Liên kết Bu lông và Hàn Dài (AISC)

Mark D. Denavit và Rick Mulholland đã chuẩn bị ví dụ kiểm chứng này trong một dự án chung giữa Đại học Tennessee và IDEA StatiCa.

Mô tả

Nghiên cứu này trình bày sự so sánh giữa kết quả từ phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) và các phương pháp tính toán truyền thống được sử dụng trong thực hành tại Hoa Kỳ cho các liên kết bu lông và hàn dài chịu tải đầu. Trọng tâm của nghiên cứu này là các trạng thái giới hạn cắt bu lông đối với liên kết bu lông dài, và đứt mối hàn đối với liên kết hàn dài. Đặc biệt chú ý đến ảnh hưởng của biến dạng vi sai tạo ra phân bố tải trọng không đồng đều giữa các phần tử liên kết và ứng suất không đồng đều trong các mối hàn góc dài. Các so sánh với kết quả thực nghiệm cũng được trình bày.

Các tính toán truyền thống được thực hiện theo các quy định thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) trong Tiêu chuẩn AISC (AISC 2022). Kết quả CBFEM được lấy từ IDEA StatiCa phiên bản 23.0. Tải trọng cho phép tối đa được xác định theo phương pháp lặp bằng cách điều chỉnh giá trị tải trọng đầu vào đến giá trị mà chương trình coi là an toàn, nhưng nếu tăng thêm một lượng nhỏ (0,1 kip), chương trình sẽ coi là không an toàn do vượt quá giới hạn biến dạng dẻo 5% hoặc vượt quá 100% hệ số sử dụng bu lông hoặc mối hàn. Phân tích loại DR có thể giúp xác định tải trọng cho phép tối đa. Tuy nhiên, do có một số xấp xỉ trong việc đánh giá sức kháng thiết kế của nút liên kết, tất cả kết quả trong báo cáo này đều dựa trên phân tích loại EPS.

Yêu cầu đối với Liên kết Bu lông và Hàn Dài trong Tiêu chuẩn AISC

Các thí nghiệm và phân tích về các liên kết bu lông và hàn dài chịu tải đầu đã cho thấy ứng suất trong bu lông và mối hàn không đồng đều (Kulak et al. 2001, Miller 2003). Ứng suất trong bu lông và mối hàn gần các đầu liên kết lớn hơn so với ở giữa. Sự phân bố ứng suất theo chiều dài phụ thuộc vào độ cứng của bu lông hoặc mối hàn so với độ cứng của các vật liệu được liên kết. Tiêu chuẩn AISC phản ánh hành vi này bằng các hệ số giảm sức kháng đơn giản.

Liên kết Bu lông

Cường độ thiết kế, $\phi R_n$, cho trạng thái giới hạn cắt bu lông được định nghĩa trong Mục J3.7 của Tiêu chuẩn AISC như sau:

$$\phi R_n = \phi F_{nv} A_{b}$$

trong đó:

• $\phi=0.75$
• $F_{nv}$ – ứng suất cắt danh nghĩa của bu lông
• $A_b$ – diện tích thân bu lông danh nghĩa không có ren

Bảng J3.2 của Tiêu chuẩn AISC liệt kê các giá trị ứng suất cắt danh nghĩa của các phần tử liên kết và các bộ phận có ren, F_nv. Chú thích [c] của bảng nêu rõ: "Đối với các liên kết chịu tải đầu có chiều dài mẫu bu lông lớn hơn 38 in. (950 mm), F_nv phải được giảm xuống còn 83,3% so với các giá trị trong bảng", và định nghĩa chiều dài phần tử liên kết là "khoảng cách tối đa song song với phương lực giữa đường tâm của các bu lông liên kết hai bộ phận có một mặt tiếp xúc."

Ứng suất cắt danh nghĩa, F_nv, là một tỷ lệ phần trăm của ứng suất kéo giới hạn của bu lông, ­F_u, và được tính theo phần bình luận của Tiêu chuẩn AISC như sau:

• Khi ren được loại trừ khỏi mặt phẳng cắt,

$$F_{nv} = 0.563 F_u$$

• Khi ren không được loại trừ khỏi mặt phẳng cắt,

$$F_{nv} = 0.45 F_u$$

Hệ số 0,563 bằng 0,625, tỷ số cường độ cắt/kéo, nhân với 0,90, hệ số giảm theo chiều dài. Hệ số 0,45 bằng 80% của 0,563, và tính đến diện tích giảm của phần có ren. Hệ số giảm theo chiều dài 0,90 tính đến biến dạng vi sai trong các liên kết có chiều dài đến 38 in., sau đó hệ số giảm chiều dài bổ sung 0,833 được áp dụng cho hệ số giảm tổng hợp là 0,90 × 0,833 = 0,75 cho ảnh hưởng chiều dài. Các hệ số giảm này dựa trên phân tích thống kê dữ liệu thử nghiệm từ 79 liên kết bu lông và đinh tán trong 11 cuộc điều tra thực nghiệm khác nhau (Tide, 2010).

Liên kết Hàn

Cường độ thiết kế, $\phi R_n$, cho trạng thái giới hạn đứt mối hàn được định nghĩa trong Mục J2.4 của Tiêu chuẩn AISC như sau:

$$\phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} k_{ds}$$

trong đó:

• $\phi$ – hệ số sức kháng
• $F_{nw}$ – ứng suất danh nghĩa của kim loại hàn
• $A_{we}$ – diện tích hữu hiệu danh nghĩa của mối hàn
• $k_{ds}$ – hệ số tăng cường độ theo phương

Hệ số tăng cường độ theo phương, k_ds, được tính như sau:

$$k_{ds} = (1.0+0.5 \sin^{1.5} \theta )$$

trong đó $\theta$ là góc giữa phương lực yêu cầu và trục dọc của mối hàn. Đối với các liên kết được nghiên cứu trong nghiên cứu này, $\theta = 0$ và do đó $k_{ds} = 1$ cho các tính toán truyền thống. Trong IDEA StatiCa, $\theta$ được xác định từ các lực tổng hợp trong từng đoạn mối hàn và có thể khác không (ví dụ do hiệu ứng Poisson).

Bảng J2.5 của Tiêu chuẩn AISC cung cấp các giá trị $\phi$ và F_nw cho các mối hàn chịu cắt lần lượt là 0,75 và 0,60F_EXX­, trong đó F­_EXX là cường độ phân loại kim loại hàn phụ.

Diện tích hữu hiệu danh nghĩa của mối hàn, A_we, được định nghĩa cho mối hàn góc trong Mục J2.2a của Tiêu chuẩn AISC là chiều dài hữu hiệu nhân với chiều cao họng hữu hiệu, trong đó chiều cao họng hữu hiệu là khoảng cách ngắn nhất từ chân đến mặt mối hàn, và chiều dài hữu hiệu là chiều dài đường tâm của mối hàn dọc theo tâm của mặt phẳng qua họng.

Mục J2.2b(d) của Tiêu chuẩn AISC đưa ra các giới hạn sau đây về chiều dài hữu hiệu của mối hàn góc chịu tải đầu:

• Đối với mối hàn góc có chiều dài đến 100 lần kích thước mối hàn, được phép lấy chiều dài hữu hiệu bằng chiều dài thực tế
• Khi chiều dài mối hàn góc vượt quá 100 lần kích thước mối hàn, chiều dài hữu hiệu phải được xác định bằng cách nhân chiều dài thực tế với hệ số giảm, β, được xác định như sau:

$$\beta = 1.2-0.002 (l/w) \le 1.0$$

trong đó:

$l$ – chiều dài thực tế của mối hàn chịu tải đầu

$w$ – kích thước cạnh mối hàn

• Khi chiều dài mối hàn vượt quá 300 lần kích thước cạnh, w, chiều dài hữu hiệu phải lấy bằng 180w.

Theo phần bình luận của Tiêu chuẩn AISC (AISC 2022), hệ số giảm β là một xấp xỉ đơn giản hóa của các công thức hàm mũ dựa trên nhiều năm thử nghiệm và mô hình phần tử hữu hạn, và tương đương với hệ số giảm trong Eurocode (CEN 2005).

Liên kết Bu lông Dài

Để nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng vi sai đến cường độ tổng thể của liên kết bu lông dài, một liên kết nối căng đơn giản được sử dụng. Liên kết bao gồm một tấm thử được bu lông giữa hai tấm phản lực bằng một hàng bu lông A325 đường kính 3/4 in. trong lỗ tiêu chuẩn, với ren không được loại trừ khỏi mặt phẳng cắt. Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng tấm đến phân bố lực cho từng bu lông, các chiều dày tấm thử 1/2 in., 1 in. và 2 in. đã được phân tích. Chiều dày của mỗi tấm phản lực được lấy bằng một nửa chiều dày của tấm thử. Chiều rộng của tất cả các tấm là 12 in. Hình chiếu ba chiều của liên kết với chiều dày tấm thử bằng 1 in. và chiều dài liên kết bằng 27 in. được trình bày trong Hình 1.

Hình 1 Hình chiếu ba chiều của liên kết nối căng (chiều dày tấm thử = 1 in., chiều dài liên kết = 27 in.)

Liên kết được thiết kế để phá hoại do cắt bu lông. Để đảm bảo cường độ cắt của bu lông kiểm soát so với chảy dẻo kéo và đứt kéo của tấm, vật liệu cường độ cao với F_y = 100 ksi đã được chọn cho các tấm. Ép mặt và xé rách tại các lỗ bu lông đã được kiểm tra nhưng được thiết kế để không kiểm soát bằng cách lựa chọn vật liệu và cung cấp khoảng cách bu lông và cạnh đủ lớn. Khoảng cách cạnh theo phương lực là 2-1/2 in., và khoảng cách bu lông là 3 in. cho tất cả các liên kết.

Mười bảy liên kết đã được thử nghiệm, với chiều dài tăng dần 3 in. từ 3 in. đến 51 in. Do khoảng cách bu lông luôn là 3 in., chiều dài liên kết tương ứng với số lượng bu lông được sử dụng (ví dụ: liên kết dài 27 in. có 10 bu lông). So sánh cường độ theo chiều dài liên kết được trình bày trong Hình 2, và phân bố lực cắt bu lông (trong mỗi mặt phẳng cắt) cho các chiều dài liên kết 12 in., 24 in., 36 in. và 48 in. được trình bày trong Hình 3

Cường độ theo Tiêu chuẩn AISC tăng tuyến tính đến chiều dài liên kết 36 in., sau đó xảy ra sự sụt giảm đột ngột về cường độ do hệ số giảm chiều dài 0,833. Sau điểm này, cường độ lại tiếp tục tăng tuyến tính. Cường độ của IDEA StatiCa phù hợp tốt với cường độ AISC đối với các chiều dài liên kết ngắn hơn, nhưng không giống như cường độ AISC, sự tăng cường độ đối với các liên kết dài hơn trong IDEA StatiCa là phi tuyến. Mức độ phi tuyến phụ thuộc vào độ cứng của tấm vì độ cứng của bu lông và tấm được mô hình hóa thực tế trong IDEA StatiCa, phản ánh phân bố không đồng đều của lực bu lông.

Phân bố lực cắt trong Hình 3 cho thấy ảnh hưởng của biến dạng vi sai đến lực trong từng bu lông được phản ánh bởi các phân tích IDEA StatiCa, và cách ảnh hưởng này bị tác động bởi độ cứng tấm. Lực trong các bu lông ở đầu liên kết là lớn nhất và giảm dần khi khoảng cách từ đầu liên kết đến vị trí bu lông tăng lên. Ảnh hưởng này giảm đối với các tấm cứng hơn. 

Với việc mô hình hóa tường minh độ cứng bu lông và tấm trong IDEA StatiCa, mức độ giảm cường độ do ảnh hưởng chiều dài phụ thuộc vào kích thước bu lông so với kích thước tấm ngoài hình học liên kết. Sự giảm cường độ thực tế cũng phụ thuộc vào các thông số này (Kulak et al. 2001). Các hệ số giảm đơn giản hóa trong Tiêu chuẩn AISC chỉ phụ thuộc vào chiều dài liên kết. IDEA StatiCa thể hiện mức giảm lớn hơn so với quy định của Tiêu chuẩn AISC như được thể hiện với liên kết có tấm thử dày 1/2 in., và mức giảm nhỏ hơn so với quy định của Tiêu chuẩn AISC như được thể hiện với liên kết có tấm thử dày 1 và 2 in. cho một dải chiều dài liên kết lớn hơn 38 in. Từ các kết quả này, rõ ràng là IDEA StatiCa phản ánh đúng mục đích của hệ số giảm ảnh hưởng chiều dài trong Chú thích [c] của Bảng J3.2 Tiêu chuẩn AISC. Lưu ý rằng hệ số giảm 0,9 cho ảnh hưởng chiều dài được tích hợp trong F_nv được sử dụng một cách bảo thủ trong IDEA StatiCa. Do đó, đối với các liên kết có chiều dài nhỏ hơn 38 in., ảnh hưởng chiều dài về cơ bản được tính hai lần trong IDEA StatiCa, một lần với hệ số giảm 0,9 và một lần nữa bằng cách mô hình hóa tường minh phân bố lực không đồng đều trong nhóm bu lông. Tuy nhiên, hệ số giảm 0,9 cũng có thể tính đến các ảnh hưởng khác và không nên loại trừ nếu không có nghiên cứu thêm.

Hình 2 So sánh cường độ theo chiều dài liên kết cho liên kết nối căng bu lông

Hình 3 Phân bố lực cắt bu lông cho các chiều dài liên kết 12 in., 24 in., 36 in. và 48 in., cho các chiều dày tấm thử 1/2 in., 1 in. và 2 in.

So sánh với Kết quả Thực nghiệm

Để mở rộng nghiên cứu về các liên kết bu lông dài, phần này bao gồm các so sánh với các kết quả thực nghiệm đã được công bố trước đây. Đối với các so sánh này, các tính chất vật liệu và hình học đo được do các nhà thực nghiệm báo cáo đã được sử dụng trong các tính toán và phân tích. Cường độ cắt bu lông được báo cáo bởi các nhà thực nghiệm được tìm thấy thông qua thử nghiệm cắt một bu lông đơn lấy từ cùng lô với các mẫu thử. Do đó, đối với các tính toán truyền thống, F_nv được lấy bằng 0,9 lần cường độ cắt bu lông được báo cáo khi chiều dài liên kết nhỏ hơn hoặc bằng 38 in., và lấy bằng 0,833 lần giá trị này (tức là 0,75 lần cường độ cắt bu lông được báo cáo) khi chiều dài liên kết lớn hơn 38 in. Đối với các phân tích IDEA StatiCa, mô hình được định nghĩa sao cho giá trị F_nv được sử dụng trong tính toán cường độ bu lông bằng 0,9 lần cường độ cắt bu lông được báo cáo.

Đối với các tính toán truyền thống, các hệ số sức kháng không được áp dụng. Đối với các phân tích IDEA StatiCa, các hệ số sức kháng cho vật liệu, bu lông và mối hàn được đặt bằng 1,0 trong cài đặt tiêu chuẩn.

Bendigo et al. 1963

Bendigo et al. (1963) đã thực hiện các thử nghiệm kéo các liên kết nối bu lông. Mười sáu tấm có chiều rộng và chiều dày khác nhau được chịu tải giữa hai tấm phản lực chịu kéo thông qua hai hàng bu lông A325 đường kính 7/8 in. trong lỗ tiêu chuẩn đường kính 15/16 in. Bốn mẫu, D31, D41, D51 và D61, bị phá hoại do đứt kéo tấm, và các mẫu còn lại bị phá hoại do cắt bu lông ít nhất một bu lông. Cấu hình liên kết điển hình cho các mẫu trong nghiên cứu được trình bày trong Hình 4(a), và hình chiếu ba chiều của mô hình IDEA StatiCa cho mẫu D101 được trình bày trong Hình 4(b). Các tính chất hình học và vật liệu của các mẫu thử được trình bày trong Bảng 1.

Hình 4 (a) Cấu hình liên kết cho nghiên cứu thực nghiệm Bendigo et al. (Bendigo et al., 1963); (b) hình chiếu ba chiều của mô hình IDEA StatiCa cho mẫu D101

Mười sáu mẫu đã được mô hình hóa trong IDEA StatiCa. Cường độ của mỗi liên kết cũng được tính toán theo các tính toán truyền thống sử dụng các phương trình Tiêu chuẩn AISC với các tính chất vật liệu và hình học đo được nhưng không có hệ số sức kháng. Kết quả so sánh giữa cường độ thực nghiệm, P_exp, cường độ IDEA StatiCa, P_IDEA, và cường độ Tiêu chuẩn AISC, P_AISC, được trình bày trong Bảng 2 và Hình 5.

Giới hạn biến dạng dẻo 5% kiểm soát cường độ IDEA StatiCa, và chảy dẻo kéo kiểm soát cường độ AISC cho tất cả các mẫu. Cả cường độ IDEA StatiCa và AISC đều thấp hơn đáng kể so với cường độ thực nghiệm. Điều này là do trong các thử nghiệm thực nghiệm, các dạng phá hoại đứt kéo và cắt bu lông xảy ra ở tải trọng cao hơn nhiều sau khi tấm đã chảy dẻo. Các thí nghiệm của Bendigo et al. (1963) đã được đưa vào phân tích để phát triển các hệ số giảm cho ảnh hưởng chiều dài xuất hiện trong Tiêu chuẩn AISC (Tide 2010). Như thấy trong Hình 3, sự chênh lệch lực bu lông giữa bu lông đầu và bu lông giữa tăng khi chiều dày giảm (tức là giảm độ cứng tấm). Các mẫu thể hiện phá hoại bu lông sau khi tấm đã chảy dẻo đáng kể có thể cho thấy ảnh hưởng chiều dài phóng đại.

Bảng 1 Tính chất hình học và vật liệu mẫu thử cho nghiên cứu thực nghiệm Bendigo et al. (1963)

Bảng 2 So sánh với nghiên cứu thực nghiệm Bendigo et al. (1963)

Hình 5 So sánh với nghiên cứu thực nghiệm Bendigo et al. (1963)

Kulak và Fisher 1968

Kulak và Fisher (1968) đã thực hiện các thử nghiệm kéo các liên kết nối bu lông dài bao gồm một tấm thử được bu lông giữa hai tấm phản lực với một hàng bu lông A490 đường kính 7/8 in. hoặc 1-1/8 in. Các thử nghiệm này cũng được đưa vào phân tích để phát triển các hệ số giảm cho ảnh hưởng chiều dài xuất hiện trong Tiêu chuẩn AISC (Tide 2010) nhưng, không giống như các thử nghiệm của Bendigo et al. (1963), chúng sử dụng tấm cường độ cao.

Tám mẫu thử được thiết kế kích thước để phá hoại do cắt bu lông hoặc đứt tấm. Các mẫu J071, J131 và J171 bị phá hoại do đứt tấm, và các mẫu J072, J132, J172, J251 và J252 bị phá hoại do cắt bu lông. Cấu hình liên kết điển hình cho các mẫu trong nghiên cứu được trình bày trong Hình 6(a), và hình chiếu ba chiều của mô hình IDEA StatiCa cho mẫu J171 được trình bày trong Hình 6(b). Các tính chất hình học và vật liệu của các mẫu thử được trình bày trong Bảng 3.

Hình 6 Cấu hình liên kết cho nghiên cứu thực nghiệm Kulak và Fisher (Kulak và Fisher, 1968); (b) hình chiếu ba chiều của mô hình IDEA StatiCa cho mẫu J171

Các mẫu đã được mô hình hóa trong IDEA StatiCa. Cường độ của mỗi liên kết cũng được tính toán theo các tính toán truyền thống sử dụng các phương trình Tiêu chuẩn AISC với các tính chất vật liệu và hình học đo được. Kết quả so sánh giữa cường độ thực nghiệm, P_exp, cường độ IDEA StatiCa, P_IDEA, và cường độ Tiêu chuẩn AISC, P_AISC, được trình bày trong Bảng 4 và Hình 7.

Cường độ IDEA StatiCa mang tính bảo thủ so với các thử nghiệm thực nghiệm trong tất cả các trường hợp. Cường độ IDEA StatiCa phù hợp tốt với cường độ AISC cho các mẫu J071, J072, J131 và J171, và lớn hơn cường độ AISC cho các mẫu J132, J172, J251 và J252. Chiều dài liên kết ngắn hơn 38 in. đối với các mẫu J071 và J072, do đó hệ số giảm 83,3% trong khả năng chịu cắt bu lông không được áp dụng. Đối với các mẫu J131 và J171, chiều dài liên kết lớn hơn 38 in., nhưng độ cứng tấm (tức là diện tích mặt cắt ngang) tương đối nhỏ. Do đó, cường độ IDEA StatiCa phù hợp hoặc thấp hơn một chút so với cường độ AISC trong các trường hợp này. Đối với các mẫu J132, J172, J251 và J252, cường độ IDEA StatiCa lớn hơn cường độ AISC vì các tấm cứng hơn (tức là diện tích mặt cắt ngang lớn hơn).

Bảng 3 Tính chất hình học và vật liệu mẫu thử cho nghiên cứu thực nghiệm Kulak và Fisher (1968)

Bảng 4 So sánh với nghiên cứu thực nghiệm Kulak & Fisher (1968)

Hình 7 So sánh với nghiên cứu thực nghiệm Kulak và Fisher (1968)

Liên kết Hàn Dài

Để nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố ứng suất không đồng đều dọc theo chiều dài liên kết đối với mối hàn chịu kéo, một liên kết nối hàn đơn giản được sử dụng. Liên kết bao gồm một tấm thử được hàn giữa hai tấm phản lực với các mối hàn góc ở mỗi cạnh của tấm phản lực. Cấu hình này tạo ra một nhóm mối hàn chịu tải đúng tâm với tổng cộng bốn đường hàn trong liên kết. Lưu ý rằng để đánh giá chiều dài hàn hữu hiệu, chiều dài hàn thực tế của liên kết bằng chiều dài của một đường hàn đơn trong nhóm.

Kích thước mối hàn 3/16 in. (Liên kết A) và 3/8 in. (Liên kết B) đã được nghiên cứu. Các liên kết được thiết kế kích thước và tính chất vật liệu được chọn sao cho trạng thái giới hạn đứt mối hàn kiểm soát so với chảy dẻo kéo của tấm trong các tính toán truyền thống. Các tính chất hình học và vật liệu được sử dụng cho các liên kết được trình bày trong Bảng 5, và hình chiếu ba chiều của Liên kết A với chiều dài mối hàn bằng 18 in. được trình bày trong Hình 8.

Bảng 5 Tính chất hình học và vật liệu cho các liên kết hàn

Hình 8 Hình chiếu ba chiều của liên kết nối hàn

Đối với Liên kết A, mười bốn chiều dài mối hàn đã được thử nghiệm, tăng dần 4 in. từ 10 in. đến 62 in. Đối với Liên kết B, mười ba chiều dài mối hàn đã được thử nghiệm, tăng dần 10 in. từ 10 in. đến 130 in. So sánh cường độ theo chiều dài mối hàn được trình bày trong Hình 9 cho Liên kết A và Hình 11 cho Liên kết B. Phân bố ứng suất dọc theo chiều dài mối hàn được trình bày cho các chiều dài mối hàn khác nhau trong Hình 10 cho Liên kết A và Hình 12 cho Liên kết B.

Liên kết A và B cho thấy hành vi tương tự. Đối với các chiều dài mối hàn ngắn hơn, cường độ IDEA StatiCa phù hợp tốt với các tính toán truyền thống. Tuy nhiên, cường độ IDEA StatiCa trở nên bảo thủ hơn so với các tính toán truyền thống khi chiều dài mối hàn tăng. Cường độ từ các tính toán truyền thống đạt ngưỡng ổn định tại chiều dài mối hàn 300w, được biểu thị bằng đường đứt nét thẳng đứng trong Hình 9 và Hình 11. Phân bố ứng suất dọc theo chiều dài mối hàn là phi tuyến vì IDEA StatiCa mô hình hóa tường minh độ cứng của mối hàn và tấm. Do điều này và do quan hệ tải trọng-biến dạng tương đối bảo thủ được sử dụng trong IDEA StatiCa cho các mối hàn chịu tải theo phương dọc, cường độ IDEA StatiCa đạt ngưỡng ổn định tại các chiều dài mối hàn ngắn hơn nhiều so với 300w. Như thể hiện trong Hình 10 và Hình 12, các mối hàn ngắn hơn có phân bố ứng suất tương đối đồng đều, với ứng suất cao hơn một chút xảy ra ở các đoạn ở đầu đường hàn. Khi chiều dài mối hàn tăng, phân bố ứng suất dọc theo đường hàn trở nên không đồng đều đáng kể hơn, với ứng suất cao ở các đoạn đầu và ứng suất tối thiểu xảy ra gần giữa. Sự thay đổi đột ngột trong phân bố ứng suất thấy trong Hình 10 và Hình 12 đối với các mối hàn dài hơn là tại ranh giới giữa các đoạn mối hàn vẫn còn đàn hồi và các đoạn mối hàn trải qua biến dạng dẻo. Giới hạn cường độ mối hàn của IDEA StatiCa được xác lập khi hệ số sử dụng của đoạn mối hàn chịu ứng suất lớn nhất đạt 100%. Do đó, đối với các mối hàn dài hơn, có thể có các phần lớn của đường hàn trải qua ứng suất thấp tại tải trọng tương ứng với 100% hệ số sử dụng của đoạn mối hàn chịu ứng suất cao nhất. Biểu đồ phân bố ứng suất trong kiểm tra tiêu chuẩn IDEA StatiCa hiển thị hành vi phi tuyến này và cần được xem xét khi đưa ra các đánh giá kỹ thuật về cường độ mối hàn trong IDEA StatiCa.

Hình 9 Cường độ theo chiều dài mối hàn cho Liên kết A

Hình 10 Phân bố ứng suất dọc theo chiều dài mối hàn cho Liên kết A với các chiều dài mối hàn 18 in., 30 in., 42 in. và 54 in., Đơn vị là ksi

Hình 11 Cường độ theo chiều dài mối hàn cho Liên kết B

Hình 12 Phân bố ứng suất dọc theo chiều dài mối hàn cho Liên kết B với các chiều dài mối hàn 20 in., 40 in., 60 in. và 80 in., Đơn vị là ksi

Tóm tắt

Nghiên cứu này đánh giá cường độ của các liên kết bu lông và hàn dài bằng các phương pháp tính toán truyền thống được sử dụng trong thực hành tại Hoa Kỳ và IDEA StatiCa. Các quan sát chính từ nghiên cứu bao gồm:

Đối với liên kết bu lông:

• IDEA StatiCa mô hình hóa tường minh độ cứng của bu lông và tấm; do đó, ảnh hưởng chiều dài được phản ánh tự nhiên bởi các cường độ yêu cầu khác nhau cho từng bu lông và không áp dụng hệ số giảm đơn giản chỉ dựa trên chiều dài liên kết trong Tiêu chuẩn AISC.
• Cường độ trong IDEA StatiCa được nhận thấy là bảo thủ so với cường độ theo tính toán truyền thống trong hầu hết các trường hợp.
• Cường độ trong IDEA StatiCa được nhận thấy cao hơn cường độ theo tính toán truyền thống trong một số trường hợp khi chiều dài liên kết vượt quá 38 in. và các tấm dày hơn được sử dụng.
• Cường độ từ IDEA StatiCa được nhận thấy là bảo thủ so với các thí nghiệm thực tế được thực hiện bởi Bendigo et al. (1963) và Kulak và Fisher (1968).

Đối với liên kết hàn:

• IDEA StatiCa mô hình hóa tường minh độ cứng của mối hàn và tấm; do đó, ảnh hưởng chiều dài được phản ánh tự nhiên bởi các cường độ yêu cầu khác nhau cho từng đoạn mối hàn và không áp dụng các hệ số giảm đơn giản chỉ dựa trên tỷ lệ chiều dài mối hàn trên kích thước mối hàn trong Tiêu chuẩn AISC.
• Cường độ trong IDEA StatiCa được nhận thấy là bảo thủ so với cường độ theo tính toán truyền thống cho các trường hợp được nghiên cứu.
• Cường độ trong IDEA StatiCa được nhận thấy bảo thủ hơn đối với các chiều dài mối hàn dài hơn do ảnh hưởng của phân bố ứng suất phi tuyến giữa các đoạn mối hàn và quan hệ tải trọng-biến dạng tương đối bảo thủ cho các mối hàn chịu tải theo phương dọc được sử dụng trong các phân tích IDEA StatiCa.

Tài liệu tham khảo

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bendigo, R. A., Hansen, R. M., and Rumpf, J. L. (1963). "Long Bolted Joints." Journal of the Structural Division, ASCE, 89(6), 187–213.

CEN (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures, Comité Européen de Normalisation, Brussels, Belgium.

Kulak, G. L. and Fisher, J. W. (1968). "A514 Steel Joints Fastened by A490 Bolts." Journal of the Structural Division, ASCE, 94(10), 2303-2324.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., Struik, J. H. A. (2001) "Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints" Second Edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Miller, D. K. (2003). "Fillet Welds that are 'Too Long.'" Modern Steel Construction, March.

Tide, R. H. (2010). "Bolt Shear Design Considerations." Engineering Journal, AISC, 47(1), 47-63.