Báo cáo này được phát triển trong khuôn khổ hợp tác giữa ISISE (Viện Bền vững và Đổi mới trong Kỹ thuật Kết cấu) tại Đại học Coimbra và IDEA StatiCa. Dự án này được tài trợ chung bởi cả hai tổ chức và được thực hiện bởi:
- Luis Simões da Silva
- Jorge Conde
- Filip Ljubinković
- João Pedro Martins
- Francisca Santos
- Fernando Freire
- Juan Aguiar
Tóm tắt điều hành
Báo cáo này trình bày phân tích toàn diện về các liên kết thép hàn dầm-cột với trọng tâm cụ thể vào thành phần bản bụng cột chịu cắt, sử dụng các mô hình 3D-FEM chất lượng cao đã được kiểm chứng đúng cách. Nghiên cứu bao gồm các liên kết dầm-cột tiết diện hở hàn chịu mô men theo trục mạnh, có và không có sườn tăng cứng ngang, bao gồm các liên kết một phía và hai phía tại tầng trung gian (nội) hoặc tầng cuối (mái), và đối với các liên kết nội, với các mức tải trọng dọc trục cột khác nhau. Nghiên cứu bao gồm nhiều tình huống về độ mảnh cột, tỷ lệ hình học liên kết, cấu hình liên kết, sườn tăng cứng, lực dọc trục và tỷ lệ mô men (đối với liên kết hai phía). Các khía cạnh liên quan đến phần tử hữu hạn như mô hình vật liệu, loại phân tích, mật độ lưới, khuyết tật ban đầu, v.v. cũng được xem xét.
Nghiên cứu này bao gồm một năm làm việc trong các lĩnh vực sau:
- Danh sách trường hợp bao gồm các trường hợp với tải trọng dọc trục 30%, 50% và 70%.
- Các mác thép bao gồm S235, S275 và S355.
- Cột cán nóng, cột hàn góc và hàn đối đầu được thảo luận.
- Một nghiên cứu toàn diện về sự khác biệt giữa GMNA và MNA đã được đưa vào.
- Một nghiên cứu toàn diện về ảnh hưởng của quy luật cấu thành vật liệu đã được đưa vào.
- Ảnh hưởng của mối hàn góc đến ứng xử liên kết được nghiên cứu.
Mục tiêu
Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá khả năng chịu mô men uốn theo trục mạnh của các liên kết hàn trong cấu hình dầm-cột một phía và hai phía với các cấu kiện tiết diện hở (dầm và cột), bao gồm ảnh hưởng của sườn tăng cứng ngang, sử dụng: i) các quy tắc thiết kế châu Âu, ii) FEA (phần tử khối 3D) và iii) IDEA StatiCa; và so sánh kết quả thu được từ mỗi phương pháp.
Phương pháp luận
- Đánh giá khả năng chịu lực thiết kế của thành phần tấm bụng cho nhiều loại liên kết thép hàn dầm-cột thông qua các mô hình 3D FEM chất lượng cao, được sử dụng làm các trường hợp chuẩn.
- So sánh khả năng chịu lực của liên kết với các mô hình CBFE (IDEA StatiCa), dựa trên phần tử vỏ.
- Thảo luận về khả năng cải thiện các tính năng và tùy chọn mặc định do IDEA StatiCa cung cấp để đảm bảo thu được giá trị khả năng chịu lực thực tế và an toàn.
- So sánh khả năng chịu lực của liên kết với kết quả thu được từ các biểu thức thiết kế trong Eurocode 3, phiên bản hiện hành và sắp tới.
- Đánh giá sự khác biệt về khả năng chịu mô men do tiêu chí biến dạng dẻo tương đương 5% được IDEA StatiCa áp dụng để xác định 'khả năng chịu lực thiết kế' trên đường cong mô men-xoay, so với các tiêu chí phổ biến khác (chẳng hạn như giảm độ cứng cát tuyến xuống 1/3 độ cứng ban đầu).
Các câu hỏi được giải quyết
- Mức độ phân tán của kết quả là bao nhiêu?
- Ảnh hưởng của các thông số khác nhau (độ mảnh, tỷ lệ hình học, tỷ lệ mô men uốn, sườn tăng cứng ngang, lực dọc trục, v.v.) đến các kết quả này là gì?
- Ảnh hưởng của các thành phần bản bụng cột đến các kết quả này là gì?
Phạm vi loại trừ
Không thực hiện đánh giá độ tin cậy của kết quả chương trình vì điều này nằm ngoài phạm vi của nghiên cứu này.
Tóm tắt kết luận
Phân tích kết quả Abaqus đã làm nổi bật các kết luận sau:
- Về tiêu chí biến dạng dẻo tương đương 5%, đã được chứng minh rằng, đối với loại liên kết này, nó tạo ra kết quả khả năng chịu lực tương tự như kết quả thu được từ cùng mô hình số với việc giảm độ cứng cát tuyến xuống 1/3 độ cứng ban đầu.
- Khuyết tật ban đầu đóng vai trò nhỏ trong ứng xử của các liên kết được phân tích, tuy nhiên, phi tuyến hình học (phân tích bậc 2) nên được đưa vào, đặc biệt trong các trường hợp có lực dọc trục.
- Việc đưa vào tăng bền biến dạng dẫn đến mức tăng trung bình nhỏ 4% về khả năng chịu lực, tuy nhiên, nó có ảnh hưởng lớn, khoảng 44% trung bình, đến góc xoay liên kết.
Các nhận xét sau đây có liên quan đến việc triển khai trong IDEA StatiCa:
- IDEA StatiCa, với lưới mặc định của chương trình (phiên bản 23.1) và MNA (phân tích phi tuyến vật liệu), cung cấp khả năng chịu lực lớn hơn so với kết quả thu được từ Abaqus. Trung bình lớn hơn 6% đối với cột cán nóng với mối hàn đối đầu, và khoảng 11% đối với cột hàn với mối hàn đối đầu hoặc hàn góc. Đối với cột cán nóng với mối hàn góc, kết quả trung bình giống với kết quả của Abaqus. Độ lệch cực đại quan sát được cho một trường hợp riêng lẻ là 22% (cột cán nóng với mối hàn đối đầu) và 53% (cột hàn với mối hàn đối đầu).
Nhận xét của IDEA StatiCa: Tình huống này được khắc phục bằng hai thay đổi được triển khai trong phiên bản 25.0:
- Phân tích phi tuyến hình học
- Vùng phân bố mối hàn – giảm đối với mối hàn đối đầu, tức là khả năng chịu lực của cột hàn đối đầu bị giảm - IDEA StatiCa với lưới tinh chỉnh (giảm một nửa kích thước lưới mặc định) và GMNA (phân tích phi tuyến hình học và vật liệu) cung cấp khả năng chịu lực phù hợp tốt (trong phạm vi ±5% trung bình) với kết quả Abaqus. Độ lệch cực đại quan sát được cho một trường hợp riêng lẻ là 15% (cột cán nóng với mối hàn đối đầu), 5% (cột cán nóng với mối hàn góc), 27% (cột hàn với mối hàn đối đầu) và 14% (cột hàn với mối hàn góc).
Nhận xét của IDEA StatiCa: Việc giảm một nửa lưới không còn cần thiết với các thay đổi được đề cập trong điểm trước. - Ảnh hưởng của khuyết tật ban đầu đã được nghiên cứu cho các liên kết nội một phía và được nhận thấy là không đáng kể.
Nhận xét của IDEA StatiCa: Điều này có nghĩa là GMNA là đủ và GMNIA không cần thiết cho phạm vi liên kết được nghiên cứu. - Phân tích phi tuyến vật liệu thuần túy không có hiệu ứng bậc 2nd dẫn đến kết quả không an toàn trong trường hợp có lực dọc trục trên cột. Do đó, khuyến nghị rằng phân tích phi tuyến hình học được kích hoạt theo mặc định trong chương trình.
Nhận xét của IDEA StatiCa: Trong phiên bản 25.0, Phân tích phi tuyến hình học được cung cấp cho mọi liên kết. Trong bản vá sắp tới, một cảnh báo sẽ được cung cấp. - Kích thước lưới đóng vai trò thiết yếu trong độ chính xác của kết quả. Một cách tiếp cận tiềm năng để ước tính giá trị hội tụ có thể dựa trên quy trình tự động giảm một nửa kích thước lưới và áp dụng ngoại suy Richardson cho khả năng chịu mô men thu được với cả hai giá trị.
Nhận xét của IDEA StatiCa: Ngoại suy Richardson có thể thực hiện được khi xác định khả năng chịu tải. Tuy nhiên, không thể thực hiện được đối với các kiểm tra đạt/không đạt. Với các thay đổi đã đề cập trước đó trong phiên bản 25.0, lưới mặc định đã cung cấp kết quả đủ chính xác. - Mô hình vật liệu được IDEA StatiCa triển khai (với độ dốc tăng bền biến dạng E/1000) dẫn đến mức tăng trung bình 3% về khả năng chịu mô men khi so sánh với kết quả thu được với vật liệu đàn hồi hoàn toàn dẻo.
Đọc báo cáo đầy đủ trong phần đính kèm.