Mô tả
Trong chương này, các nút liên kết T, X và K có khe hở dạng hàn phẳng một mặt phẳng với tiết diện hộp chữ nhật và vuông được dự đoán bằng CBFEM và được kiểm chứng. Thanh giằng tiết diện hộp vuông (SHS) được hàn trực tiếp lên thanh cánh RHS mà không sử dụng bản gia cường. Các nút liên kết chịu lực dọc trục. Trong CBFEM, sức kháng thiết kế được giới hạn bởi biến dạng 5 % hoặc lực tương ứng với biến dạng nút liên kết 0,03b0 và trong FMM thường được giới hạn bởi biến dạng ngoài mặt phẳng của bản 0,03b0 trong đó b0 là chiều cao của thanh cánh RHS; xem Lu et al. (1994).
Phương pháp dạng phá hoại
Trong trường hợp nút liên kết T, Y, X hoặc K có khe hở của tiết diện hộp chữ nhật hàn chịu tải trọng dọc trục, có thể xảy ra năm dạng phá hoại. Đó là phá hoại mặt thanh cánh, dẻo hóa thanh cánh, phá hoại thành bên thanh cánh, phá hoại bụng thanh cánh, phá hoại cắt thanh cánh, phá hoại cắt xuyên thủng và phá hoại thanh giằng. Trong nghiên cứu này, phá hoại mặt thanh cánh, phá hoại thanh giằng và phá hoại cắt xuyên thủng được xem xét cho nút T, Y và X; phá hoại mặt thanh cánh, phá hoại cắt thanh cánh, phá hoại thanh giằng và phá hoại cắt xuyên thủng được xem xét cho nút K có khe hở; xem Hình 7.2.1. Các mối hàn được thiết kế theo EN 1993-1-8:2005 không phải là cấu kiện yếu nhất trong nút liên kết.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.1 Examined failure modes: a) Chord face failure, b) Chord shear failure, c) Brace failure, and d) Punching shear failure}}}\]
Phá hoại mặt thanh cánh
Sức kháng thiết kế của mặt thanh cánh RHS được xác định bằng mô hình FMM trong mục 9.5 của EN 1993‑1-8:2020. Phương pháp này cũng được nêu trong ISO/FDIS 14346 và được mô tả chi tiết trong Wardenier et al. (2010). Sức kháng thiết kế của nút T, Y hoặc X chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0^2}{\sin{\theta_i}} \left ( \frac{2 \eta}{(1-\beta) \sin{\theta_i}} + \frac{4}{\sqrt{1-\beta}} \right ) Q_f / \gamma_{M5} \]
Sức kháng thiết kế của nút K có khe hở chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = 8.9 C_f \beta \gamma^{0.5} \frac{f_{y,0} t_0^2}{\sin{\theta_i}} Q_f / \gamma_{M5} \]
trong đó Cf là hệ số vật liệu, fy0 là giới hạn chảy của thanh cánh, t0 là chiều dày thành thanh cánh, η là tỷ số chiều cao thanh giằng trên chiều rộng thanh cánh, β là tỷ số chiều rộng thanh giằng trên chiều rộng thanh cánh, qi là góc giữa thanh giằng i và thanh cánh (i = 1, 2), Qf là hàm ứng suất thanh cánh, và γ là tỷ số độ mảnh thanh cánh.
Phá hoại thanh giằng
Sức kháng thiết kế của mặt thanh cánh RHS có thể được xác định bằng phương pháp theo mô hình FMM trong mục 9.5 của EN 1993-1-8:2020. Sức kháng thiết kế của nút T, Y hoặc X chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = C_f f_{yi} t_i (2 h_i - 4 t_i + 2 b_{eff} ) / \gamma_{M5} \]
Sức kháng thiết kế của nút K có khe hở chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = C_f f_{yi} t_i (2 h_i - 4 t_i + b_i + b_{eff} ) / \gamma_{M5} \]
trong đó Cf là hệ số vật liệu, fyi là giới hạn chảy của thanh giằng i (i = 1, 2), ti là chiều dày thành thanh giằng i, hi là chiều cao thanh giằng i, bi là chiều rộng thanh giằng i, beff là chiều rộng hiệu quả của thanh giằng.
Cắt xuyên thủng
Sức kháng thiết kế của nút T, Y hoặc X chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}} \left( \frac{2h_i}{\sin{\theta_i}} + 2b_{e,p} \right ) / \gamma_{M5} \]
Sức kháng thiết kế của nút K có khe hở chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}} \left( \frac{2h_i}{\sin{\theta_i}} + b_i+b_{e,p} \right ) / \gamma_{M5} \]
Trong đó Cf là hệ số vật liệu, fy0 là giới hạn chảy của thanh cánh, t0 là chiều dày thành thanh cánh, qi là góc giữa thanh giằng i và thanh cánh (i = 1, 2), hi là chiều cao thanh giằng i, bi là chiều rộng thanh giằng i và be,p là chiều rộng hiệu quả cho cắt xuyên thủng.
Phá hoại cắt thanh cánh
Sức kháng thiết kế của nút K có khe hở chịu tải trọng dọc trục của tiết diện hộp chữ nhật hàn là
\[ N_{i,Rd} = \frac{f_{y0}A_{V,0,gap}}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}}/\gamma_{M5} \]
trong đó fy0 là giới hạn chảy của thanh cánh, Av,0,gap là diện tích hiệu quả cho phá hoại cắt thanh cánh, và qi là góc giữa thanh giằng i và thanh cánh (i = 1, 2).
Phạm vi áp dụng
CBFEM được kiểm chứng cho các nút T, Y, X và K có khe hở điển hình của tiết diện hộp chữ nhật hàn. Phạm vi áp dụng cho các nút liên kết này được định nghĩa trong Bảng 9.2 của prEN 1993-1-8:2020; xem Bảng 7.2.1. Phạm vi áp dụng tương tự được áp dụng cho mô hình CBFEM. Ngoài phạm vi áp dụng của FMM, cần chuẩn bị thí nghiệm để xác nhận hoặc thực hiện kiểm chứng theo mô hình nghiên cứu đã được xác nhận.
Bảng 7.2.1 Phạm vi áp dụng cho phương pháp dạng phá hoại, Bảng 9.2 của EN 1993-1-8:2020
| Tổng quát | \(0.2 \le \frac{d_i}{d_0} \le 1.0 \) | \( \theta_i \ge 30^{\circ} \) | \(\frac{e}{d_0} \le 0.25 \) |
| \(g \ge t_1+t_2 \) | \(f_{yi} \le f_{y0} \) | \( t_i \le t_0 \) |
| Thanh cánh | Nén | Loại 1 hoặc 2 và \( d_0 / t_0 \le 50 \) (nhưng đối với nút X: \( d_0/t_0 \le 40 \)) |
| Kéo | \(d_0 / t_0 \le 50 \) (nhưng đối với nút X: \( d_0/t_0 \le 40 \)) | |
| Thanh giằng CHS | Nén | Loại 1 hoặc 2 và \(b_i / t_i \le 35\) và \(\frac{h_i}{t_i} \le 35 \) |
| Kéo | \(b_i / t_i \le 35\) và \(\frac{h_i}{t_i} \le 35 \) |
7.2.2 Nút T và Y-SHS phẳng một mặt phẳng
Tổng quan về các ví dụ được xem xét được trình bày trong Bảng 7.2.2. Các trường hợp được chọn bao gồm một phạm vi rộng các tỷ số hình học nút liên kết. Hình học của các nút liên kết với kích thước được thể hiện trong Hình 7.2.2. Các nút liên kết được chọn bị phá hoại theo phương pháp dựa trên FMM do phá hoại mặt thanh cánh hoặc phá hoại thanh giằng.
Bảng 7.2.2 Tổng quan các ví dụ
| Ví dụ | Thanh cánh | Thanh giằng | Góc | Vật liệu | ||
| Tiết diện | Tiết diện | θ1 | fy | fu | E | |
| [°] | [MPa] | [MPa] | [GPa] | |||
| 1 | SHS200/6.3 | SHS90/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 2 | SHS200/8.0 | SHS90/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 3 | SHS200/12.5 | SHS120/12.5 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 4 | SHS200/6.3 | SHS140/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 5 | SHS200/8.0 | SHS80/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 6 | SHS200/10.0 | SHS120/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 7 | SHS200/12.5 | SHS90/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 8 | SHS200/6.3 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 9 | SHS200/8.0 | SHS150/16.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 10 | SHS200/10.0 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 11 | SHS200/12.5 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.2 Dimensions of T-joint}}}\]
Kiểm chứng sức kháng
Kết quả của FMM được so sánh với kết quả của CBFEM. Việc so sánh tập trung vào sức kháng và dạng phá hoại thiết kế. Kết quả được trình bày trong Bảng 7.2.3.
Bảng 7.2.3 So sánh kết quả sức kháng thiết kế chịu kéo/nén được dự đoán bởi CBFEM và FMM

Nghiên cứu cho thấy sự phù hợp tốt cho các trường hợp tải trọng được áp dụng. Kết quả được tóm tắt trong biểu đồ so sánh sức kháng thiết kế của CBFEM và FMM; xem Hình 7.2.3. Kết quả cho thấy sự khác biệt giữa hai phương pháp tính toán trong tất cả các trường hợp đều nhỏ hơn 10 %.


\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.3 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS T and Y-joint}}}\]
Ví dụ chuẩn
Dữ liệu đầu vào
Thanh cánh
- Thép S355
- Tiết diện SHS 200×200×6.3
Thanh giằng
- Thép S355
- Tiết diện SHS 90×90×8.0
- Góc giữa thanh giằng và thanh cánh 90°
Mối hàn
- Hàn đối đầu
Kích thước lưới
- 16 phần tử trên bụng lớn nhất của cấu kiện hộp chữ nhật
Tải trọng
- Lực tác dụng lên thanh giằng chịu nén/kéo
Kết quả đầu ra
- Sức kháng thiết kế chịu nén/kéo là NRd = 92.6 kN
- Dạng phá hoại thiết kế là phá hoại mặt thanh cánh
Nút X-SHS phẳng một mặt phẳng
Tổng quan về các ví dụ được xem xét được trình bày trong Bảng 7.2.4. Các trường hợp được chọn bao gồm một phạm vi rộng các tỷ số hình học nút liên kết. Các nút liên kết được chọn bị phá hoại theo phương pháp dựa trên FMM do phá hoại mặt thanh cánh hoặc phá hoại thanh giằng.
Bảng 7.2.4 Tổng quan các ví dụ
| Ví dụ | Thanh cánh | Thanh giằng | Góc | Vật liệu | ||
| Tiết diện | Tiết diện | θ | fy | fu | E | |
| [°] | [MPa] | [MPa] | [GPa] | |||
| 1 | SHS200/6.3 | SHS140/12.5 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 2 | SHS200/8.0 | SHS70/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 3 | SHS200/10.0 | SHS120/12.5 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 4 | SHS200/12.5 | SHS90/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 5 | SHS200/6.3 | SHS90/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 6 | SHS200/8.0 | SHS80/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 7 | SHS200/10.0 | SHS150/6.3 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 8 | SHS200/12.5 | SHS140/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 9 | SHS200/16.0 | SHS120/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 10 | SHS200/6.3 | SHS100/8.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 11 | SHS200/8.0 | SHS150/16.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 12 | SHS200/10.0 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 13 | SHS200/16.0 | SHS90/8.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.4 Dimensions of X-joint}}}\]
Kiểm chứng sức kháng
Kết quả của phương pháp dựa trên dạng phá hoại (FMM) được so sánh với kết quả của CBFEM. Việc so sánh tập trung vào sức kháng và dạng phá hoại thiết kế; xem Bảng 7.2.5.
Bảng 7.2.5 So sánh kết quả dự đoán sức kháng bằng CBFEM và FMM

Nghiên cứu cho thấy sự phù hợp tốt cho các trường hợp tải trọng được áp dụng. Kết quả được tóm tắt trong biểu đồ so sánh sức kháng thiết kế của CBFEM và FMM; xem Hình 7.2.4. Kết quả cho thấy sự khác biệt giữa hai phương pháp tính toán trong tất cả các trường hợp đều nhỏ hơn 13 %.


\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.5 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS X-joint}}}\]
Ví dụ chuẩn
Dữ liệu đầu vào
Thanh cánh
- Thép S355
- Tiết diện SHS 200×200×6,3
Các thanh giằng
- Thép S355
- Tiết diện SHS 140×140×12,5
- Góc giữa các thanh giằng và thanh cánh 90°
Các mối hàn
- Hàn đối đầu
Kích thước lưới
- 16 phần tử trên bụng lớn nhất của cấu kiện hộp chữ nhật
Tải trọng
- Lực tác dụng lên thanh giằng chịu nén/kéo
Kết quả đầu ra
- Sức kháng thiết kế chịu nén/kéo là NRd = 152.4 kN
- Dạng phá hoại thiết kế là phá hoại mặt thanh cánh
7.2.4 Nút K-SHS phẳng một mặt phẳng
Tổng quan về các ví dụ được xem xét được trình bày trong Bảng 7.2.6. Các trường hợp được chọn bao gồm một phạm vi rộng các tỷ số hình học nút liên kết. Các nút liên kết được chọn bị phá hoại theo phương pháp dựa trên FMM do phá hoại mặt thanh cánh hoặc phá hoại thanh giằng.
Bảng 7.2.6 Tổng quan các ví dụ
| Ví dụ | Thanh cánh | Các thanh giằng | Góc | Vật liệu | ||
| Tiết diện | Tiết diện | θ | fy | fu | E | |
| [°] | [MPa] | [MPa] | [GPa] | |||
| 1 | SHS180/10.0 | SHS70/3.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 2 | SHS180/10.0 | SHS70/3.6 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 3 | SHS200/8.0 | SHS80/3.6 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 4 | SHS200/8.0 | SHS100/10.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 5 | SHS200/200/10.0 | SHS70/3.6 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 6 | SHS200/200/10.0 | SHS100/4.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 7 | SHS200/200/12.5 | SHS70/6.3 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 8 | SHS200/200/12.5 | SHS100/8.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.6 Dimensions of K-joint}}}\]
Kiểm chứng
Kết quả của CBFEM được so sánh với kết quả của FMM. Việc so sánh tập trung vào sức kháng và dạng phá hoại thiết kế. Kết quả được trình bày trong Bảng 7.2.7.
Bảng 7.2.7 So sánh kết quả dự đoán sức kháng bằng CBFEM và FMM

Nghiên cứu cho thấy sự phù hợp tốt cho các trường hợp tải trọng được áp dụng. Kết quả được tóm tắt trong biểu đồ so sánh sức kháng thiết kế của CBFEM và FMM; xem Hình 7.2.5. Kết quả cho thấy CBFEM cho kết quả thiên về an toàn trong tất cả các trường hợp so với FMM.


\[ \Fig. 7.2.7 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS K-joint}}}\]
Ví dụ chuẩn
Dữ liệu đầu vào
Thanh cánh
- Thép S355
- Tiết diện SHS 180×180×10,0
Các thanh giằng
- Thép S355
- Tiết diện SHS 70×70×3,0
- Góc giữa các thanh giằng và thanh cánh 45°
Các mối hàn
- Hàn đối đầu
Kích thước lưới
- 16 phần tử trên bụng lớn nhất của cấu kiện hộp chữ nhật
Tải trọng
- Lực tác dụng lên thanh giằng chịu nén/kéo
Kết quả đầu ra
- Sức kháng thiết kế chịu nén/kéo là NRd = 257.5 kN
- Dạng phá hoại thiết kế là phá hoại mặt thanh cánh
