Mô tả
Trong chương này, phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) cho liên kết moment tại mái của khung cổng hàn được kiểm chứng theo phương pháp cấu kiện (CM). Một dầm tiết diện hở được hàn vào cột tiết diện hở. Cột được gia cường bằng hai sườn tăng cứng nằm ngang đối diện với cánh dầm. Các tấm chịu nén, ví dụ như sườn tăng cứng nằm ngang của cột, bản bụng cột trong vùng chịu cắt, cánh dầm chịu nén, được giới hạn ở lớp 3rd để tránh oằn. Xà ngang chịu lực cắt và moment uốn.
Mô hình giải tích
Năm cấu kiện được xem xét trong nghiên cứu, bao gồm bản bụng trong vùng chịu cắt, bản bụng cột chịu nén ngang, bản bụng cột chịu kéo ngang, cánh cột chịu uốn và cánh dầm chịu nén. Tất cả các cấu kiện được thiết kế theo EN 1993-1-8:2005. Mối hàn góc được thiết kế để không phải là cấu kiện yếu nhất trong nút liên kết. Nghiên cứu kiểm chứng mối hàn góc trong liên kết dầm-cột có sườn tăng cứng được trình bày trong chương 4.4.
Bản bụng trong vùng chịu cắt
Chiều dày bản bụng cột được giới hạn theo độ mảnh để tránh vấn đề ổn định; xem EN 1993‑1‑8:2005, Điều 6.2.6.1(1). Bản bụng cột loại 4 trong vùng chịu cắt được nghiên cứu trong chương 6.2. Hai thành phần đóng góp vào khả năng chịu tải được xem xét: khả năng chịu cắt của bản bụng cột và đóng góp từ cơ chế khung của cánh cột và sườn tăng cứng nằm ngang; xem EN 1993‑1‑8:2005, Điều 6.2.6.1 (6.7 và 6.8).
Bản bụng cột chịu nén ngang
Ảnh hưởng của tương tác tải trọng cắt được xem xét; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.2, Bảng 6.3. Ảnh hưởng của ứng suất dọc trong bản bụng cột được xem xét; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.2(2). Các sườn tăng cứng nằm ngang được tính vào khả năng chịu tải của cấu kiện này.
Bản bụng cột chịu kéo ngang
Ảnh hưởng của tương tác tải trọng cắt được xem xét; xem EN 1993-1-8:2005, Điều 6.2.6.2, Bảng 6.3. Các sườn tăng cứng nằm ngang được tính vào khả năng chịu tải của cấu kiện này.
Cánh cột chịu uốn
Các sườn tăng cứng nằm ngang giằng cánh cột; cấu kiện này không được xem xét.
Cánh dầm chịu nén
Dầm nằm ngang được thiết kế đạt tiết diện lớp 3 hoặc tốt hơn để tránh oằn.
Tổng quan các ví dụ được xem xét và vật liệu được trình bày trong Bảng 9.1.1. Hình học của nút liên kết với các kích thước được thể hiện trong Hình 9.1.1. Các thông số được xem xét trong nghiên cứu là tiết diện dầm, tiết diện cột và chiều dày bản bụng cột.
Bảng 9.1.1 Tổng quan các ví dụ
| Ví dụ | Vật liệu | Dầm | Cột | Sườn tăng cứng cột | |||||
| fy | fu | E | \(\gamma_{M0}\) | \(\gamma_{M2}\) | Tiết diện | Tiết diện | bs | ts | |
| [MPa] | [MPa] | [GPa] | [-] | [-] | [mm] | [mm] | |||
| IPE140 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE140 | HEB260 | 73 | 10 |
| IPE160 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE160 | HEB260 | 82 | 10 |
| IPE180 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE180 | HEB260 | 91 | 10 |
| IPE200 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE200 | HEB260 | 100 | 10 |
| IPE220 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE220 | HEB260 | 110 | 10 |
| IPE240 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE240 | HEB260 | 120 | 10 |
| IPE270 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE270 | HEB260 | 135 | 10 |
| IPE300 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE300 | HEB260 | 150 | 10 |
| IPE330 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB260 | 160 | 10 |
| IPE360 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE360 | HEB260 | 170 | 10 |
| IPE400 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE400 | HEB260 | 180 | 10 |
| IPE450 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE450 | HEB260 | 190 | 10 |
| IPE500 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE500 | HEB260 | 200 | 10 |
| Ví dụ | Vật liệu | Dầm | Cột | Sườn tăng cứng cột | |||||
| fy | fu | E | \(\gamma_{M0}\) | \(\gamma_{M2}\) | Tiết diện | Tiết diện | bs | ts | |
| [MPa] | [MPa] | [GPa] | [-] | [-] | [mm] | [mm] | |||
| HEB160 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB160 | 160 | 10 |
| HEB180 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB180 | 160 | 10 |
| HEB200 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB200 | 160 | 10 |
| HEB220 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB220 | 160 | 10 |
| HEB240 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB240 | 160 | 10 |
| HEB260 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB260 | 160 | 10 |
| HEB280 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB280 | 160 | 10 |
| HEB300 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB300 | 160 | 10 |
| HEB320 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB320 | 160 | 10 |
| HEB340 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB340 | 160 | 10 |
| HEB360 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB360 | 160 | 10 |
| HEB400 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB400 | 160 | 10 |
| HEB500 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEB500 | 160 | 10 |
| Ví dụ | Vật liệu | Dầm | Cột | Sườn tăng cứng cột | ||||||
| fy | fu | E | \(\gamma_{M0}\) | \(\gamma_{M2}\) | Tiết diện | Tiết diện | tw | bs | ts | |
| [MPa] | [MPa] | [GPa] | [-] | [-] | [mm] | [mm] | [mm] | |||
| tw4 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 4 | 160 | 10 |
| tw5 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 5 | 160 | 10 |
| tw6 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 6 | 160 | 10 |
| tw7 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 7 | 160 | 10 |
| tw8 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 8 | 160 | 10 |
| tw9 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 9 | 160 | 10 |
| tw10 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 10 | 160 | 10 |
| tw11 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 11 | 160 | 10 |
| tw12 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 12 | 160 | 10 |
| tw13 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 13 | 160 | 10 |
| tw14 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 14 | 160 | 10 |
| tw15 | 235 | 360 | 210 | 1 | 1,25 | IPE330 | HEA320 | 15 | 160 | 10 |
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]
Mô hình số
Trạng thái vật liệu đàn hồi-dẻo phi tuyến được khảo sát tại từng lớp của điểm tích phân. Đánh giá dựa trên biến dạng tối đa theo EN 1993-1-5:2006 với giá trị 5%.
Ứng xử tổng thể
So sánh ứng xử tổng thể của liên kết moment khung cổng, được mô tả bằng biểu đồ moment-góc xoay, được trình bày. Các đặc trưng chính của biểu đồ moment-góc xoay là độ cứng ban đầu, khả năng chịu lực đàn hồi và khả năng chịu lực thiết kế. Dầm tiết diện hở IPE 330 được hàn vào cột HEB 260 trong ví dụ. Liên kết moment khung cổng có sườn tăng cứng nằm ngang trong cột được xem xét theo phương pháp cấu kiện như một nút liên kết ngàm cứng với Sj,ini = ∞. Do đó, nút liên kết không có sườn tăng cứng nằm ngang trong cột được phân tích. Biểu đồ moment-góc xoay được thể hiện trong Hình 9.1.2, và các kết quả được tóm tắt trong Bảng 9.1.2. Kết quả cho thấy sự phù hợp rất tốt về độ cứng ban đầu và ứng xử tổng thể của nút liên kết.
Bảng 9.1.2 Độ cứng xoay của liên kết moment khung cổng trong CBFEM và CM
| CM | CBFEM | CM/CBFEM | ||
| Độ cứng ban đầu Sj,ini | [kNm/rad] | 48423,7 | 58400,0 | 0,83 |
| Khả năng chịu lực đàn hồi 2/3 Mj,Rd | [kNm] | 93,3 | 93,0 | 1,00 |
| Khả năng chịu lực thiết kế Mj,Rd | [kNm] | 140,0 | 139,0 | 0,99 |
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]
Kiểm chứng khả năng chịu lực
Các kết quả tính toán bằng CBFEM được so sánh với CM. Việc so sánh tập trung vào khả năng chịu lực thiết kế và cấu kiện tới hạn. Nghiên cứu được thực hiện cho ba thông số khác nhau: tiết diện dầm, tiết diện cột và chiều dày bản bụng cột.
Cột tiết diện hở HEB 260 được sử dụng trong ví dụ với thông số là tiết diện dầm. Cột được gia cường bằng hai sườn tăng cứng nằm ngang của cột dày 10 mm đối diện với cánh dầm. Chiều rộng của sườn tăng cứng tương ứng với chiều rộng cánh dầm. Các tiết diện dầm IPE được chọn từ IPE 140 đến IPE 500. Kết quả được trình bày trong Bảng 9.1.3. Ảnh hưởng của tiết diện dầm đến khả năng chịu lực thiết kế của liên kết moment khung cổng hàn được thể hiện trong Hình 9.1.4. Các cấu kiện tới hạn trong CBFEM là cánh dầm, cánh cột và bản bụng cột. Hình 9.1.3 thể hiện mô hình của một trong các ví dụ với mô tả các cánh.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]
Bảng 9.1.3 Khả năng chịu lực thiết kế và các cấu kiện tới hạn trong CBFEM và CM
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]
Dầm tiết diện hở IPE330 được sử dụng trong ví dụ với thông số là tiết diện cột. Cột được gia cường bằng hai sườn tăng cứng nằm ngang của cột dày 10 mm đối diện với cánh dầm. Chiều rộng của sườn tăng cứng tương ứng với chiều rộng cánh dầm. Tổng chiều rộng của sườn tăng cứng là 160 mm. Các tiết diện cột được chọn từ HEB 160 đến HEB 500. Kết quả được trình bày trong Bảng 9.1.4. Ảnh hưởng của tiết diện cột đến khả năng chịu lực thiết kế của liên kết moment khung cổng hàn được thể hiện trong Hình 9.1.5.
Bảng 9.1.4 Khả năng chịu lực thiết kế và các cấu kiện tới hạn của liên kết moment trong CBFEM và CM
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]
Ví dụ thứ ba trình bày liên kết moment khung cổng được tạo từ dầm tiết diện hở IPE 330 và cột HEA 320. Thông số là chiều dày bản bụng cột. Cột được gia cường bằng hai sườn tăng cứng nằm ngang của cột dày 10 mm và rộng 160 mm. Chiều dày bản bụng cột được chọn từ 4 đến 16 mm. Kết quả được tóm tắt trong Bảng 9.1.5. Ảnh hưởng của chiều dày bản bụng cột đến khả năng chịu lực thiết kế của liên kết moment khung cổng hàn được thể hiện trong Hình 9.1.6.
Bảng 9.1.5 Khả năng chịu lực thiết kế và các cấu kiện tới hạn của liên kết moment trong CBFEM và CM
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]
Để minh họa độ chính xác của mô hình CBFEM, kết quả của các nghiên cứu tham số được tóm tắt trong biểu đồ so sánh khả năng chịu lực của CBFEM và phương pháp cấu kiện; xem Hình 9.1.7. Kết quả cho thấy sự chênh lệch giữa hai phương pháp tính toán nhỏ hơn 5%, đây là giá trị được chấp nhận chung. Nghiên cứu với thông số chiều dày bản bụng cột cho kết quả khả năng chịu lực của mô hình CBFEM cao hơn so với phương pháp cấu kiện. Sự chênh lệch này là do xem xét tiết diện hàn. Việc truyền tải trọng cắt trong phương pháp cấu kiện chỉ được xem xét trong bản bụng và đóng góp của các cánh bị bỏ qua.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]
Ví dụ chuẩn
Dữ liệu đầu vào
Cột
- Thép S235
- HEB260
Dầm
- Thép S235
- IPE330
Sườn tăng cứng cột
- Chiều dày ts = 19 mm
- Chiều rộng 80 mm
- Đối diện với cánh dầm
Mối hàn
- Cánh dầm: chiều cao họng mối hàn góc af = 8 mm
- Bản bụng dầm: chiều cao họng mối hàn góc aw = 8 mm
- Hàn đối đầu xung quanh sườn tăng cứng
Kết quả đầu ra
- Khả năng chịu uốn thiết kế MRd = 146 kNm
- Cấu kiện tới hạn: Cánh dầm 1
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]