Các nhóm bao gồm các kỹ sư kết cấu từ các công ty tư vấn kỹ thuật và nhà chế tạo kết cấu thép, mỗi nhóm được hướng dẫn bởi một chuyên gia thiết kế liên kết giàu kinh nghiệm. Sau khi các nhóm trình bày thiết kế của mình, chúng tôi từ IDEA StatiCa đã có cơ hội mô hình hóa các liên kết bằng Connection application. Nhờ đó, chúng tôi có thể phân tích kết quả ngay lập tức và cùng nhau thảo luận.
Chúng tôi giải thích chi tiết hơn về các thiết kế và kết quả bên dưới. Bài viết được chia thành hai phần, mỗi phần tương ứng với một bài toán thiết kế liên kết thép.
1 - Thiết kế liên kết cột-dầm phức tạp với dầm biên
Trong bài toán thiết kế đầu tiên, chúng tôi tập trung vào một nút liên kết kết nối bốn cấu kiện. Nội lực và tiết diện khiến đây trở thành một bài toán thiết kế đầy thách thức, thể hiện qua sự đa dạng của các giải pháp: mỗi trong sáu nhóm đã chọn một cách tiếp cận khác nhau. Đây chính xác là điều làm cho nghề này trở nên hấp dẫn: không bao giờ chỉ có một giải pháp đúng duy nhất.
Thách thức lớn nhất nảy sinh với liên kết của các dầm biên. Hai tiết diện hộp chữ nhật rỗng (180/180/6) phải được kết nối với cột (HEA160) hoặc dầm chính (IPE400). Kết hợp với tải trọng áp đặt, điều này tạo ra một tình huống thiết kế khó khăn.
Dưới đây là tổng quan về các liên kết, bản phác thảo và mô hình được thực hiện trong phần mềm liên kết thép IDEA StatiCa. Sau đó chúng tôi thảo luận từng liên kết và nêu bật những nhận xét quan trọng từ các cuộc thảo luận và kết quả.
Nhóm A
Nhóm A chọn cách kéo dài cột và kết nối dầm chính (IPE400) bằng bản mã đầu dầm. Thách thức chủ yếu nằm ở việc kết nối các dầm biên RHS với cột HEA160. Để thực hiện điều này, một liên kết bản mã nút với hai bu-lông M36 đã được đề xuất. Tuy nhiên, khi mô hình hóa trong IDEA StatiCa, nhanh chóng nhận thấy rằng không có đủ không gian cho kích thước bu-lông này. Như các chuyên gia trong hội thảo đã nhấn mạnh, việc vẽ theo tỷ lệ là điều cần thiết để hiểu được khả năng chế tạo của một liên kết.
Thay vì liên kết hàn trực tiếp, nhóm đã chọn cách kéo dài bản thép qua một rãnh cắt trong bụng cột để truyền lực tốt hơn và giảm ứng suất trong bụng cột.
Khi tính toán liên kết trong IDEA StatiCa, biến dạng dẻo lớn xuất hiện tại liên kết của các dầm biên. Do lực nén dọc trục lớn 400 kN trong các dầm biên và độ lệch tâm trong bản mã nút, một mô men uốn xuất hiện tại liên kết. Khi sử dụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn như IDEA StatiCa, điều này nhanh chóng trở nên rõ ràng thông qua các biến dạng xảy ra.
Bằng cách tăng chiều dày bản thép, liên kết có thể đáp ứng các yêu cầu. Với bản thép liên tục dày 35 mm và 2x bu-lông M33 8.8, đạt được độ bền và độ cứng đủ yêu cầu.
Mặc dù giải pháp là thỏa đáng, việc tránh độ lệch tâm đáng được xem xét và có thể hiệu quả hơn về mặt kết cấu.
Nhóm B
Nhóm B có liên kết tương tự, nhưng ở đây dầm chính được kéo dài. Việc chọn liên kết đối xứng cho các dầm tiết diện hộp vuông (SHS) giúp tránh được mô men uốn bổ sung. Với chiều dày bản thép được quy định, biến dạng dẻo vừa dưới giới hạn 5%.
Bằng cách tăng chiều dày bản thép và cung cấp đường hàn đủ yêu cầu, tổ hợp lực nén dọc trục và lực cắt ngang có thể được chịu, giữ biến dạng dẻo dưới 5%.
Chỉ có các bu-lông vẫn chưa thỏa mãn khi sử dụng 4x M24 8.8. Tuy nhiên, đơn giản là tăng cường bu-lông không giải quyết được vấn đề vì kiểm tra tiêu chuẩn bị giới hạn bởi khả năng chịu ép mặt. Một giải pháp thay thế là tăng mác thép của các bản thép liên kết lên S355. Điều này cho phép đạt được kết quả tối ưu chỉ với mức tăng tối thiểu về chiều dày bản thép và kích thước bu-lông.
Nhóm C
Nhóm C có liên kết tương tự, nhưng khác với nhóm A và B, nó phù hợp hơn cho tải trọng ngang vì bản mã nút được xoay một phần tư vòng. Chúng ta lại gặp phải độ lệch tâm và gặp các vấn đề tương tự như ở Nhóm A. Việc sử dụng bốn bu-lông thay vì hai làm cho nút liên kết cứng hơn, nhưng chúng ta vẫn thấy biến dạng dẻo và biến dạng lớn. Hàn bản mã nút vào sườn tăng cứng và tăng chiều dày bản thép giúp làm cho nút liên kết cứng hơn, nhưng độ lệch tâm sẽ luôn tồn tại.
Bằng cách tăng chiều dày bản thép từ 15 mm lên 30 mm, nút liên kết có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế với 4x bu-lông M24 8.8.
Loại nút liên kết này hoạt động an toàn nhất khi không có độ lệch tâm. Nếu độ lệch tâm không thể tránh khỏi vì lý do thực tế, liên kết sẽ đặc biệt phù hợp để truyền lực ngang theo một phương, theo phương mà liên kết cứng nhất. Tổ hợp của độ lệch tâm với lực nén pháp tuyến lớn và lực ngang theo phương yếu của liên kết sẽ khiến cấu kiện bị uốn ra ngoài và có nguy cơ oằn.
Phân tích oằn
Để đánh giá đúng rủi ro này, việc thực hiện thêm phân tích oằn là hợp lý. Với IDEA StatiCa, có thể thực hiện phân tích oằn tuyến tính, cho thấy rằng đối với các bản thép có chiều dày không đủ, có thể xuất hiện dạng oằn giống như oằn tổng thể. Dựa trên hệ số oằn tương ứng, điều này có thể được hiểu là phá hoại do oằn.
Thông tin thêm về vấn đề này và cách IDEA StatiCa thực hiện phân tích oằn tuyến tính có thể được tìm thấy trong bài viết sau Oằn tổng thể so với oằn cục bộ. Điều đó có nghĩa là gì?
Nhóm D
Nhóm D có cách tiếp cận khác và các vấn đề gặp phải ở ba nhóm đầu được tránh trực tiếp bằng cách kéo dài các dầm biên. IPE400 được kết nối với cột liên tục một phần bằng bản mã đầu dầm và với dầm biên bằng một bản góc nhỏ. Kết quả cho thấy liên kết hoạt động tốt về mặt cấu tạo và lực được truyền một cách hiệu quả.
Vì đây là liên kết chịu cắt, nhóm khuyến nghị sử dụng lỗ bu-lông dài trong bản mã liên kết đơn để ngăn lực quá lớn được truyền qua bu-lông trong quá trình dầm xoay. Điều này tránh được ứng suất cao trong bản góc và thành tiết diện hộp chữ nhật rỗng. Cân nhắc thiết kế này cũng ảnh hưởng đến độ cứng xoay của nút liên kết.
Phân tích độ cứng
Để xác định độ cứng chính xác của nút liên kết, có thể thực hiện phân tích độ cứng với IDEA StatiCa. Biểu đồ mô men - góc xoay được tạo ra và dựa trên Eurocode, nút liên kết có thể được phân loại là ngàm cứng hoàn toàn, liên kết bán cứng hoặc khớp.
Khi phân tích liên kết dầm mái cho Nhóm D, IDEA StatiCa cho độ cứng xoay được xem là Liên kết bán cứng. Độ cứng này có thể được biểu diễn trong mô hình kết cấu tổng thể bằng độ cứng lò xo xoay.
Tuy nhiên, nếu yêu cầu một liên kết đơn giản, cấu tạo phải được điều chỉnh để liên kết thực sự được phân loại là Khớp. Như thể hiện trong hình dưới đây, trong tình huống (2) một khớp đã được thực hiện bằng cách hạ thấp hàng bu-lông trên cùng.
Nhóm E
Nhóm E kéo dài dầm mái và đặt nó lên trên cột. Các dầm biên được gắn vào dầm mái bằng bản mã đầu dầm, đảm bảo rằng lực được truyền đúng cách tại nút liên kết.
Để cho phép lắp đặt bu-lông, nhóm đề xuất một lỗ khoét trong thành tiết diện hộp rỗng. Đây là một giải pháp chu đáo, vì tính khả thi trong thi công là mối quan tâm lớn. Vết cắt tạo ra sự phân bố ứng suất khác nhau tại vị trí khuyết, nhưng bằng cách áp dụng lỗ khoét tròn, sự tập trung ứng suất được giữ ở mức hạn chế.
Nhóm F
Như chúng ta đã thấy, liên kết của các dầm biên tạo ra những thách thức trong thiết kế. Nhóm F giải quyết những vấn đề này bằng cách thay thế các dầm biên bằng tiết diện HEA160. Điều này giúp dễ dàng hơn trong việc kết nối các dầm với cột và cung cấp đủ không gian để lắp đặt bu-lông. Liên kết hoạt động tốt dưới tác dụng của lực nén, và các bản mã đầu dầm truyền lực hiệu quả qua cột.
Tuy nhiên, các dầm biên cũng có thể chịu tải trọng kéo 400 kN. Trong tổ hợp tải trọng này, liên kết không thỏa mãn yêu cầu. Bằng cách tăng chiều dày bản mã đầu dầm từ 15 mm lên 20 mm, các yêu cầu về độ bền được đáp ứng và liên kết phù hợp cho cả tải trọng kéo và nén.
Thư viện liên kết
Không chắc cách mô hình hóa một nút liên kết thép cụ thể? Thư viện liên kết trong IDEA StatiCa cung cấp cho bạn quyền truy cập ngay lập tức vào hàng chục ví dụ thực tế, giúp bạn tìm ra giải pháp phù hợp nhanh hơn. Đây là nguồn tài nguyên quý giá mà nhiều kỹ sư kết cấu sử dụng làm nguồn cảm hứng khi thiết kế liên kết thép.
2 - Thiết kế liên kết bản mã chân cột với thanh giằng
Bài toán thiết kế thứ hai liên quan đến liên kết bản mã chân cột. Thanh giằng chéo có thể được làm bằng ba loại tiết diện khác nhau và chịu lực nén 500 kN. Bản thân cột chịu lực nén đáng kể là 2000 kN.
Trọng tâm là liên kết giữa thanh giằng chéo và cột, cũng như thiết kế bản mã chân cột, bao gồm neo và móng. Dựa trên các bản phác thảo và bài trình bày đã nộp, các liên kết được mô hình hóa và phân tích trong IDEA StatiCa. Một lần nữa, thiết kế này cho thấy rằng nhiều giải pháp liên kết là có thể: không có một câu trả lời đúng duy nhất. Dưới đây, chúng tôi trình bày tổng quan về các thiết kế khác nhau, bao gồm kết quả từ IDEA StatiCa. Sau đó chúng tôi thảo luận về các cân nhắc thiết kế chính, đề cập đến các nhóm một cách tổng thể thay vì từng nhóm riêng lẻ.
Liên kết thanh giằng với cột
Đối với liên kết của thanh giằng, ba nhóm (A, C, E) chọn liên kết bản mã đầu dầm với đoạn nhô, và ba nhóm còn lại (B, D, F) chọn liên kết bản mã nút với bu-lông.
Thiết kế liên kết đoạn nhô cung cấp sự truyền lực nén trực tiếp mà không gặp phức tạp trong liên kết. Bằng cách chọn tiết diện HEA, việc lắp đặt bu-lông dễ dàng thực hiện được và bụng của cấu kiện giằng chéo được căn chỉnh với bụng của cột. Kết quả là, ứng suất được truyền tốt vào cột, như thấy trong các giải pháp của nhóm A, C và E (xem hình).
Ngược lại, các nhóm B, D và F chọn liên kết bản mã nút. Điều này xem xét việc xoay cột một phần tư vòng để thanh giằng có thể được kết nối bên trong cột mà không chiếm quá nhiều không gian. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, bản mã nút được kết nối trực tiếp nhưng theo phương ngang với bụng cột, và do lực nén lớn, ứng suất đỉnh có thể xuất hiện trong bụng cột. Các tính toán trong IDEA StatiCa cho thấy thiết kế vừa nằm trong giới hạn chấp nhận được, nhưng kỹ sư kết cấu cần thận trọng. Nếu bụng bắt đầu biến dạng dẻo, nên xoay cột, tăng chiều dày bụng hoặc thêm sườn tăng cứng.
Trong các thiết kế với liên kết bản mã nút, việc làm cho liên kết đối xứng và không để các bản thép nhô ra quá xa là có lợi, vì những lý do tương tự chúng ta đã thảo luận trong bài toán thiết kế đầu tiên. Liên kết B có bố cục không đối xứng, nhưng bản thép dày 20 mm và việc sử dụng sáu bu-lông chịu hiệu quả mô men phát sinh, giữ ứng suất trong giới hạn chấp nhận được.
Thiết kế bản mã chân cột
Cũng có những cân nhắc quan trọng trong thiết kế bản mã chân cột và móng bê tông. Do lực nén lớn, điều quan trọng là ứng suất phải được phân bố đều qua bản mã chân cột vào bê tông. Điều này có thể đạt được bằng cách chọn bản thép dày hơn và làm rộng hơn tiết diện cột để ứng suất được phân bố tốt hơn.
Hình dưới đây so sánh ứng suất trong bản mã chân cột và ứng suất tiếp xúc trong bê tông cho bản mã chân cột dày 40 mm và 10 mm. Nếu bản mã chân cột quá mỏng, ứng suất tập trung xung quanh tiết diện cột thay vì được phân bố hiệu quả. Kết quả là, diện tích tiếp xúc hiệu quả trên bê tông trở nên quá nhỏ, dẫn đến ứng suất nén vượt quá giới hạn cho phép.
Móng cột
Chúng ta thấy các giải pháp móng khác nhau, có hoặc không có lớp vữa, và neo có hoặc không có bản đệm. Các neo được sử dụng có kích thước từ M20 đến M30.
Các tính toán trong IDEA StatiCa cho thấy không có liên kết nào thỏa mãn yêu cầu đối với kiểm tra neo. Theo mặc định, lực cắt được thiết lập để truyền qua các neo. Neo M20 được xác định là không đủ bền và không thể chịu được lực cắt. Ngược lại, neo M30 8.8, kết hợp với bản đệm, đủ bền để truyền lực cắt. Tuy nhiên, kiểm tra tiêu chuẩn vẫn không thỏa mãn, vì vấn đề hiện tại không phải ở thép mà là ở phá hoại do bê tông.
Lực cắt trên các neo gây ra phá hoại cạnh bê tông, với các neo bị kéo ra khỏi bê tông. IDEA StatiCa Connection tính toán với bê tông không cốt thép, do đó phá hoại do bê tông ở lực lớn hơn là không thể tránh khỏi.
Nếu không thể giảm lực, còn lại bốn giải pháp khả thi.
- Tối ưu hóa truyền lực cắt bằng cách thêm chốt chịu cắt. Bằng cách này, toàn bộ lực cắt được truyền qua chốt chịu cắt và tránh được phá hoại neo và bê tông bị kéo ra.
- Truyền lực cắt qua ma sát thay vì qua các neo. Lực nén lớn trong cột cung cấp đủ khả năng chống ma sát.
- Điều chỉnh khối bê tông. Bằng cách tăng khoảng cách cạnh hoặc cấp độ bền bê tông, bê tông ít có khả năng bị kéo ra hơn.
- Thiết kế Cốt thép gia cường trong khối bê tông. Bằng cách này, cốt thép chịu lực kéo và ngăn bê tông bị kéo ra. Giải pháp này có thể được mô hình hóa và phân tích bằng IDEA StatiCa 3D Detail.
Như thể hiện trong các bản phác thảo của các nhà thiết kế, chỉ có Nhóm E đưa cốt thép vào thiết kế của họ. Bằng cách thêm cốt thép vào cấu kiện bê tông, các cơ chế phá hoại như phá hoại nón bê tông và phá hoại cạnh bê tông có thể được ngăn chặn.
Bạn có tò mò về cách tiết kiệm thời gian trong thiết kế cốt thép mà không ảnh hưởng đến an toàn không?
- Hoặc xem hướng dẫn IDEA StatiCa về Neo lệch tâm trong Detail.
Lời kết
Các liên kết thép được thiết kế bởi 6 nhóm, mô hình hóa trong IDEA StatiCa và thảo luận với các kỹ sư kết cấu giàu kinh nghiệm. Sử dụng IDEA StatiCa, chúng tôi có thể phân tích kết quả chi tiết và xác định, thảo luận các cân nhắc thiết kế quan trọng. Hội thảo này cho thấy rằng nhiều liên kết có thể được thiết kế theo vô số cách và không bao giờ chỉ có một giải pháp đúng duy nhất. Chúng tôi nhận thấy tầm quan trọng của việc vẽ theo tỷ lệ và theo dõi đường truyền lực trong liên kết. Phân tích độ cứng và hình dung cách nút liên kết sẽ biến dạng là một thí nghiệm tư duy tốt để hiểu cách một nút liên kết sẽ hoạt động.
"Trí tưởng tượng quan trọng hơn kiến thức" một người tên Albert Einstein đã từng nói. Và điều đó chắc chắn cũng áp dụng cho thiết kế liên kết thép. Bất kỳ ai có thể hình dung một nút liên kết trông như thế nào, cách nó sẽ được chế tạo, liệu tỷ lệ có đúng không, lực sẽ truyền như thế nào và liên kết sẽ biến dạng ra sao đã tiến gần hơn một bước để trở thành nhà thiết kế liên kết thép giỏi nhất.
Dùng thử miễn phí 14 ngày với đầy đủ tính năng.
Dùng thử IDEA StatiCa miễn phí