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 kết quả ba chiều (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 năm cuối 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 tại Phòng thí nghiệm Thiết kế Kết cấu Số bởi Trợ lý Giáo sư Martin Vild từ Đại học Công nghệ Brno.
Mục tiêu học tập
Sau khi thực hiện bài tập này, người học có thể mô tả cấu kiện cơ bản của liên kết bu-lông, T-stub và các hiện tượng liên quan, như lực bẩy.
Cơ sở lý thuyết
Phương pháp cấu kiện trong EN 1993-1-8 phân chia liên kết thành các cấu kiện. Cấu kiện cơ bản của liên kết bu-lông, được sử dụng rộng rãi cho các nút lắp ghép, là T-stub. Hình dạng của T-stub thay đổi tùy thuộc vào vị trí của nó trong liên kết, nhưng cách tính toán vẫn rất tương tự. Ngay cả một liên kết bản mã đầu dầm có gia cường phức tạp cũng được phân chia thành tám hàng T-stub. Mỗi T-stub như vậy được tính toán riêng lẻ hoặc như một phần của nhóm bu-lông, và khả năng chịu mô-men giới hạn là tổng của khả năng chịu kéo của T-stub nhân với cánh tay đòn đến tâm nén.
Một đặc điểm điển hình của T-stub là lực bẩy. Tổng lực kéo trong bu-lông lớn hơn lực kéo tác dụng lên T-stub. Điều này được gây ra bởi lực bẩy – tác động tựa của các bản lên gối đỡ, thường là một T-stub khác, trong trường hợp này bao gồm cánh và bụng cột. Lưu ý rằng tổng lực kéo trong bu-lông trong hình dưới đây là kN, lớn hơn đáng kể so với 193 kN của lực tác dụng.
Độ lớn của lực tựa phụ thuộc vào độ cứng và cường độ của các cấu kiện được liên kết và bu-lông.
- Nếu bản mã đầu dầm rất mỏng, nó sẽ chảy dẻo cả gần mối hàn và gần hàng bu-lông, và cường độ của bản mã đầu dầm sẽ quyết định 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 bản mã đầu dầm rất dày, nó sẽ không uốn đủ để vượt qua độ giãn dài của bu-lông, và bản mã đầu dầm sẽ không tiếp xúc với cánh cột. Trong trường hợp này, không có lực bẩy, cường độ của bu-lông sẽ quyết định, và một phân tích đơn giản là đủ để ước tính lực trong bu-lông. Eurocode mô tả đây là Dạng 3.
- Đối với chiều dày bản mã đầu dầm nằm giữa hai thái cực này, cường độ uốn của các góc và cường độ kéo của bu-lông có thể cùng quyết định.
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 đưa vào Eurocode EN 1993-1-8, Điều 6.2.4. Các phương trình này có thể được sử dụng để đánh giá lực bẩy một cách hiệu quả, nhưng chúng sử dụng các tham 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 là ví dụ cơ bản về hai T-stub giống hệt nhau được định hướng lưng đối lưng. Trường hợp cơ bản bao gồm hai bản mã đầu dầm (hoặc cánh T-stub) với kích thước mm và chiều dày mm. Các bản chịu kéo (hoặc bụng T-stub) dày 20 mm. Tất cả các cấu kiện đều từ thép cấp S355. Hàn góc kép với chiều cao cổ hàn 10 mm liên kết bụng T-stub với cánh. Cánh T-stub được liên kết bằng bu-lông M24 8.8 ( mm, MPa). Các bu-lông nằm ở giữa T-stub và khoảng cách mép của chúng là mm.
Quy trình
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.
Người học được cung cấp hai tệp hỗ trợ:
- T-stub calculation-Calcpad.zip – tính toán thủ công trong phần mềm mã nguồn mở Calcpad
- T-stub.py – mã Python để tự động hóa IDEA StatiCa sử dụng API của nó
Chạy các tệp này không bắt buộc để hoàn thành mô-đun học tập, nhưng chúng giúp tăng tốc tính toán thủ công.
Tính toán được thực hiện theo EN 1993-1-8 – Bảng 3.4
\(F_{t,Rd} = k_2·f_{ub}·A_s / γ_{M2} = 0.9·800 ·353 / 1.25 = 203.33 \textrm{ kN}\)
trong đó:
- cường độ kéo đứt của bu lông: \(f_u = 800\textrm{ MPa}\)
- \(k_2 = 0.9\)
- diện tích tiết diện chịu kéo của bu lông M24: \(A_s = 353 \textrm{ mm}^2\)
- hệ số an toàn riêng: \(\gamma_{M2} = 1.25\)
Có hai bu lông trong T-stub. Với điều kiện không có lực bẩy (chế độ 3 kiểm soát), sức kháng là \(N \cdot F_{t,Rd} = 2 \cdot 203 = 406.66 \textrm{ kN}\)
trong đó:
- \(N\) – số lượng bu lông
- \(F_{t,Rd}\) – cường độ chịu kéo của bu lông
Không. Phân tích chỉ đạt 90,2% khi tùy chọn Dừng tại trạng thái giới hạn được bật trong Cài đặt dự án.
Hệ số sử dụng bu lông tối đa là 116,2% khi tùy chọn Dừng tại trạng thái giới hạn được tắt.
Liên kết có thể chịu được \(90.2\% \cdot 406.66 = 366.8 \textrm{ kN}\) như thấy từ hàm dừng tại trạng thái giới hạn. Bulông kiểm soát khả năng chịu lực.
Cả hai bu lông đều chịu lực kéo 201,9 kN, nghĩa là chúng đang ở giới hạn chịu lực.
Lực tác dụng trong mỗi bu lông là (366,8 kN)/(2 bu lông) = 183,4 kN, bằng 90% so với 203,33 kN, tức là khả năng chịu lực của chúng.
Lực tựa tại mỗi bu lông là 201,9 kN – 183,4 kN = 18,5 kN và tổng cộng là 37 kN.
Ứng suất xuất hiện trên diện tích khoảng 2 × (10 mm) × (40 mm) = 800 mm\(^2\), dẫn đến ứng suất ước tính là 37 kN / 800 mm\(^2\) = 46,25 MPa.
Ứng suất tựa lớn nhất (tức là ứng suất tại các tiếp xúc) là 95,4 MPa. Ứng suất tựa trung bình phía sau đường bu lông có vẻ khoảng 45 MPa, phù hợp với ứng suất ước tính.
Bản cánh có dạng cong đơn. Ứng suất uốn lớn nhất nằm tại bản cánh ở vị trí bản bụng.
Liên kết có thể chịu tải trọng ít hơn nhiều khi bản cánh mỏng hơn.
Lực tối đa có thể truyền qua mô hình T-stub này là 172 kN. Biến dạng dẻo trong các bản cánh hiện kiểm soát khả năng chịu lực. Hệ số sử dụng bu lông là 92%.
Trung bình có 187,3 kN trong các bu lông, tổng cộng là 374,6 kN. 46% được quy cho lực tác dụng và 54% cho lực bẩy.
Các bản cánh hiện có độ cong kép. Ứng suất uốn lớn nhất nằm gần bản bụng và tại các bu lông.
Hoàn thành bảng dưới đây bằng cách xác định lực tối đa mà liên kết có thể chịu được cho 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 [mm] | Lực tối đa [kN] | Biến dạng dẻo tối đa [%] | Hệ số sử dụng bu-lông [%] |
| 8 | 123.0 | 4.16 | 90.9 |
| 10 | |||
| 12 | 228.5 | 4.87 | 97.4 |
| 14 | 283.2 | 4.03 | 99.5 |
| 16 | 312.5 | 1.90 | 99.4 |
| 18 | 337.9 | 1.40 | 99.3 |
| 20 | |||
| 22 | 400.4 | 1.20 | 99.8 |
| 24 | 408.2 | 0.32 | 99.6 |
| 26 | 408.2 | 0.11 | 99.6 |
| 28 | 408.2 | 0.05 | 99.6 |
| 30 | |||
| 32 | 408.2 | 0.00 | 99.6 |
| 34 | 408.2 | 0.00 | 99.6 |
| 36 | 408.2 | 0.00 | 99.6 |
| 38 | 408.2 | 0.00 | 99.6 |
| 40 |
- 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 là yếu tố kiểm soát đối với các bản dày hơn, cả hai cùng kiểm soát đối với bản dày 14 mm.
Cường độ của liên kết tăng, giảm hay giữ nguyên khi các kích thước sau đây 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).
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.
Dạng phá hoại theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) được xác định dựa trên biến dạng dẻo. Khi biến dạng dẻo vượt quá 3%, dạng phá hoại 1 được chọn; khi biến dạng dẻo nằm trong khoảng từ 0,3% đến 3%, dạng phá hoại 2 được chọn. Khi biến dạng dẻo rất nhỏ, dưới 0,3%, dạng phá hoại 3 được chọn. Điều này có thể được xác định chính xác hơn bằng cách quan sát các đường chảy dẻo và lực trong bu lông.
- Mô hình tính toán cơ sở khác nhau. Các phương trình EC 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.
- Đường chảy dẻo trong mô hình EC bắt đầu phía sau các mối hàn, trong khi trong IDEA StatiCa, các mối hàn phân phối tải trọng đều nhau nhưng không làm tăng cứng bản cánh
Lưu ý rằng tính toán thủ công theo EN 1993-1-8 được giải thích rõ ràng trong SCI P398 ở các trang 10–17.
Tài liệu tham khảo
EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-8: Thiết kế nút liên kết, CEN, Brussels
SCI P398 Nút liên kết trong Kết cấu Thép: Nút liên kết chịu mô-men theo Eurocode 3, 2013