được cắt từ ba kích thước thép hình chữ I khác nhau (W16×45, W16×100 và W21×93). Bản mã liên kết đơn dày 3/8 in. được sử dụng cho tất cả các mẫu thử với chiều dài 9 in. hoặc 12 in. tùy thuộc vào số lượng bu lông. Trong số sáu mẫu thử, một mẫu được chọn làm mô hình cơ sở (Mã thử nghiệm: FS-06), và các mẫu còn lại được nghiên cứu như các mô hình biến thể (xem Bảng 5.1).

Bảng 5.1: Đặc tính của các mẫu thử chữ T đôi (Leon, 1999)

Bố trí thử nghiệm bao gồm một cột dài 152 in. (từ vị trí khớp trên đến khớp dưới) và một dầm được liên kết với cánh cột tại vị trí 82 in. tính từ gối đỡ phía dưới của cột. Chiều dài dầm từ mặt cột đến kích thủy lực là 176 in., và giằng ngang được bố trí tại vị trí cách liên kết 5 ft. Bố trí thử nghiệm được thể hiện trong Hình 5.2.

Hình 5.2: Bố trí thử nghiệm (Leon, 1999)

Mô hình cơ sở bao gồm cột W14×145, dầm W24×55 và hai cấu kiện chữ T được cắt từ W16×100. Tám bu lông chịu cắt A490 đường kính 1 in. và tám bu lông chịu kéo A490 đường kính 1 in. được sử dụng ở cánh cấu kiện chữ T. Bốn bu lông A490 đường kính 1 in. được dùng để liên kết bản mã với bụng dầm trong khi bản mã được hàn vào cánh cột bằng đường hàn góc kép 5/16 in. Ngoài ra, bốn bản gia cường liên tục dày ½ in. và một bản tăng cứng một phía dày ½ in. được sử dụng như mô tả trong Hình 5.3.

Biến thể 1 bao gồm cột W14×145, dầm W21×44, hai cấu kiện chữ T được cắt từ W16×45 dùng để liên kết cánh dầm và cánh cột với tám bu lông chịu cắt A490 đường kính 7/8 in. và tám bu lông chịu kéo A490 đường kính 7/8 in. Ba bu lông A490 đường kính 7/8 in. được sử dụng giữa bản mã và bụng dầm, và đường hàn góc kép 5/16 in. được sử dụng giữa mặt cột và bản mã như thể hiện trong Hình 5.3.

Biến thể 2 khác biến thể 1 ở chỗ sử dụng bu lông A490 đường kính 1 in. Tất cả các chi tiết khác đều giống với biến thể 1. Cấu hình của biến thể 2 được minh họa trong Hình 5.4. Biến thể 3 bao gồm cột W14×145, dầm W24×55 và các cấu kiện chữ T được cắt từ W16×100. Mười bu lông chịu cắt A490 đường kính 7/8 in. và tám bu lông chịu kéo A490 đường kính 7/8 in. được sử dụng ở cả hai cấu kiện chữ T. Bốn bu lông A490 đường kính 7/8 in. được dùng để liên kết bản mã và bụng dầm trong khi đường hàn góc kép 5/16 in. được sử dụng giữa cánh cột và bản mã. Bốn bản gia cường liên tục dày ½ in. và bản tăng cứng một phía dày ½ in. được sử dụng để gia cường vùng panel cột. Sự khác biệt giữa mô hình cơ sở và biến thể 3 là đường kính bu lông và số lượng bu lông chịu cắt dùng để liên kết cánh cấu kiện chữ T và cánh dầm (xem Hình 5.4).

Hình 5.3: Trái) Cấu hình mô hình cơ sở; Phải) cấu hình biến thể 1 (Leon, 1999)

Hình 5.4: Trái) Cấu hình biến thể 2; Phải) cấu hình biến thể 3 (Leon, 1999)

Biến thể 4 bao gồm dầm W24×55, các cấu kiện chữ T được cắt từ W21×93 và bản mã liên kết bốn bu lông. Mười bu lông chịu cắt được dùng để liên kết cánh cấu kiện chữ T với cánh dầm và tám bu lông chịu kéo ở mỗi cấu kiện chữ T để liên kết với mặt cột. Vùng panel cột được gia cường bằng bốn bản gia cường liên tục dày ½ in. và bản tăng cứng một phía dày ½ in. Bu lông A490 đường kính 7/8 in. được sử dụng cho tất cả các phần tử liên kết. Biến thể 5, khác biến thể 4, sử dụng bu lông lớn hơn với đường kính 1 in. Ngoài điểm này, tất cả các đặc tính hình học khác đều giống nhau như minh họa trong Hình 5.5. Các đặc tính vật liệu trung bình từ thử nghiệm mẫu coupon và chứng chỉ nhà máy cho dầm, cột và cấu kiện chữ T được trình bày trong Bảng 5.2.

Hình 5.5: Trái) Cấu hình biến thể 4; Phải) cấu hình biến thể 5 (Leon, 1999)

Bảng 5.2: Đặc tính vật liệu đo được của các mẫu thử chữ T đôi (Leon, 1999)

Từ thử nghiệm mô hình cơ sở, oằn cục bộ của dầm được xác định là dạng phá hoại. Thí nghiệm bị dừng lại sau khi quan sát thấy oằn cục bộ nghiêm trọng trên bụng và cánh dầm khi moment đỉnh đạt xấp xỉ 9.003 kips-in. tại liên kết. Tại thời điểm này, lực tương ứng trong cấu kiện chữ T là 381,1 kips. Ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được được trình bày trong Hình 5.6.

Hình 5.6: Trái) Mô hình cơ sở sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Leon, 1999)

Trong biến thể 1, tải trọng kích thủy lực tối đa và moment tối đa tại liên kết được báo cáo lần lượt là 32,8 kips và 6.011 kips-in. Chảy dẻo ban đầu của cấu kiện chữ T được quan sát khi lực trong cấu kiện chữ T và moment tại liên kết xấp xỉ 185 kips và 3.800 kips-in. Chảy dẻo đầu tiên của dầm được ghi nhận khi moment tại liên kết đạt khoảng 5.000 kips-in. Trong các chu kỳ tiếp theo, mẫu thử bị phá hoại do đứt gãy cấu kiện chữ T dọc theo hàng bu lông chịu cắt đầu tiên. Ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được được trình bày trong Hình 5.7. 

Trong biến thể 2, chảy dẻo đầu tiên trong cấu kiện chữ T và cánh dầm được nhận thấy khi lực trong cấu kiện chữ T và moment tại liên kết xấp xỉ 245 kips và 5.000 kips-in. Oằn cánh được quan sát trong các tải trọng tiếp theo, và mẫu thử bị phá hoại do đứt gãy tiết diện thực. Moment tối đa được báo cáo tại liên kết là xấp xỉ 6.183 kips-in. Ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được được trình bày trong Hình 5.8. 

Hình 5.7: Trái) Biến thể 1 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Lee et al., 1999)

Hình 5.8: Trái) Biến thể 2 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Leon, 1999)

Đối với thử nghiệm biến thể 3, dạng phá hoại được báo cáo là oằn cục bộ của dầm. Sau khi quan sát thấy oằn cục bộ nghiêm trọng trên cánh dầm, thử nghiệm bị dừng lại. Moment tối đa tại liên kết là xấp xỉ 9.739 kips-in. Ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được được trình bày trong Hình 5.9. 

Từ thử nghiệm biến thể 4, quan sát thấy mẫu thử bị oằn cục bộ ở cánh. Khi chuyển vị đầu dầm đạt xấp xỉ 12,8 in., đứt gãy xảy ra trên cánh dầm dọc theo hàng bu lông xa nhất so với cánh cột. Moment đỉnh tại liên kết là xấp xỉ 9.580 kips-in. với lực tương ứng trong cấu kiện chữ T là 405,5 kips. Ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được được trình bày trong Hình 5.10.

Hình 5.9: Trái) Biến thể 3 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Leon, 1999)

Hình 5.10: Trái) Biến thể 4 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Leon, 1999)

Các quan sát từ thử nghiệm biến thể 5 tương tự như mô hình cơ sở và biến thể 3. Mẫu thử bị oằn cục bộ nghiêm trọng ở dầm trong quá trình thử nghiệm. Thử nghiệm bị dừng lại khi moment tối đa tại liên kết đạt xấp xỉ 8.586 kips-in. Tại thời điểm này, lực tương ứng trong cấu kiện chữ T là 363,4 kips. Ảnh sau thử nghiệm và quan hệ moment - góc xoay dẻo đo được được trình bày trong Hình 5.11.

Hình 5.11: Trái) Biến thể 5 sau thử nghiệm; Phải) quan hệ moment - tổng góc xoay dẻo (Leon, 1999)

5.3 Tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn

Các giới hạn phê duyệt trước và quy trình thiết kế cho liên kết moment dạng chữ T đôi được nêu trong Chương 13 của AISC 358 (2016). Các kiểm tra tiêu chuẩn sau đây đã được xác định và thực hiện cho các mẫu thử:

• Khả năng chịu lực của thân chữ T                                                                                     (AISC 358, Eq. 13.6-45)
• Đường kính bu lông chịu cắt                                                                               (AISC 358, Eq. 13.6-4)
• Đường kính bu lông chịu kéo                                                                            (AISC 358, Eq. 13.6-16)
• Đường kính bu lông chịu kéo                                                                            (AISC 358, Eq. 13.6-16)
• Độ cứng xoay của liên kết                                                                  (AISC 358, Eq. 13.6-28)
• Khả năng chịu lực của cấu kiện chữ T                                                                                       (AISC 358, Eq. 13.6-46)
• Khả năng chịu ép mặt/xé rách của cánh dầm                                             (AISC 360, Eq. J3-6)
• Khả năng chịu ép mặt/xé rách của thân chữ T                                                      (AISC 360, Eq. J3-6)
• Khả năng chịu cắt khối của cánh dầm                                                    (AISC 360-16, Eq. J4-5)
• Khả năng chịu cắt khối của thân chữ T                                                             (AISC 360-16, Eq. J4-5)
• Khả năng chảy dẻo uốn của cột                                                               (AISC 358, Eq. 13.6-61)
• Yêu cầu về bản gia cường liên tục                                                               (AISC 341, Sec. E3.6f.1(a))
• Quan hệ cột - dầm                                                                                         (AISC 341, Eq. E3-1)
• Khả năng chịu lực của vùng panel                                                                                (AISC 360, Eq. J10-11)
• Khả năng chịu uốn của dầm                                                                            (AISC 360, Eq. F1-1)
• Kiểm tra khả năng chịu lực bu lông của bản mã chịu cắt                                   (AISC 360, Eq. J3-6a)
• Kiểm tra khả năng chịu lực đường hàn của bản mã liên kết đơn                                     (AISC 360, Eq. J4-2)
• Kiểm tra khả năng chảy dẻo cắt, đứt gãy cắt, cắt khối của bản mã chịu cắt     (AISC 360, Eq. J3-J4)

Giả thiết rằng bản mã liên kết đơn, bản tăng cứng và bản gia cường liên tục có đặc tính vật liệu đo được giống với cấu kiện chữ T. Các giá trị cường độ kéo danh nghĩa (f_nt = 90 ksi) và cường độ cắt (f_nv = 68 ksi) được cung cấp trong Bảng J3 của AISC được sử dụng cho bu lông A490. Năm mô hình được xây dựng sử dụng báo cáo thử nghiệm vật liệu từ chứng chỉ nhà máy cho mỗi mẫu thử. Hai mô hình bổ sung được xây dựng cho biến thể 1 và biến thể 2 sử dụng đặc tính vật liệu từ thử nghiệm mẫu coupon đo được cho cấu kiện chữ T. Các kiểm tra tiêu chuẩn được thực hiện cho các mẫu thử được chọn, và tóm tắt được trình bày trong Bảng 5.3.

Bảng 5.3: Kiểm tra tiêu chuẩn cho các liên kết moment dạng chữ T đôi

Dạng phá hoại của liên kết moment dạng chữ T đôi có thể được ước tính nếu trạng thái giới hạn chi phối trong các trường hợp sau được biết:

• Khả năng chịu lực của tiết diện nguyên thân cấu kiện khi chảy dẻo
• Khả năng chịu lực của tiết diện thực thân cấu kiện khi đứt gãy
• Khả năng chịu lực của thân cấu kiện khi oằn uốn
• Khả năng chịu lực của bu lông chịu cắt
• Khả năng chịu ép mặt/xé rách của dầm
• Khả năng chịu ép mặt/xé rách của thân chữ T
• Khả năng chịu cắt khối của dầm
• Khả năng chịu cắt khối của thân chữ T
• Khả năng chịu moment dẻo của dầm

Đối với mỗi trạng thái giới hạn, khả năng chịu moment tại mặt cột của các mẫu thử được tính toán (xem Phụ lục I và J), và kết quả được trình bày trong Bảng 5.4. Khả năng chịu moment chi phối (tức là giá trị thấp nhất) được xác định và hiển thị bằng phông chữ đậm.

Bảng 5.4: Khả năng chịu moment của các mẫu thử

Dựa trên các tính toán thiết kế AISC, moment dẻo của dầm là dạng phá hoại ước tính cho mô hình cơ sở, biến thể 3, biến thể 4 và biến thể 5. Đối với biến thể 1 và biến thể 2, cắt khối của thân chữ T là trạng thái giới hạn chi phối khi sử dụng đặc tính vật liệu từ thử nghiệm coupon cho cấu kiện chữ T. Khi sử dụng đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy cho tất cả các cấu kiện, dạng phá hoại của chúng chuyển sang chảy dẻo tiết diện nguyên của thân.

5.4 Phân tích IDEA StatiCa

Các mô hình IDEA StatiCa được xây dựng cho các mẫu thử để đánh giá khả năng chịu moment của chúng. Do mục đích là mô phỏng các thử nghiệm thực nghiệm, mô hình SAP2000 được xây dựng cho điều kiện bố trí thử nghiệm, và các lực tại trục cột được tính toán. Các đặc tính vật liệu đo được được sử dụng, và các hệ số sức kháng được đặt bằng 1,0. Sử dụng loại phân tích ứng suất - biến dạng trong IDEA StatiCa (tức là EPS), khả năng chịu moment được tính toán và dạng phá hoại của các mẫu thử được ước tính. Đối với mô hình cơ sở, quan hệ moment - góc xoay được tính toán sử dụng loại phân tích độ cứng liên kết (tức là ST) trong phần mềm IDEA StatiCa. Ngoài ra, phân tích thiết kế theo khả năng (tức là CD) được sử dụng để đảm bảo rằng liên kết có đủ khả năng biến dạng.

5.4.1 Phân tích mô hình cơ sở

Để ước tính ứng xử của bu lông kiểm soát lực kéo đối với khả năng chịu lực và độ cứng xoay của liên kết, hai mô hình IDEA StatiCa khác nhau được xây dựng cho mô hình cơ sở sử dụng hai loại bu lông khác nhau: 1) ép mặt, và 2) ma sát. Các đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy (xem Bảng 5.2) được nhập vào phần mềm, và các hệ số cường độ dư, R_y và R_t, cùng tất cả các hệ số sức kháng LRFD được đặt bằng 1,0. Mô hình khung dầm - cột được xây dựng bằng SAP2000 với chiều dài cột và dầm theo bố trí thử nghiệm, và các lực tại trục cột được xác định. Sử dụng tùy chọn "Tải trọng ở trạng thái cân bằng", phân tích ứng suất - biến dạng (EPS) được thực hiện để tính toán khả năng chịu lực của mô hình cơ sở. Tải trọng được tăng dần cho đến khi đạt được một trong các điều kiện sau:

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

Từ kết quả phân tích IDEA StatiCa của mô hình được tạo với bu lông loại ma sát, quan sát thấy rằng khả năng chịu lực của bu lông đạt được khi lực cắt và moment tác dụng lần lượt đạt 26,70 kips và 4.900 kips-in. (Hình 5.12). Mô hình thứ hai được xây dựng bằng cách chuyển tùy chọn "truyền lực cắt" từ "ma sát" sang "ép mặt - tương tác kéo/cắt" cho cấu kiện chữ T và bản mã liên kết đơn. Ngoài ra, tùy chọn "biến dạng tại lỗ bu lông ở tải trọng sử dụng là điều kiện thiết kế" (trong cài đặt tiêu chuẩn) được tắt. Tải trọng tăng dần được áp dụng cho liên kết (tỷ lệ với tất cả tải trọng ở trạng thái cân bằng), quan sát thấy rằng 5% giới hạn biến dạng dẻo đạt được trên cánh dầm khi lực cắt và giá trị moment tương ứng lần lượt đạt 46,00 kips và 8.430, (Hình 5.13). Loại phân tích được chuyển sang phân tích độ cứng (ví dụ: "ST"), và quan hệ moment - góc xoay được tính toán cho mỗi mô hình như thể hiện trong Hình 5.14.

Hình 5.12: Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở (với bu lông ma sát) dưới moment 4.900 kips-in.

Hình 5.13: Mô hình IDEA StatiCa cho mô hình cơ sở (với bu lông ép mặt) dưới moment 8.430 kips-in.

Hình 5.14: Trái) Quan hệ moment - góc xoay cho mô hình cơ sở với bu lông ma sát; Phải) quan hệ moment - góc xoay cho mô hình cơ sở với bu lông ép mặt

Loại phân tích được chuyển sang thiết kế theo khả năng (ví dụ: "CD") để kiểm tra liệu liên kết có đủ độ dẻo khi đạt được khả năng chịu moment dẻo của dầm hay không. Để thực hiện phân tích này, cần tính toán moment dẻo của dầm, vị trí khớp dẻo và lực cắt tại vị trí khớp dẻo. Theo Phương trình 2.4-1 trong AISC 341 (2016), moment tối đa có thể xảy ra của dầm tại vị trí khớp dẻo, $M_{p}$, được tính như sau:

$M_{p} =  C_{pr}F_{y}R_{y}Z_{x}$                                                      (5.1)

trong đó $Z_{x}$ là mô đun tiết diện dẻo của dầm, $F_{y}$ là giới hạn chảy của dầm, $R_{y}$ là tỷ số giữa giới hạn chảy dự kiến và giới hạn chảy tối thiểu quy định, và $C_{pr}$ là hệ số tính đến cường độ đỉnh của liên kết được cho bởi Phương trình 2.4-2 trong AISC 341 (2016) như sau:

 $C_{pr} = (F_{y} + F_{u})/(2F_{y}$                                             (5.2)

$F_{u}$ là cường độ chịu kéo cực hạn của dầm. Giả thiết rằng $R_{y}$ bằng 1,0 khi sử dụng đặc tính vật liệu đo được. Sử dụng đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy và mô đun tiết diện dẻo của dầm (134 in.³) được cho trong Bảng 1.1 của AISC Manual (2017), $C_{pr}$ và $M_{p}$ được tính toán sử dụng các đặc tính dưới đây lần lượt là 1,12 và 9.154,88 kips-in. Khoảng cách từ vị trí khớp dẻo đến trục cột và lực cắt tại vị trí khớp dẻo được tính lần lượt là 19,9 in. và 103 kips (xem Phụ lục I) với giả thiết rằng khoảng cách giữa các trục cột bằng 30 ft. Các tải trọng đã tính được áp dụng tại vị trí dầm bằng 19,9 in. bằng cách đặt tải trọng theo tỷ lệ phần trăm của các cấu kiện sao cho bằng với các giá trị moment dẻo và lực cắt đã tính như thể hiện trong Hình 5.15. Liên kết không đủ khả năng, các thân chữ T quá yếu (biến dạng dẻo 22,1% đạt được trong thân chữ T phía trên).

Hình 5.15: Phân tích thiết kế theo khả năng của mô hình cơ sở

5.4.2 Phân tích biến thể 1

Hai mô hình IDEA StatiCa được xây dựng cho biến thể 1 với các đặc tính vật liệu đo được khác nhau của cấu kiện chữ T. Đối với mô hình thứ nhất, đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy được sử dụng cho tất cả các cấu kiện của mẫu thử trong khi mô hình thứ hai được tạo sử dụng đặc tính vật liệu từ thử nghiệm coupon của cánh cấu kiện chữ T. Theo quy trình tương tự được mô tả trong phần trước, tải trọng tăng dần được áp dụng. Mô hình thứ nhất đạt khả năng chịu lực với 5% biến dạng dẻo trong cấu kiện chữ T khi lực cắt và giá trị moment tương ứng lần lượt là 26,70 kips và 4.900 kips-in. (Hình 5.16). Đặc tính vật liệu của cấu kiện chữ T được cập nhật sử dụng đặc tính từ thử nghiệm coupon và quy trình tải trọng tăng dần tương tự được thực hiện. Dạng phá hoại tương tự được quan sát khi lực cắt và giá trị moment tương ứng đạt lần lượt 30,00 kips và 5.500 kips-in. (Hình 5.17).

Hình 5.16: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 1 (Chứng chỉ nhà máy) dưới moment 4.900 kips-in.

Hình 5.17: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 1 (Coupon) dưới moment 5.500 kips-in.

5.4.3 Phân tích biến thể 2

Theo quy trình tương tự, hai mô hình IDEA StatiCa được xây dựng cho biến thể 2. Từ mô hình được xây dựng với đặc tính từ chứng chỉ nhà máy, quan sát thấy rằng cấu kiện chữ T đạt giới hạn biến dạng dẻo (tức là 5,0%) khi lực cắt và moment tác dụng lần lượt là 26,90 kips và 4.940 kips-in. (Hình 5.18). Sau khi đặc tính vật liệu của cấu kiện chữ T được chuyển sang đặc tính từ thử nghiệm coupon, khả năng chịu moment uốn cao hơn được tính là 5.730 kips-in. với lực cắt tương ứng 31,20 kips (Hình 5.19). Dạng phá hoại vẫn không thay đổi.

Hình 5.18: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 2 (Chứng chỉ nhà máy) dưới moment 4.940 kips-in.

Hình 5.19: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 2 (Coupon) dưới moment 5.730 kips-in.

5.4.4 Phân tích biến thể 3

Đối với biến thể 3, mô hình IDEA StatiCa được xây dựng sử dụng đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy. Khi lực cắt và moment tương ứng đạt lần lượt 45,50 kips và 8.350 kips-in., 5% biến dạng dẻo đạt được trên cánh dầm (Hình 5.20).

Hình 5.20: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 3 dưới moment 8.350 kips-in.

5.4.5 Phân tích biến thể 4

Mô hình IDEA StatiCa được tạo cho biến thể 4 sử dụng đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy. 5% biến dạng dẻo được ghi nhận trên cánh dầm khi lực cắt và moment tương ứng lần lượt là 45,50 kips và 8.350 kips-in. (Hình 5.21).

Hình 5.21: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 4 dưới moment 8.350 kips-in.

5.4.6 Phân tích biến thể 5

Theo quy trình tương tự, phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho biến thể 5. Đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy được sử dụng cho tất cả các cấu kiện của liên kết. 5% biến dạng dẻo đạt được trên cánh dầm khi lực cắt và giá trị tương ứng đạt lần lượt 48,40 kips và 7.950 kips-in. (Hình 5.22).

Hình 5.22: Mô hình IDEA StatiCa cho biến thể 5 dưới moment 7.950 kips-in.

Khả năng chịu moment của các liên kết moment dạng chữ T đôi theo trục cột, $M_{y@cc}$, được xác định từ phân tích IDEA StatiCa. Khả năng chịu moment tại mặt cột, $M_{y@foc}$, được tính toán sử dụng Phương trình 5.3 và được trình bày trong Bảng 5.5. 

  $M_{y@foc} = M_{y@cc} - V_{g}\frac{d_{c}}{2}$                               (5.3)

trong đó $V_{g}$ là lực cắt, và $d_{c}$ là chiều cao tiết diện cột.

Bảng 5.5: Khả năng chịu moment được tính toán bởi IDEA StatiCa

5.5. Phân tích ABAQUS

Trong phần này, mô hình cơ sở được xây dựng trong Mục 5.4.1 được tái tạo bằng phần mềm ABAQUS (phiên bản 2022) để phân tích phần tử hữu hạn tổng quát và kết quả được so sánh với IDEA StatiCa. Mô hình CAD ban đầu cho phân tích phần tử hữu hạn được tạo ra sử dụng nền tảng viewer của IDEA StatiCa. 36 bu lông và hai đường hàn liên kết toàn bộ cụm chi tiết sau đó được thêm thủ công sử dụng giao diện CAD trong ABAQUS. Hai loại bu lông được khảo sát trong phần này như mô tả trong Mục 5.4.1. Đối với bu lông loại ép mặt, tải trọng thẳng đứng 46 kips và moment tương ứng 8.430 kips-in. (quanh trục Y) được áp dụng tại điểm tham chiếu xác định (tức là RF₁) tại trục cột như thể hiện trong Hình 5.23. Đối với bu lông loại ma sát, tải trọng thẳng đứng 26,7 kips và moment tương ứng 4.900 kips-in. (quanh trục Y) được áp dụng tại cùng điểm tham chiếu (tức là RF₁). Chiều dài phân tích của cột trong IDEA StatiCa là 190 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 95 in. dọc theo trục Z theo cả hai chiều (xem Hình 5.23). Hai điểm tham chiếu này được cố định theo tất cả các phương và được liên kết với mặt trên và mặt dưới của cột sử dụng mô-đun connector builder trong ABAQUS. Lưu ý rằng để mô phỏng bu lông ma sát trong IDEA StatiCa, tải trọng căng trước được áp dụng trong mô hình ABAQUS dọc theo trục thân mỗi bu lông. Trong ABAQUS, kích thước phần tử được chọn trong khoảng 0,1-0,3 in. sau phân tích độ nhạy lưới thông thường, và tổng cộng 387.893 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. Ràng buộc liên kết cứng được áp dụng giữa hai đường hàn và các bộ phận liên kết. Ứng xử vật liệu được mô hình hóa sử dụng 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 được cập nhật theo chứng chỉ nhà máy (xem Bảng 5.2). Mô phỏng số được thực hiện trên 16 bộ xử lý (16vCP & 64GB RAM) và mất khoảng 210 phút để hoàn thành. Hình 5.24 so sánh ứng suất von-Mises dự đoán giữa IDEA StatiCa và ABAQUS cho cả hai kịch bản loại bu lông.

Hình 5.23: Bố trí mô hình và mật độ lưới trong ABAQUS

Hình 5.24: So sánh ứng suất von Mises được tính toán giữa các mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS; hàng trên) giả thiết bu lông ép mặt, hàng dưới) giả thiết bu lông ma sát

Ứng suất tối đa dự đoán trong IDEA StatiCa cho bu lông loại ép mặt là 62,4 ksi trên cánh trên của dầm (lưu ý rằng chú giải IDEA StatiCa hiển thị dữ liệu thiết kế) trong khi mô hình ABAQUS cho thấy ứng suất tương tự tại cùng vị trí. Ứng suất tối đa dự đoán trong IDEA StatiCa cho bu lông loại ma sát là 61 ksi trên cánh trên của dầm trong khi mô hình ABAQUS cho thấy ứng suất 61,1 ksi tại cùng vị trí. Sự phân bố ứng suất hơi khác nhau có thể 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 khảo sát ảnh hưởng tiềm năng của ứng xử ma sát của bu lông đến kết quả trong mô hình ABAQUS bằng cách thay đổi hệ số ma sát từ 0,3 sang không ma sát, tuy nhiên kết quả không nhạy cảm với thông số đó.

Biến dạng dẻo tối đa được tính toán trong IDEA StatiCa và ABAQUS cho bu lông loại ép mặt là 6,3% cho cả hai mô hình (tức là trên cánh trên của dầm như thể hiện trong Hình 5.25). Ngoài ra, vùng biến dạng dẻo dự đoán bởi IDEA StatiCa nhất quán với bản đồ chảy dẻo được tính toán trong ABAQUS (tức là hàng dưới trong Hình 5.25).

Hình 5.25: Bu lông loại ép mặt: Hàng trên) So sánh biến dạng dẻo được tính toán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS; hàng dưới) so sánh bản đồ chảy dẻo giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS

Biến dạng dẻo tối đa được tính toán trong IDEA StatiCa và ABAQUS cho bu lông loại ma sát lần lượt là 0,1% và 0,17% (tức là cả hai đều trên cánh trên của dầm xung quanh các lỗ bu lông phía trước như chỉ ra trong Hình 5.26). Ngoài ra, vùng biến dạng dẻo dự đoán bởi IDEA StatiCa nhất quán với bản đồ chảy dẻo được tính toán trong ABAQUS (tức là hàng dưới trong Hình 5.26).

Hình 5.26: Bu lông loại ma sát: Hàng trên) So sánh biến dạng dẻo được tính toán giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS; Hàng dưới) So sánh bản đồ chảy dẻo giữa mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS

Hình 5.27 mô tả so sánh đường cong moment - góc xoay giữa hai phần mềm theo trục cột cho cả hai loại bu lông được khảo sát trong phần này. Lưu ý rằng trong Hình 5.27, 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 toán bằng SAP2000 và sau đó được 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 khác biệt 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 cứng trong ABAQUS để biểu diễn các đường hàn.

Hình 5.27: So sánh moment - góc xoay giữa IDEA StatiCa và ABAQUS cho a) bu lông loại ép mặt, b) bu lông loại ma sát

5.6 Tóm tắt và so sánh kết quả

Sáu liên kết moment dạng chữ T đôi từ chương trình thực nghiệm được nghiên cứu sử dụng IDEA StatiCa và theo quy trình thiết kế AISC. Hai mô hình khác nhau được tạo cho mô hình cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng bu lông loại ép mặt và ma sát đến khả năng chịu moment và đường cong moment - góc xoay. Do sự khác biệt giữa đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy và thử nghiệm coupon tương đối lớn đối với biến thể 1 và biến thể 2, hai mô hình IDEA StatiCa khác nhau được xây dựng cho mỗi biến thể. Đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy được sử dụng cho các mẫu thử còn lại. Ngoài ra, đối với mô hình cơ sở, các quan hệ moment - góc xoay được tính toán sử dụng IDEA StatiCa cho mỗi loại bu lông được so sánh với các kết quả từ các mô hình ABAQUS tương đương.

Đối với thử nghiệm mô hình cơ sở, dạng phá hoại được báo cáo là oằn cục bộ của dầm. Từ tải trọng tăng dần trong phân tích IDEA StatiCa, quan sát thấy rằng mô hình sử dụng bu lông ma sát bị phá hoại do khả năng chịu trượt của bu lông không đủ trong khi phá hoại xảy ra trên cánh dầm từ mô hình bao gồm bu lông ép mặt. Các tính toán thiết kế AISC cho thấy khả năng chịu moment dẻo của dầm là trạng thái giới hạn chi phối. Do AISC 341 cho phép thiết kế liên kết moment bao gồm loại kiểm soát lực kéo dựa trên khả năng chịu lực ép mặt, có thể kết luận rằng có sự đồng thuận tốt về dạng phá hoại của mô hình cơ sở giữa các quan sát từ thử nghiệm, phân tích IDEA StatiCa và quy trình thiết kế AISC. Ngoài ra, các đường cong moment - góc xoay thu được từ cả hai mô hình IDEA StatiCa và đường cong được cung cấp trong báo cáo thử nghiệm được so sánh trong Hình 5.28. Có thể thấy rằng quan hệ moment - góc xoay của mẫu thử chữ T đôi có bu lông cường độ cao A490 kiểm soát lực kéo nằm trong khoảng giữa các đường cong được tính toán từ các mô hình IDEA StatiCa được xây dựng với bu lông ép mặt và bu lông ma sát riêng biệt. Ngoài ra, phân tích thiết kế theo khả năng được thực hiện cho mô hình cơ sở cho thấy cấu kiện chữ T và bản mã liên kết đơn không có đủ khả năng chịu lực. Tương tự, cả hai cấu kiện đều không thỏa mãn các kiểm tra tiêu chuẩn AISC.

Hình 5.28: So sánh moment - góc xoay

Biến thể 1 bị phá hoại do đứt gãy tiết diện thực của cấu kiện chữ T trong quá trình thử nghiệm. Từ các tính toán thiết kế AISC, quan sát thấy rằng trạng thái giới hạn chi phối là cắt khối của thân chữ T khi sử dụng đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy, trong khi trạng thái giới hạn chi phối trở thành chảy dẻo tiết diện nguyên của thân khi sử dụng đặc tính vật liệu từ thử nghiệm coupon cho cấu kiện chữ T. Tương tự, phân tích IDEA StatiCa được thực hiện cho cả hai trường hợp cho thấy khả năng chịu lực không đủ của cấu kiện chữ T là dạng phá hoại của mẫu thử.

Các quan sát thực nghiệm của biến thể 2 tương tự như biến thể 1. Dạng phá hoại được báo cáo là đứt gãy tiết diện thực của cấu kiện chữ T. Theo quy trình thiết kế AISC, trạng thái giới hạn chi phối được xác định là khả năng chịu cắt khối của cấu kiện chữ T khi đặc tính vật liệu từ chứng chỉ nhà máy được áp dụng cho tất cả các cấu kiện. Đối với trường hợp sử dụng đặc tính vật liệu từ thử nghiệm coupon cho cấu kiện chữ T, chảy dẻo tiết diện nguyên của thân được tính toán là trạng thái giới hạn chi phối. Từ cả hai phân tích IDEA StatiCa, quan sát thấy rằng phá hoại xảy ra trong cấu kiện chữ T với 5,0% biến dạng dẻo.

Đối với biến thể 3, biến thể 4 và biến thể 5, dạng phá hoại quan sát được từ các thử nghiệm, quy trình thiết kế AISC và phân tích IDEA StatiCa đều là phá hoại dầm. Do oằn cục bộ xảy ra trong các chu kỳ tải trọng, không có khả năng chịu lực rõ ràng nào được ghi nhận từ thí nghiệm. Mặc dù các mẫu thử thỏa mãn các yêu cầu về oằn (xem Phụ lục I và J), nguyên nhân oằn cục bộ xảy ra trong các thí nghiệm có thể được quy cho các đặc tính vật liệu đo được không chính xác được cung cấp trong báo cáo thử nghiệm. Các khả năng chịu moment được tính toán sử dụng IDEA StatiCa và theo quy trình thiết kế AISC cùng với các giá trị moment tối đa đạt được trong các thí nghiệm được thể hiện trong Hình 5.29.

Hình 5.29: Khả năng chịu moment được tính toán bởi IDEA StatiCa và quy trình AISC

Đọc toàn bộ nghiên cứu về các liên kết được phê duyệt trước!

Tài liệu tham khảo

Leon, R. T. (1999). Tests on T-stub connections-SAC phase II-Subtask 7.03. Georgia Institute of Technology.

Smallidge, J. M. (1999). Behavior of bolted beam-to-column T-stub connections under cyclic loading, Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA.

Swanson, J.A. (1999). Characterization of the Strength, Stiffness, and Ductility Behavior of

T-stub Connections, Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA.

AISC 358 (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.

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.

AISC Manual (2017), "Steel Construction Manual," American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.