Thiết kế liên kết có thể khó giảng dạy, do tính chất chi tiết của chủ đề và hành vi ba chiều về cơ bản của hầu hết các liên kết. Tuy nhiên, các liên kết có tầm quan trọng thiết yếu, và các bài học rút ra trong quá trình nghiên cứu thiết kế liên kết, bao gồm đường truyền tải và xác định, đánh giá các dạng phá hoại, mang tính tổng quát và có thể áp dụng rộng rãi cho thiết kế kết cấu. IDEA StatiCa sử dụng mô hình phân tích phi tuyến chặt chẽ và có giao diện dễ sử dụng với hiển thị ba chiều các kết quả (ví dụ: hình dạng biến dạng, ứng suất, biến dạng dẻo) và do đó rất phù hợp để khám phá hành vi của các liên kết thép kết cấu. Dựa trên những điểm mạnh này, một bộ bài tập có hướng dẫn sử dụng IDEA StatiCa như một phòng thí nghiệm ảo để giúp sinh viên tìm hiểu các khái niệm về hành vi và thiết kế liên kết thép kết cấu đã được phát triển. Các mô-đun học tập này chủ yếu hướng đến sinh viên đại học nâng cao và sau đại học nhưng cũng được thiết kế phù hợp cho các kỹ sư đang hành nghề. Các mô-đun học tập được phát triển bởi Phó Giáo sư Mark D. Denavit từ Đại học Tennessee, Knoxville.
Mục tiêu học tập
Sau khi thực hiện bài tập này, người học có thể mô tả lực bẩy, các thông số ảnh hưởng đến nó và cách nó ảnh hưởng đến thiết kế liên kết thép kết cấu.
Cơ sở lý thuyết
Bu lông chịu kéo có thể chịu lực lớn hơn dự kiến do một hiện tượng được gọi là lực bẩy.
Mặc dù không chỉ giới hạn ở các cấu kiện chữ T và thép góc, lực bẩy được xác định và đánh giá rõ ràng nhất với các cấu kiện này. Xét liên kết thép góc kép toàn bu lông được thể hiện trong hình dưới đây. Dầm, đóng vai trò là thanh cánh hoặc thanh thu lực, chịu 60 kips lực kéo (để đơn giản, lực cắt trong dầm được bỏ qua). 5 bu lông kết nối mỗi thép góc với cánh cột, tổng cộng 10 bu lông giữa các thép góc và cánh cột. Dựa trên phân tích đơn giản, người ta có thể kỳ vọng lực kéo trong mỗi bu lông là 60 kips/10 bu lông = 6 kips mỗi bu lông. Tuy nhiên, lực kéo thực tế lớn hơn, khoảng 14 kips mỗi bu lông đối với liên kết được thể hiện dưới đây, vì các đầu mút của thép góc đang tựa lên cánh cột và lực tựa này cộng thêm vào lực kéo bu lông.
Độ lớn của lực tựa phụ thuộc vào độ cứng và cường độ của các cấu kiện được liên kết và bu lông.
- Nếu các thép góc rất mỏng, chúng sẽ chảy dẻo cả gần gót và gần hàng bu lông, và cường độ của các thép góc sẽ khống chế ngay cả khi xét đến lực kéo bổ sung trong bu lông do lực bẩy. Eurocode mô tả đây là dạng phá hoại 1.
- Nếu các thép góc rất dày, cánh sẽ không uốn đủ để vượt qua độ giãn dài của bu lông, và đầu mút sẽ không tiếp xúc với cánh cột. Trong trường hợp này, không có lực bẩy, cường độ của bu lông sẽ khống chế, và phân tích đơn giản là đủ để ước tính lực trong bu lông. Eurocode mô tả đây là Dạng 3.
- Đối với chiều dày thép góc nằm giữa hai thái cực này, cường độ uốn của thép góc và cường độ kéo của bu lông có thể đồng thời khống chế.
Trong Eurocode 3 (CEN, 2005), các hành vi khác nhau này được gọi là "Dạng 1: Chảy dẻo hoàn toàn của cánh"; "Dạng 2: Phá hoại bu lông kèm chảy dẻo cánh"; và "Dạng 3: Phá hoại bu lông" và tương ứng với các cấu kiện liên kết mỏng, trung bình và dày.
Các phương trình để đánh giá lực bẩy được trình bày trong AISC Manual Phần 9 (AISC, 2023). Các phương trình này có thể được sử dụng để đánh giá lực bẩy một cách hiệu quả, nhưng chúng sử dụng các thông số trừu tượng làm che khuất hành vi vật lý. Bài tập này nhằm giúp phát triển trực giác vật lý về lực bẩy.
Liên kết
Liên kết được xem xét trong bài tập này được lấy cảm hứng từ liên kết moment chữ T kép nhưng chỉ bao gồm cột và cấu kiện chữ T chịu kéo (dầm và cấu kiện chữ T chịu nén không được đưa vào).
Cấu kiện chữ T được làm từ hai bản thép để dễ dàng thay đổi hình học trong quá trình thực hiện bài tập. Các bản thép được hàn đối đầu để đơn giản hóa. Cột tương đối lớn và được cung cấp sườn tăng cứng để tạo nền vững chắc cho cấu kiện chữ T – lực bẩy cũng có thể xảy ra nếu cánh cột uốn và tiếp xúc với cấu kiện chữ T. Cột được mô hình hóa trong IDEA StatiCa là liên tục và với kiểu mô hình N-Vy-Mz để lực kéo tác dụng được cân bằng bởi lực cắt ở đỉnh và đáy cột và không cần nhập lực cắt (tức là các lực không cân bằng là chấp nhận được).
Quy trình thực hiện
Quy trình cho bài tập này giả định rằng người học có kiến thức làm việc về cách sử dụng IDEA StatiCa (ví dụ: cách điều hướng phần mềm, xác định và chỉnh sửa các thao tác, thực hiện phân tích và tra cứu kết quả). Hướng dẫn để phát triển kiến thức đó có sẵn trên trang web IDEA StatiCa (https://www.ideastatica.com/).
Lấy tệp IDEA StatiCa cho liên kết ví dụ được cung cấp kèm theo bài tập này. Mở tệp trong IDEA StatiCa. Để thực hiện bài tập, hãy theo dõi nội dung, hoàn thành các nhiệm vụ và trả lời các câu hỏi.
Fnt = 90 ksi (AISC Specification Table J3.2)
Ab = π/4 d2 = π/4 (0.75 in.)2 = 0.442 in.2
Rn = FntAb = (90 ksi)(0.442 in.2) = 39.8 kips
\(\phi\)Rn = 0.75(39.8 kips) = 29.8 kips
Ngoài ra, giá trị này có thể được tra trực tiếp từ AISC Manual Table 7-2
\(\phi\)Rn = (8 bu lông)(29,8 kips/bu lông) = 238,4 kips
Không. Biến dạng dẻo tối đa là 287,0% (so với giới hạn 5%) và hệ số sử dụng bu lông là 235,5%.
Liên kết có thể chịu được 111,1 kips lực kéo tác dụng. Biến dạng dẻo trong bản cánh kiểm soát khả năng chịu lực. Hệ số sử dụng bu lông tối đa là 80%.
Tất cả tám bu lông đều có lực kéo khoảng 23,8 kips.
Lực tác dụng lên mỗi bu lông là (111,1 kips)/(8 bu lông) = 13,9 kips, chiếm 58% của 23,8 kips.
Lực tỳ là 23,8 kips – 13,9 kips = 9,9 kips mỗi bu lông, hoặc tổng cộng 79,2 kips.
Ứng suất xuất hiện trên diện tích khoảng 2 × (2 in.) × (12 in.) = 48 in.2, dẫn đến ứng suất ước tính là 79,2 kips / 48 in.2 = 1,65 ksi.
Ứng suất tỳ lớn nhất (tức là ứng suất tại các vị trí tiếp xúc) là 9,5 ksi. Ứng suất tỳ trung bình phía sau đường bu lông có vẻ nhỏ hơn 2 ksi, phù hợp với ứng suất ước tính.
Bản cánh bị uốn theo hai chiều cong ngược nhau. Ứng suất uốn lớn nhất xuất hiện gần bản thân và tại các hàng bu lông.
Có, liên kết có thể chịu được 238,4 kips tải trọng tác dụng. Biến dạng dẻo lớn nhất là 0,1% (so với giới hạn 5%) và hệ số sử dụng của bu lông là 99,9%.
Tất cả tám bu lông đều chịu lực kéo khoảng 29,8 kips.
Lực tác dụng trong mỗi bu lông là (238,4 kips)/(8 bu lông) = 29,8 kips, tương đương 100% tải trọng trong các bu lông.
Ứng suất tựa (tức là ứng suất tại các vị trí tiếp xúc) bằng không.
Bản cánh liên kết uốn theo một chiều cong và ứng suất uốn lớn nhất xuất hiện gần bản bụng.
Hoàn thành bảng dưới đây bằng cách xác định lực tối đa mà liên kết có thể chịu được với nhiều chiều dày bản cánh khác nhau, sau đó ghi lại lực đó cùng với biến dạng dẻo tối đa và hệ số sử dụng bu lông tối đa tại lực đó.
| Chiều dày bản cánh (in.) | Lực tối đa (kips) | Biến dạng dẻo tối đa (%) | Hệ số sử dụng bu lông tối đa (%) |
| 1/4 | |||
| 5/16 | 53.0 | 5.0 | 76.8 |
| 3/8 | 70.8 | 4.9 | 77.7 |
| 1/2 | |||
| 5/8 | 158.1 | 5.0 | 91.3 |
| 3/4 | 185.2 | 4.9 | 99.9 |
| 7/8 | |||
| 1 | 223.2 | 5.0 | 97.9 |
| 1 1/4 | 238.4 | 0.1 | 99.9 |
| 1 1/2 |
- Khả năng chịu lực tăng theo chiều dày, ban đầu tăng nhanh, sau đó chậm dần và cuối cùng đạt ngưỡng ổn định.
- Biến dạng dẻo là yếu tố kiểm soát đối với các bản mỏng hơn, bu lông kiểm soát đối với các bản dày hơn, cả hai cùng kiểm soát đối với các bản có chiều dày từ 3/4 in. đến 1 in.
11. Cường độ của liên kết tăng, giảm hay không thay đổi khi các kích thước sau đây được tăng lên? Hãy xem xét câu trả lời có thể khác nhau như thế nào đối với các chiều dày bản cánh khác nhau.
Tăng chiều rộng (mà không tăng số lượng bu lông) sẽ làm tăng khả năng chịu lực của bản cánh. Nếu bản cánh đủ dày và không có lực bẩy thì điều này sẽ không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của liên kết. Nếu có lực bẩy, khả năng chịu lực của liên kết sẽ tăng lên.
Tăng khoảng cách này sẽ không ảnh hưởng đối với bản cánh mỏng (Eurocode Mode 1) hoặc bản cánh dày (Eurocode Mode 3), nhưng sẽ giảm ứng suất tỳ và tăng khả năng chịu lực của liên kết đối với bản cánh có chiều dày trung bình (Eurocode Mode 2).
Nếu bản bích dày và không có lực bẩy, việc thay đổi kích thước này sẽ không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của liên kết (tuy nhiên, tăng kích thước này sẽ dẫn đến lực bẩy xuất hiện đối với các bản dày hơn). Nếu có lực bẩy, việc tăng kích thước này sẽ làm giảm khả năng chịu lực của liên kết.
Tăng đường kính bu lông sẽ làm tăng khả năng chịu kéo của chúng. Khi bản mã mỏng, việc tăng đường kính bu lông sẽ có một số ảnh hưởng do loại bỏ nhiều vật liệu hơn cho lỗ bu lông (làm giảm khả năng chịu lực) và do dịch chuyển vị trí đường chảy dẻo gần bu lông (làm tăng khả năng chịu lực). Đối với bản cánh dày hơn, khả năng chịu lực tăng lên của bu lông sẽ làm tăng khả năng chịu lực của liên kết.
- Mô hình nền tảng khác nhau. Các phương trình AISC dựa trên mô hình hành vi đơn giản hóa. IDEA StatiCa sử dụng mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) chi tiết.
- Các phương trình AISC sử dụng Fu, IDEA StatiCa sử dụng Fy
Tài liệu tham khảo
AISC. (2022). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
CEN. (2005). Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.