Tính dẻo trong mối hàn trong IDEA StatiCa

Các câu hỏi như:

• Phân phối dẻo trong mối hàn có được phép và có phù hợp với tiêu chuẩn không?
• Cách mô hình hóa mối hàn trong IDEA có dẫn đến khả năng chịu lực quá cao không?
• IDEA xử lý như thế nào với các yêu cầu của Điều 4.9 trong EN 1993-1-8 quy định rằng không nên dựa vào tính dẻo của mối hàn?
• IDEA xử lý như thế nào với yêu cầu rằng mối hàn phải đủ bền để không bị phá hoại trước khi vật liệu cơ bản lân cận đạt đến trạng thái chảy dẻo tổng thể?

Trong bài viết này, chúng tôi cung cấp câu trả lời cho các câu hỏi trên.

Ứng xử thực tế của mối hàn

Trước tiên, sẽ hữu ích khi xem xét ứng xử thực tế của một mối hàn. Tuy nhiên, phân phối ứng suất thực tế hoặc phân phối biến dạng trong mối hàn góc dưới các tổ hợp tải trọng khác nhau rất khó xác định chính xác. Hơn nữa, không thể nói rằng các tính chất vật liệu trong vật liệu cơ bản gần mối hàn và trong bản thân mối hàn là đồng nhất. Do đó, để hiểu rõ hơn về ứng xử phá hoại của mối hàn, một số lượng lớn các thí nghiệm đã được thực hiện trên toàn thế giới.

Xét ví dụ về liên kết chồng sau đây được tải theo phương dọc. Tương tự như các liên kết bu lông chịu tải theo phương dọc, phân phối ứng suất sẽ không đồng đều. Tuy nhiên, về mặt định tính, người ta có thể chỉ ra phân phối ứng suất sẽ như thế nào. Ứng suất cao nhất xuất hiện ở các đầu

Hình 1 - Phân phối không đồng đều của ứng suất cắt trong liên kết chồng

Khi tiếp tục tăng tải trọng, mối hàn cho thấy có khả năng biến dạng, và có thể xảy ra chảy dẻo cục bộ (Hình 2).

Hình 2 - Phân phối ứng suất không đồng đều của ứng suất cắt với chảy dẻo cục bộ trong liên kết chồng

Phương pháp Eurocode

Các cấu hình mối hàn và tổ hợp tải trọng khác nhau có thể dẫn đến các phân phối ứng suất khác nhau. Một phương pháp bán thực nghiệm đã được chọn làm cơ sở cho các quy tắc tính toán thiết kế theo Eurocode. Thay vì kiểm tra cơ chế phá hoại ở quy mô vi mô, các mối hàn được kiểm tra tổng thể ở quy mô vĩ mô. Một mô hình phá hoại đơn giản hóa được giả định, dựa trên tính dẻo. Bằng cách tính ngược lại từ kết quả thí nghiệm, một tiêu chí phá hoại (công thức mối hàn) đã được xác định.

EN 1993-1-8 Điều 4.5.3 mô tả hai phương pháp xác định khả năng chịu lực thiết kế của mối hàn góc: phương pháp Hướng và phương pháp Đơn giản hóa. Phương pháp Đơn giản hóa là phương pháp rút gọn của phương pháp Hướng. Trong phương pháp Hướng, các lực truyền qua một đơn vị chiều dài mối hàn được phân tích thành các thành phần song song và vuông góc với trục dọc của mối hàn, và thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến với mặt phẳng cổ mối hàn. Giá trị thiết kế của khả năng chịu lực của mối hàn được coi là đủ nếu cả hai phương trình sau đều được thỏa mãn:

Trong đó:

 
Trong tính toán mối hàn của kết cấu chịu tải tĩnh, được phép giả định phân phối ứng suất đồng đều theo chiều dày và dọc theo chiều dài mối hàn. Tuy nhiên, ở đây cũng ngầm giả định rằng có thể xảy ra biến dạng dẻo để cho phép phân phối lại ứng suất. Khả năng biến dạng cần thiết tăng lên khi chiều dài mối hàn tăng. Tuy nhiên, biến dạng giới hạn vẫn được coi là có hạn, do đó trong một số tình huống nhất định cần phải tính đến chiều rộng hiệu quả b_eff, ví dụ trong một liên kết mà bản thép ngang (hoặc cánh dầm) được hàn vào cánh không có sườn tăng cứng của tiết diện chữ I (Hình 3).

Hình 3 - Chiều rộng hiệu quả của liên kết chữ T không có sườn tăng cứng

Phương pháp CBFEM

Ngược lại, trong phương pháp CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) được sử dụng trong IDEA StatiCa, một mối hàn bao gồm nhiều phần tử nhỏ hơn đặt cạnh nhau. Chiều dày mối hàn, vị trí và hướng của mối hàn được tính đến. Ứng suất và biến dạng trong mỗi phần tử có thể khác nhau. Do đó, trong mô hình, phân phối ứng suất không đồng đều phát triển một cách tự nhiên, thực tế hơn so với phân phối ứng suất đồng đều lý tưởng hóa theo các tiêu chuẩn (Hình 4).

Hình 4 - Ứng suất trong bản thép và mối hàn trong liên kết dầm-cột hàn trong IDEA

Tuy nhiên, mục tiêu của mô hình vật liệu được áp dụng trong IDEA vẫn không phải là mô phỏng thực tế một cách hoàn hảo. Ứng suất dư hoặc co ngót mối hàn được bỏ qua. Mô hình vật liệu với giá trị biến dạng dẻo giới hạn được chọn sao cho tổng khả năng chịu lực của mối hàn trong mô hình IDEA phù hợp tốt với khả năng chịu lực theo các tiêu chuẩn. Để đạt được điều này, IDEA StatiCa đã thực hiện nhiều kiểm chứng. Trong cuốn sách CBFEM (được viết bởi GS. Frantisek Wald và cộng sự tại Đại học Kỹ thuật Czech ở Prague) và trong các nghiên cứu tiếp theo, đã có nhiều so sánh giữa các loại mối hàn khác nhau được tính toán trong IDEA và tính toán theo tiêu chuẩn hoặc mối hàn được thử nghiệm trong thí nghiệm (xem Hình 5). Trên trang web của chúng tôi có thể tìm thấy nhiều tài liệu kiểm chứng về chủ đề này - kiểm chứng tại trung tâm hỗ trợ

Hình 5 - Biểu đồ ứng suất cắt - biến dạng từ thí nghiệm của Kleiner (2018) so sánh với CBFEM

Điều này cho thấy giới hạn biến dạng được sử dụng dẫn đến tổng khả năng chịu lực an toàn của mối hàn, đồng thời phù hợp tốt với khả năng chịu lực được tính toán theo các tiêu chuẩn liên quan. Đây là lý do tại sao việc phân phối lại dẻo trong mối hàn trong mô hình IDEA được coi là chấp nhận được. Nếu không có tính dẻo trong mối hàn, sẽ không bao giờ có thể đạt gần đến khả năng chịu lực được tính toán thủ công theo các tiêu chuẩn.

Các yêu cầu bổ sung từ EN 1993-1-8 điều 4.9

EN 1993-1-8 tại Điều 4.9(4)-(6) quy định thêm các yêu cầu bổ sung cho mối hàn trong các liên kết. Ý tưởng đằng sau các quy tắc này là ngăn chặn liên kết bị phá hoại mà không có đủ cảnh báo. Ngay cả khi có thể chứng minh rằng biến dạng dẻo có thể xảy ra trong mối hàn, và mối hàn về nguyên tắc đủ bền để chịu các lực phát sinh được xác định trong tính toán tổng thể (tĩnh), vẫn có thể xảy ra trường hợp các lực phát sinh lớn hơn dự kiến và có thể dẫn đến phá hoại toàn bộ liên kết mà không có đủ cảnh báo. Điều này là do tổng độ giãn dài trong mối hàn vẫn có thể nhỏ theo nghĩa tuyệt đối. Hiệu ứng cảnh báo đủ có thể đạt được bằng cách thiết kế liên kết sao cho bản thép được liên kết có thể chảy dẻo trước khi mối hàn bị phá hoại. Điều này có thể đạt được bằng cách áp dụng tỷ lệ chiều dày mối hàn tối thiểu so với chiều dày bản thép. Do đó, IDEA StatiCa bao gồm các kiểm tra cấu tạo để xác minh liệu mối hàn trong mô hình có chiều dày mối hàn đủ cho một chiều dày bản thép nhất định hay không.

Quy tắc cụ thể mà IDEA đã triển khai dựa trên Điều 6.9(4) của phiên bản dự thảo của Eurocode mới sắp ban hành (FprEN 1993-1-8:2023(E)) quy định rằng để đảm bảo tính dẻo đủ, mối hàn phải được thiết kế sao cho khả năng chịu lực của nó ít nhất bằng:

• 1,1 f_y/f_u nhân với khả năng chịu lực thiết kế của bản thép được liên kết yếu nhất
• nhưng không cần lớn hơn khả năng chịu lực thiết kế của bản thép được liên kết yếu nhất

Giả sử ví dụ liên kết chữ T tiêu chuẩn sau đây (Hình 6):

Hình 6 - Liên kết chữ T với lực pháp tuyến tác dụng lên bản thép được liên kết bằng lực chảy dẻo của bản thép

trong đó độ lớn của F_s,d được chọn sao cho F_s,d = f_y,plate ∙ t ∙ l, Điều này dẫn đến việc suy ra công thức sau được sử dụng cho kiểm tra cấu tạo trong IDEA đối với mối hàn góc hai phía:

Trong đó:

 
Đối với các mác thép tiêu chuẩn sau đây, điều này dẫn đến các tỷ lệ chiều dày mối hàn tối thiểu – chiều dày bản thép tối thiểu sau đây (Bảng 1).

Bảng 1 - Chiều dày mối hàn tối thiểu để đảm bảo tính dẻo

 
Đối với mối hàn góc một phía, giá trị suy ra phải được nhân với 2. Người dùng IDEA sẽ nhận được cảnh báo khi chiều dày mối hàn được áp dụng không thỏa mãn giá trị tối thiểu (Hình 7). Người dùng cũng sẽ nhận được thông báo lỗi khi mối hàn được áp dụng với chiều dày cổ nhỏ hơn 3,0 mm, điều này không được phép theo EN 1993-1-8 Điều 4.5.2(2).

Hình 7 - Cảnh báo khi áp dụng chiều dày mối hàn quá nhỏ trong IDEA

 
Tuy nhiên, có thể có những tình huống mà người ta có thể lập luận rằng không cần thiết phải thỏa mãn yêu cầu chiều dày mối hàn tối thiểu vì mục đích tính dẻo. Ví dụ, mối hàn của liên kết bản mã chân cột chủ yếu truyền lực nén. Hoặc nếu có thể chứng minh rằng tồn tại một bộ phận khác trong kết cấu tổng thể sẽ bị phá hoại với đủ cảnh báo. Phần mềm luôn phải được coi là một công cụ, và kỹ sư có trách nhiệm sử dụng phán đoán kỹ thuật của mình để đưa ra quyết định sáng suốt về thiết kế cuối cùng.