Gia cường tam giác

Mô tả

Đối tượng nghiên cứu này là kiểm tra xác nhận phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) cho gia cường tam giác loại 4 không có cánh và gia cường tam giác loại 4 có cánh với độ cứng giảm, so với mô hình FEM nghiên cứu (RFEM) và mô hình FEM thiết kế (DFEM).

Nghiên cứu thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm của sáu mẫu gia cường có và không có cánh được trình bày. Ba mẫu không có cánh và ba mẫu được đỡ bởi các cánh bổ sung. Các mẫu không có sườn tăng cứng khác nhau về chiều dày bản bụng tw và chiều rộng bản bụng bw. Các mẫu có sườn tăng cứng khác nhau về chiều dày bản bụng tw, chiều dày cánh tf và chiều rộng cánh bf. Kích thước của các mẫu được tóm tắt trong Bảng 6.1.1. Sơ đồ thí nghiệm cho mẫu không có cánh được thể hiện trong Hình 6.1.1 (trên) và cho mẫu có cánh trong Hình 6.1.1 (dưới). Đặc trưng vật liệu của các bản thép được tổng hợp trong Bảng 6.1.2.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.1 Specimens geometry and test set-up}}}$$

Bảng 6.1.1 Tổng quan các ví dụ

Bảng 6.1.2 Đặc trưng vật liệu sử dụng trong các mô hình số

Mô hình FEM nghiên cứu

Mô hình FEM nghiên cứu (RFEM) được sử dụng để kiểm tra xác nhận mô hình DFEM và được xác nhận dựa trên các thí nghiệm. Trong mô hình số, các phần tử vỏ tứ giác 4 nút với các nút tại góc được áp dụng, với chiều dài cạnh tối đa là 10 mm. Phân tích phi tuyến vật liệu và hình học có xét đến khuyết tật (GMNIA) được áp dụng. Các khuyết tật hình học tương đương được xác định từ dạng oằn đầu tiên, và biên độ được đặt theo Phụ lục C của EN 1993-1-5:2006. Các mô hình số được thể hiện trong Hình 6.1.2.

\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.2 Research FEM model a) haunch without a flange b) haunch with a flange}}

Một ví dụ so sánh giữa RFEM và thí nghiệm về ứng xử tải trọng - chuyển vị được thể hiện trong Hình 6.1.3a. So sánh khả năng chịu lực đo được trong thí nghiệm và thu được từ RFEM được thể hiện trong Hình 6.1.3b. Khả năng chịu lực tính toán trong mô hình số được hiển thị trên trục hoành. Khả năng chịu lực đo được trong nghiên cứu thực nghiệm được hiển thị trên trục tung. Có thể thấy rằng sự phù hợp tốt tồn tại.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.3 a) Load-deflection curve of a haunch without a flange b) Experiments' resistances compared against RFEMs'}}}$$

So sánh trạng thái biến dạng cuối cùng giữa các mô phỏng số và kết quả thực nghiệm được thực hiện ở cuối các thí nghiệm. Hình 6.1.4 trình bày so sánh biến dạng của các mẫu A, B và D sau khi phá hoại với RFEA. Có thể thấy rằng sự phù hợp tốt giữa các mô hình số và kết quả thực nghiệm của các gia cường tồn tại trong dạng phá hoại. Để biết thêm chi tiết, xem (Kurejková và Wald, 2017).

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.4 Experimental and numerical deflection of specimens A, B and D after failure}}}$$

Mô hình FEM thiết kế

Quy trình thiết kế cho tiết diện loại 4 được mô tả trong mục 3.10 Oằn cục bộ.
Quy trình thiết kế được kiểm tra xác nhận dựa trên so sánh các mô hình DFEM và RFEM. Cả hai mô hình đều được tạo trong phần mềm Dlubal RFEM. Quy trình được áp dụng trong các mô hình CBFEM; xem (Kurejková et al. 2015). Khả năng chịu lực được xác định bởi 5% biến dạng dẻo được thu được ở bước đầu tiên, tiếp theo là phân tích oằn tuyến tính. Cấu kiện tới hạn trong phân tích oằn được nghiên cứu. Khả năng chịu lực thiết kế được nội suy cho đến khi điều kiện ρ∙α_ult,k = 1 được thỏa mãn.

Dạng oằn đầu tiên của gia cường không có cánh được thể hiện trong Hình 6.1.5 a). Khả năng chịu lực được đánh giá theo công thức (3.10.2) trong mục 3.10. So sánh khả năng chịu lực của DFEM và RFEM được thể hiện trong Hình 6.1.5 b). Khả năng chịu lực tính toán trong DFEM được hiển thị trên trục hoành. Khả năng chịu lực tính toán trong RFEM được hiển thị trên trục tung. Có thể thấy rằng sự phù hợp tốt tồn tại và quy trình được kiểm tra xác nhận.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.5 a) First buckling mode of DFEM model b) Comparison of DFEM and RFEM resistances}}}$$

Ứng xử tổng thể và kiểm tra xác nhận

So sánh ứng xử tổng thể của gia cường không có cánh được mô tả bằng biểu đồ tải trọng - chuyển vị trong mô hình DFEM được chuẩn bị. Chuyển vị được đo theo phương thẳng đứng ở giữa mẫu. Sự chú ý tập trung vào các đặc trưng chính: khả năng chịu lực thiết kế và tải trọng tới hạn. Hai ví dụ về gia cường không có cánh được chọn để trình bày làm tham chiếu; xem Hình 6.1.6. Quy trình thiết kế trong các mô hình DFEM bao gồm dự trữ sau oằn, được quan sát trong Hình 6.1.6 a). Tải trọng tới hạn Fcr nhỏ hơn khả năng chịu lực thiết kế FDFEM. Dự trữ sau oằn được quan sát trong các trường hợp có bản rất mảnh. Biểu đồ điển hình được thể hiện trong Hình 6.1.6 b), trong đó khả năng chịu lực thiết kế FDFEM không đạt đến tải trọng tới hạn Fcr. Tải trọng Fult,k đề cập đến khả năng chịu lực với 5% biến dạng dẻo.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.6 a) Load-deflection curve with post-buckling reserve b) Load-deflection curve without post-buckling reserve (Kuříková et al. 2019)}}}$$

Quy trình thiết kế trong các mô hình CBFEM được mô tả trong mục 3.10 Oằn cục bộ. Phân tích oằn được tích hợp trong phần mềm. Việc tính toán khả năng chịu lực thiết kế được thực hiện thủ công theo quy trình thiết kế. FCBFEM được nội suy bởi người dùng cho đến khi công thức (2) bằng 1. Một nút liên kết dầm - cột có gia cường không có cánh được nghiên cứu. Chiều dày bản bụng dầm và cột thay đổi theo cùng cách như chiều dày của gia cường tam giác. Cùng một tiết diện được sử dụng cho dầm và cột. Hình học của các ví dụ được mô tả trong Bảng 6.1.3. Nút liên kết được tải bởi mô men uốn.

Bảng 6.1.3 Tổng quan các ví dụ (Kuříková et al. 2019)

Kiểm tra xác nhận khả năng chịu lực

Khả năng chịu lực thiết kế tính toán bằng CBFEM được so sánh với kết quả thu được từ RFEM. So sánh tập trung vào khả năng chịu lực thiết kế và tải trọng tới hạn. Kết quả được sắp xếp trong Bảng 6.1.4. Biểu đồ trong Hình 6.1.7 c) thể hiện ảnh hưởng của chiều dày bản mở rộng đến khả năng chịu lực và tải trọng tới hạn trong các ví dụ được xem xét.
Kết quả cho thấy sự phù hợp rất tốt về tải trọng tới hạn và khả năng chịu lực thiết kế. Dự trữ sau oằn được quan sát đối với bản bụng dầm và bản mở rộng tam giác với chiều dày 3 và 4 mm. Mô hình CBFEM của nút liên kết có gia cường với chiều dày 3 mm được thể hiện trong Hình 6.1.7 a). Dạng oằn đầu tiên của nút liên kết được thể hiện trong Hình 6.1.7 b).

Bảng 6.1.4 Khả năng chịu lực thiết kế

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

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

$$\textsf{\textit{\footnotesize{c)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.7 a)First buckling mode b) CBFEM model c) Influence of hthe widener thickness on resistances and critical loads}}}$$

Các nghiên cứu kiểm tra xác nhận khẳng định độ chính xác của mô hình CBFEM trong việc dự đoán ứng xử của gia cường tam giác. Kết quả của CBFEM được so sánh với kết quả của RFEM. Quy trình thiết kế được kiểm tra xác nhận trên mô hình RFEM, mô hình này được xác nhận dựa trên các thí nghiệm. Tất cả các quy trình đều dự đoán ứng xử tổng thể tương tự của nút liên kết.

Ví dụ chuẩn

Dữ liệu đầu vào

Dầm và cột
• Thép S355
• Chiều dày cánh tf = 10 mm
• Chiều rộng cánh bf = 120 mm
• Chiều dày bản bụng tw = 3 mm
• Chiều cao bản bụng hw = 300 mm

Gia cường tam giác
• Chiều dày tw = 3 mm
• Chiều rộng bw = 400 mm
• Chiều cao hw = 400 mm

Tính toán
• Phân tích oằn

Kết quả đầu ra

 • Khả năng chịu lực dẻo CBFEM = 138 kNm
•   Khả năng chịu lực oằn thiết kế CBFEM = 41 kNm
• Hệ số oằn tới hạn (cho khả năng chịu lực oằn thiết kế CBFEM = 41 kNm) αcr = 0,52
• Hệ số tải trọng theo 5% biến dạng dẻo α_ult,k = Khả năng chịu lực dẻo CBFEM / Khả năng chịu lực oằn thiết kế CBFEM = 138 / 41 = 3,40

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.7 Triangular haunch calculated in the benchmark example}}}$$