มีการตรวจสอบรอยเชื่อมที่โหลดไม่สม่ำเสมอ

หากต้องการดูตัวเลขและตารางที่เกี่ยวข้องกับบทความนี้ โปรดดูฟลิปบุ๊คด้านบน

Duane Miller ผู้เชี่ยวชาญด้านการเชื่อมได้เขียนบทความที่ยอดเยี่ยมสำหรับนิตยสาร STRUCTURE ฉบับเดือนกุมภาพันธ์และมีนาคม 2024 บทความอธิบายเงื่อนไข 10 ประการที่รอยเชื่อมสามารถรับน้ำหนักไม่สม่ำเสมอ เงื่อนไขเหล่านี้อาจเป็นปัญหาได้หากไม่หลีกเลี่ยงหรือให้ความสนใจเป็นพิเศษในการออกแบบ ข้อสันนิษฐานทั่วไปที่ว่าแรงที่กระทำทำให้เกิดความเค้นสม่ำเสมอในแนวเชื่อมใช้ไม่ได้กับสภาวะเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม จะเกิดอะไรขึ้นหากคุณใช้แนวทางการออกแบบที่ไม่เคยมีข้อสันนิษฐานดังกล่าวมาก่อน การออกแบบการเชื่อมต่อโดยการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่น เช่น การใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ตามส่วนประกอบ (CBFEM) เช่น นำไปใช้ในการเชื่อมต่อ IDEA StatiCa ไม่ได้ตั้งสมมติฐานอย่างกว้างๆ เกี่ยวกับการกระจายของความเค้นในรอยเชื่อมหรือส่วนประกอบอื่นๆ ความเครียดเกิดขึ้นตามธรรมชาติในการวิเคราะห์โดยอิงจากความแข็งของส่วนประกอบต่างๆ ของการเชื่อมต่อ บทความนี้จะอธิบายเงื่อนไขทั้ง 10 ประการของ Miller เพื่อระบุสิ่งที่พวกเขาต้องการเป็นพิเศษเมื่อออกแบบโดยการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่น

เงื่อนไขที่พบบ่อยที่สุด 10 ประการเกี่ยวกับการเชื่อมที่มีการโหลดไม่สม่ำเสมอ

ในซีรีส์สองตอนเกี่ยวกับโครงสร้างปี 2024 ของเขาเกี่ยวกับรอยเชื่อมที่มีการโหลดไม่สม่ำเสมอ (ฉบับเดือนกุมภาพันธ์และมีนาคม) ผู้เขียน Duane Miller ได้สรุปเงื่อนไขทั่วไปที่พบต่อไปนี้

เงื่อนไข 1: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการดัดงอเกี่ยวกับรากของเนื้อหรือรอยเชื่อม PJP Groove

เงื่อนไข 2: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากมีการเชื่อมตามขวางเดี่ยวในข้อต่อตักที่ปลายโหลด

เงื่อนไข 3: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากมีระยะห่างสั้นระหว่างรอยเชื่อมตามขวางในการเชื่อมต่อแบบโหลดปลาย

เงื่อนไขที่ 4: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจาก Shear Lag

เงื่อนไข 5: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากมีการเชื่อมยาวในการเชื่อมต่อแบบ End-Loaded

เงื่อนไขที่ 6: โหลดไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากกลุ่มการเชื่อมมีการโหลดไม่สม่ำเสมอ

เงื่อนไข 7: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการเชื่อมแนบชิ้นส่วนที่แข็งเข้ากับชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่น

เงื่อนไข 8: โหลดไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากการเชื่อมตามขวางรวมกับการเชื่อมตามยาว

เงื่อนไขที่ 9: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการเชื่อมเป็นส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อแบบท่อ

เงื่อนไข 10: โหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากมีการเชื่อมรวมกับสลักเกลียวหรือหมุดย้ำ

เงื่อนไขแรกคือการโหลดไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการดัดงอบริเวณโคนของเนื้อหรือรอยเชื่อมร่อง PJP เงื่อนไขที่สองคือการเชื่อมตามขวางเดี่ยวในข้อต่อตักที่รับน้ำหนักด้านปลาย ซึ่งมีโอกาสที่จะรับน้ำหนักไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการโก่งตัวรอบราก หากการโก่งตัวของชิ้นส่วนที่ถูกขัดถูไม่ได้รับการจำกัดอย่างเพียงพอ การสร้างแบบจำลองของรอยเชื่อมจะแตกต่างกันไปในวิธีการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่น แต่ใน CBFEM รอยเชื่อมฟิลเลและรอยเชื่อมร่อง PJP จะได้รับการสร้างแบบจำลองโดยใช้ข้อจำกัดแบบหลายจุดและองค์ประกอบเปลือกรอยเชื่อมที่เทียบเท่ากัน ซึ่งจะประมาณพฤติกรรมอีลาสโตพลาสติกของรอยเชื่อม ลักษณะสำคัญของแนวทางการสร้างแบบจำลองนี้คือ ส่งผลให้มีความแข็งในการดัดงอเป็นศูนย์บริเวณรากของรอยเชื่อม เป็นผลให้ไม่สามารถพัฒนาความเค้นดัดงอได้ และสำหรับรายละเอียดที่แสดงในบทความของ Miller การวิเคราะห์จะไม่ทำงานเนื่องจากการขาดความแข็งในการดัดงอทำให้แบบจำลองไม่เสถียร อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี การเชื่อมต่ออาจไม่ได้ขึ้นอยู่กับความแข็งในการดัดงอของรอยเชื่อมเพื่อให้มีความเสถียร และอาจเกิดการเสียรูปจากการดัดงอบริเวณรากของรอยเชื่อมได้ ควรหลีกเลี่ยงการเสียรูปจากการโค้งงอโดยการตรวจสอบรูปร่างที่โก่งตัวจากแบบจำลองการวิเคราะห์และรายละเอียดการเชื่อมต่อที่เหมาะสม

ในเงื่อนไขที่สาม การโหลดที่ไม่สม่ำเสมอเกิดจากการเว้นวรรคสั้นระหว่างรอยเชื่อมตามขวางในการเชื่อมต่อแบบโหลดปลาย เมื่อใช้ CBFEM ระยะห่างจะส่งผลต่อความแข็งแรงของรอยเชื่อมน้อยที่สุด พิจารณาการเชื่อมต่อที่แสดงในรูปที่ 1 หากไม่มีความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิต เงื่อนไขขอบเขตและความเยื้องศูนย์จะส่งผลให้เกิดการโค้งงออย่างมากในแผ่น การดัดงอจะลดลงด้วยความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตเนื่องจากผลกระทบของเมมเบรน แต่ระยะห่างที่สั้นจะไม่ส่งผลต่อรอยเชื่อม สำหรับระยะห่างที่สั้นมาก (เช่น การเหลื่อมกัน 1/2 นิ้ว) แผ่นจะออกและจำกัดความแข็งแรง แต่การประเมินรอยเชื่อมจะไม่ได้รับผลกระทบอีกครั้ง การประเมินความแข็งแกร่งโดยการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่นไม่จำเป็นต้องตรวจสอบสถานะขีดจำกัดบางอย่างที่แบบจำลองบันทึกไว้ แต่ก็ไม่ได้ขจัดความจำเป็นในการตอบสนองข้อกำหนดในรายละเอียด เช่น ข้อกำหนดในข้อกำหนดเฉพาะของ AISC ส่วน J2.2b(f) ซึ่งกำหนดระยะการทับซ้อนกันขั้นต่ำ

Shear lag เป็นปัญหาในเงื่อนไขที่สี่ แม้ว่า shear lag จะมีอยู่ในการเชื่อมต่อ เช่น ข้อต่อตักที่โหลดปลายที่แสดงในรูปที่ 2 ไม่ว่า shear lag จะส่งผลต่อความแข็งแรงของการเชื่อมต่อหรือไม่นั้นยังไม่ชัดเจน การวิเคราะห์ CBFEM ตรวจไม่พบการลดลงของกำลังเชื่อมเนื่องจากแรงเฉือนสำหรับการเชื่อมต่อนี้ แต่ไม่มีการทดลองทางกายภาพชุดล่าสุดที่ดำเนินการโดยผู้เขียน อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับเงื่อนไขที่สาม ข้อกำหนดรายละเอียด American Welding Society (AWS) จะต้องได้รับการตอบสนอง แม้ว่าจะประเมินความแข็งแกร่งโดยใช้การวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่นก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AWS D1.1 ข้อ 4.9.2 ระบุว่าความยาวของการเชื่อมฟิลเล็ตแต่ละอันจะต้องไม่น้อยกว่าระยะห่างในแนวตั้งฉากระหว่างกัน หากใช้การเชื่อมฟิลเล็ตตามยาวเพียงอย่างเดียวในข้อต่อตักของการเชื่อมต่อปลายของแท่งแบนหรือส่วนประกอบเพลท

การเชื่อมที่ยาวในการเชื่อมต่อแบบ end-loaded จะทำให้มีการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากความเข้ากันได้ของความเครียดระหว่างชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ ความเค้นบริเวณปลายรอยเชื่อมจะมากกว่าบริเวณตรงกลาง โดยความแตกต่างขึ้นอยู่กับความแข็งสัมพัทธ์ระหว่างรอยเชื่อมและส่วนที่เชื่อมต่อกัน ในการออกแบบแบบดั้งเดิม เงื่อนไขที่ห้าของการเชื่อมที่มีการโหลดไม่สม่ำเสมอได้รับการแก้ไขโดยใช้ความยาวที่มีประสิทธิภาพที่ลดลงสำหรับการเชื่อมที่ยาว ในการออกแบบโดยการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่น ความแข็งของรอยเชื่อมและชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อจะถูกจำลองอย่างชัดเจน และบังคับใช้ความเข้ากันได้ของความเครียด ดังนั้น ผลลัพธ์จึงจับผลกระทบของการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอได้แม่นยำกว่าสมการโดยประมาณ การเปรียบเทียบระหว่างผลลัพธ์จากการวิเคราะห์ CBFEM และการออกแบบแบบดั้งเดิมแสดงในรูปที่ 3 จากการศึกษาขนาดใหญ่

เงื่อนไขที่หกคือเมื่อกลุ่มการเชื่อมมีโหลดไม่สม่ำเสมอหรือผิดปกติ ในการออกแบบแบบดั้งเดิม เงื่อนไขนี้มักได้รับการแก้ไขโดยใช้วิธีจุดศูนย์กลางการหมุนทันทีผ่านตารางในส่วนที่ 8 ของคู่มือ AISC วิธีการจุดศูนย์กลางการหมุนทันทีนั้นเองเป็นวิธีการวิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้นที่ทำให้มั่นใจว่ามีความสมดุลและความเข้ากันได้ของความเครียด ขณะเดียวกันก็รวมเอาผลประโยชน์ของปัจจัยเพิ่มความแข็งแกร่งของทิศทางด้วย การเปรียบเทียบระหว่างวิธีการจุดศูนย์กลางการหมุนทันทีกับ CBFEM สำหรับการเชื่อมต่อแผ่นยึดได้แสดงให้เห็นว่า CBFEM จับการโหลดที่ไม่สม่ำเสมออย่างระมัดระวัง

เงื่อนไขที่ 7 ถึง 10 นำเสนอเส้นทางโหลดที่เป็นไปได้หลายเส้นทาง โดยมีการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอเกิดขึ้นเนื่องจากบางเส้นทางมีความแข็งหรือแข็งแกร่งกว่าเส้นทางอื่นๆ การออกแบบโดยการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่นมีความเหมาะสมอย่างยิ่งในการประเมินสภาวะเหล่านี้อย่างเหมาะสม เนื่องจากมีการสร้างแบบจำลองความแข็งของส่วนประกอบทั้งหมดไว้อย่างชัดเจน และมีการบังคับใช้ความเข้ากันได้ของความเครียดและความสมดุล

การเชื่อมชิ้นส่วนแข็งกับชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่นเป็นเงื่อนไขที่เจ็ด แผ่นที่อยู่ใต้ความตึงซึ่งเชื่อมข้ามหน้าแปลนของส่วนรูปตัว I ดังแสดงในรูปที่ 4 เป็นตัวอย่างคลาสสิกของเงื่อนไขที่ 7 การเชื่อมระหว่างแผ่นกับหน้าแปลนมีการโหลดไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากส่วนที่มากกว่าของโหลดจะถูกดึงดูดไปยังเส้นทางที่แข็งกว่าโดยตรงผ่านหน้าแปลนและเข้าสู่ราง เมื่อสร้างแบบจำลองโดยใช้ CBFEM ความเค้นในการเชื่อมจะสูงที่สุดที่แผ่นของชิ้นส่วนรูปตัว I รอยเชื่อมเหล่านี้จะใช้งานได้เต็มประสิทธิภาพก่อน เป็นการส่งสัญญาณว่าการเชื่อมต่อถึงจุดแข็งแล้ว แม้ว่าส่วนของรอยเชื่อมใกล้กับปลายหน้าแปลนจะไม่เต็มประสิทธิภาพก็ตาม เงื่อนไขที่เก้า การเชื่อมที่เป็นส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อแบบท่อ เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของการเชื่อมชิ้นส่วนแข็งเข้ากับชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่น ขอย้ำอีกครั้งว่า CBFEM สามารถรับน้ำหนักที่ไม่สม่ำเสมอและคำนวณการใช้งานของรอยเชื่อมได้อย่างเหมาะสม

ในเงื่อนไขที่แปด การเชื่อมตามขวางจะรวมกับการเชื่อมตามแนวยาวและการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอเกิดขึ้นเนื่องจากการเชื่อมต่อแบบเชื่อมกับแนวเชื่อมตามขวางมีความแข็งแรงกว่าแต่มีความเหนียวน้อยกว่าการเชื่อมต่อที่คล้ายกันซึ่งทำด้วยแนวเชื่อมตามยาว ข้อมูลจำเพาะของ AISC ให้สมการ J2-6 สำหรับกลุ่มการเชื่อมที่มีการโหลดแบบศูนย์กลางเช่นนี้ แม้ว่าจะไม่มีการนำสมการนี้ไปใช้ CBFEM ก็ยังจับผลกระทบได้ดี เนื่องจากมีการสร้างแบบจำลองและรวมพฤติกรรมพื้นฐานไว้ในการตรวจสอบความแข็งแกร่ง (รูปที่ 5)

สภาวะที่สิบและสุดท้ายของการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอเกิดขึ้นเมื่อการเชื่อมรวมกับสลักเกลียวหรือหมุดย้ำ ข้อกำหนด AISC ส่วน J1.8 อนุญาตให้พิจารณาโบลต์และรอยเชื่อมเป็นภาระร่วมเฉพาะในการออกแบบการเชื่อมต่อแบบเฉือนบนพื้นผิวทั่วไปที่พิจารณาความเข้ากันได้ของความเครียดระหว่างโบลต์และรอยเชื่อม การตรวจสอบความแข็งแรงของโบลต์และรอยเชื่อมมีความเป็นอิสระใน CBFEM โดยไม่มีการจัดการเป็นพิเศษเมื่อโบลต์และรอยเชื่อมรับน้ำหนักร่วมกัน เมื่อพิจารณาถึงการสร้างแบบจำลองความแข็งของโบลต์ รอยเชื่อม ส่วนประกอบ และส่วนเชื่อมต่อที่ชัดเจน CBFEM จะพิจารณาความเข้ากันได้ของความเครียดเสมอ เมื่อโบลท์และรอยเชื่อมรับน้ำหนักร่วมกัน ความแข็งแรงที่ต้องการของแต่ละอันจะขึ้นอยู่กับความแข็งสัมพัทธ์ของพวกมัน ผลลัพธ์ที่ได้คือจุดแข็งโดยรวมที่ใกล้เคียงกับจุดแข็งที่ได้รับโดยใช้วิธีการโดยประมาณซึ่งแสดงไว้ในข้อกำหนด AISC ส่วนที่ J1.8 อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไป CBFEM ไม่ได้ห้ามการแบ่งปันน้ำหนักระหว่างสลักเกลียวและรอยเชื่อมในการเชื่อมต่อแรงดึง ผู้ใช้จะต้องหลีกเลี่ยงกรณีเช่นนี้โดยการสร้างแบบจำลองสลักเกลียวหรือรอยเชื่อมในการเชื่อมต่อแรงดึง แม้ว่าทั้งสองอย่างจะมีอยู่ในการเชื่อมต่อทางกายภาพก็ตาม

รอยเชื่อมที่มีการโหลดไม่สม่ำเสมอ เช่น ที่ได้รับการประเมินในบทความต้นฉบับของ Miller และที่กลับมาเยี่ยมชมที่นี่สมควรได้รับความสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากรอยเชื่อมเหล่านี้มีประสิทธิภาพน้อยกว่าการเชื่อมที่มีการโหลดเท่ากัน และเนื่องจากฝ่าฝืนสมมติฐานทั่วไปในแนวทางการออกแบบแบบดั้งเดิม การออกแบบโดยการวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่นช่วยให้แนวเชื่อมเหล่านี้ก้าวไปข้างหน้าได้ เนื่องจากแบบจำลองการวิเคราะห์ที่กำหนดไว้อย่างดีไม่เคยถือว่าแนวเชื่อมมีการโหลดเท่ากัน นอกจากนี้ การวิเคราะห์แบบไม่ยืดหยุ่นยังสามารถใช้เพื่อระบุว่าจำเป็นต้องมีการดำเนินการเพื่อลดผลกระทบของการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอหรือไม่ และช่วยกำหนดกลยุทธ์การบรรเทาที่ดีที่สุดหากจำเป็น ■

เกี่ยวกับผู้เขียน

Mark Denavit เป็นรองศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมที่มหาวิทยาลัยเทนเนสซี เมืองนอกซ์วิลล์

อ้างอิง

https://www.ideastatica.com/support-center/long-bolted-and-welded-connections-aisc

https://www.ideastatica.com/support-center/bracket-plate-connections-aisc