Đây là bài viết tiếp theo của bài viết về dàn thép được viết bởi đồng nghiệp của tôi – Ralph Pullinger. Trước tiên, câu hỏi quan trọng nhất là – sự khác biệt giữa giằng và dàn thép là gì? Có một chút giao thoa giữa hai chủ đề này, như bạn có thể hình dung.
Về cơ bản, một thanh giằng là một cấu kiện đơn lẻ có chức năng đỡ, tăng cứng hoặc gia cố một thứ gì đó, trong khi dàn thép thường là một bộ phận hoàn chỉnh của kết cấu và được tạo thành từ nhiều cấu kiện. Nói cách khác, hệ giằng có thể là một phần của kết cấu dàn thép. Tất nhiên, một số hệ dàn thép nhất thiết phải có giằng để hoàn chỉnh – đặc biệt trong lĩnh vực nhà ở. Thậm chí các cấu kiện trong một số dàn thép cũng đóng vai trò như thanh giằng.
Nhưng chúng được tìm thấy ở đâu, và hệ giằng có được sử dụng chỉ trong kết cấu thép không? Hoàn toàn không. Bạn thường sẽ thấy chúng trong các công trình khung thép cũng như khung gỗ. Ít gặp hơn trong khung bê tông, trừ khi có những lý do cụ thể, chẳng hạn như cải tạo hoặc gia cường.
Hệ giằng sử dụng trong kết cấu thép
Trong các hệ kết cấu thép, thanh giằng thường được định nghĩa là chỉ chịu tải trọng dọc trục (hoặc lực nén hoặc lực kéo). Nếu một thanh giằng phải chịu mô-men, thì nó cần được định nghĩa là dầm hoặc cột. Thanh giằng không bị giới hạn theo phương ngang hoặc phương đứng. Chúng cũng được sử dụng trong các mặt phẳng nghiêng (chẳng hạn như mặt phẳng mái). Thanh giằng luôn truyền tải trọng. Chủ yếu, chúng nhằm mục đích truyền tải trọng ngang, chẳng hạn như gió, xuống cơ cấu chịu lực – thường là móng.
Thanh giằng có thể có dạng dây cáp, thanh dẹt, thép góc, thanh tròn, tiết diện rỗng và thậm chí tiết diện chữ I. Theo truyền thống, chúng thường được thiết kế để ẩn đi, nhưng cũng có một số ví dụ về việc chúng được để lộ ra và tôn lên vẻ đẹp thẩm mỹ.
Một ví dụ điển hình về sự kết hợp hài hòa giữa kiến trúc và kỹ thuật kết cấu, thể hiện hệ giằng và chi tiết liên kết giằng trên mặt tiền, có thể được tìm thấy ở Tây Ban Nha tại tòa nhà hiện được biết đến với tên gọi Hotel Arts Barcelona. Tại đây, các liên kết thép kết cấu gần như đủ gần để chạm vào và có thể được quan sát bởi các vị khách của khách sạn. Xem cách chúng tôi thực hiện tính toán thiết kế giằng này trong một trong các buổi hội thảo trực tuyến của chúng tôi.
Trong thời kỳ 2D (cả analog lẫn kỹ thuật số) trước đây, do mặt phẳng hoạt động của chúng, hệ giằng cũng thường bị bỏ quên cho đến khi người ta phát hiện chúng vô tình chắn ngang cửa sổ hoặc chặn lối vào cửa. Có bao nhiêu người còn nhớ những tình huống đó?
Ngày nay, với sự ra đời của BIM, các vấn đề phối hợp này hầu như đã biến mất (hy vọng vậy). Việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cũng giúp sử dụng vật liệu hiệu quả hơn, và các phương pháp phân tích chặt chẽ hơn cho phép các kỹ sư bố trí hệ giằng ở những vị trí phát huy hiệu quả tốt hơn.
Ở dạng đơn giản nhất, một thanh giằng là một cấu kiện đi từ vị trí này đến vị trí khác. Nó có thể là một thanh giằng đơn hoặc là một phần của hệ giằng lớn hơn tạo thành một mô hình. Tất nhiên, có rất nhiều loại hệ giằng được sử dụng trong kết cấu, từ hệ giằng chữ X thông dụng đến các hệ tiên tiến đáp ứng các yêu cầu kiến trúc.
Quá trình đào tạo và kinh nghiệm của kỹ sư thường sẽ hướng dẫn họ tìm ra các vị trí và hình thức giằng phù hợp. Điều này có thể được tinh chỉnh thêm thông qua phân tích. Chính trong quá trình phân tích này, các hiệu ứng bổ sung, chẳng hạn như độ lệch tâm, được giả định là không đáng kể. Như tôi luôn nhấn mạnh – kỹ sư thích giữ mọi thứ đơn giản.
Trong phân tích kết cấu tổng thể (khung 2D hoặc 3D), bạn sẽ thấy dầm, cột và giằng đều gặp nhau tại một nút. Trên thực tế, điều này không thể xảy ra vì luôn có một độ lệch tâm nhất định. Điều này cũng có thể được mô hình hóa trong phương pháp phần tử hữu hạn và BIM để các hiệu ứng này được xem xét – thông thường, một sự dịch chuyển nhỏ lên/xuống hoặc trái/phải là đủ.
Đọc thêm trong bài viết của Jan Kubicek về độ lệch tâm kết cấu và các vấn đề của chúng – Điều gì xảy ra nếu nó không đi đúng hướng?
Các loại liên kết giằng trong kết cấu thép
Bây giờ, chúng ta có một loạt các thanh giằng có thể chịu tải trọng thiết kế – làm thế nào để kết nối chúng với kết cấu chính? Đây là lúc nghệ thuật của các kỹ sư chi tiết và kiến thức của họ phát huy tác dụng. Những hạn chế ở đây là gì? Nói một cách đơn giản, có bao nhiêu loại liên kết trong kết cấu thép mà người kỹ sư chi tiết đã lưu trữ trong trí nhớ của mình, tất nhiên là sự sáng tạo của họ, nhưng cũng là những hạn chế của các công cụ phần mềm được sử dụng?
Có nhiều ví dụ về các bố trí điển hình thực hiện nhiệm vụ này. Hầu hết không nổi bật, nhưng một số thì có. Ví dụ dưới đây được lấy từ nghiên cứu điển hình và hội thảo trực tuyến Liên kết mặt tiền tại bệnh viện Midland Metropolitan.
Khách hàng muốn tạo điểm nhấn từ hệ giằng và đã sử dụng IDEA StatiCa để tạo ra một liên kết vừa có chức năng vừa có tính thẩm mỹ.
Đây sẽ là một ví dụ điển hình về cách IDEA StatiCa có thể tận dụng cả mô hình hình học (BIM) từ chẳng hạn Tekla Structures để lấy vị trí cấu kiện và hình dạng của các bản thép khác nhau, kết hợp với việc sử dụng hiệu ứng tải trọng thông qua phương pháp phần tử hữu hạn từ chẳng hạn, SCIA Engineer (các giải pháp CAD và phương pháp phần tử hữu hạn khác cũng có sẵn😊). Nhưng này, điều này thực sự có thể thực hiện được!
Chi tiết liên kết giằng trong IDEA StatiCa
Ứng dụng thiết kế và kiểm tra tiêu chuẩn liên kết IDEA StatiCa Connection tất nhiên hoàn toàn có khả năng cung cấp bất kỳ loại hình học và tải trọng nào, bắt đầu từ các liên kết đơn giản như hệ giằng chữ V thông thường. Điểm mạnh ở đây so với chẳng hạn bảng tính Excel là khả năng tạo nhanh hình dạng chi tiết, khả năng tối ưu hóa nhanh, kiểm soát trực quan đầy đủ, và không kém phần quan trọng là phân tích oằn!
Đọc thêm về oằn không chỉ cho liên kết giằng trong bài viết Oằn cần tư duy phê phán! của tác giả Jana Kaderova.
Bên cạnh các liên kết tiêu chuẩn, ứng dụng của chúng tôi cũng đã chứng minh khả năng của mình với các liên kết cấp độ khó cao. Đây là lúc kiến trúc sư hiện thực hóa những giấc mơ của mình, còn kỹ sư kết cấu phải đối mặt với cơn ác mộng. Các vòng trung tâm giằng chữ X như vậy được sử dụng trong nhiều biến thể, từ loại được sản xuất và thử nghiệm theo tiêu chuẩn đến loại hoàn toàn tùy chỉnh cần được phân tích và kiểm tra tiêu chuẩn đầy đủ.
Trong phần về thanh giằng, chúng ta cũng thấy một trong những lý do thường gặp nhất cho các tin nhắn gửi đến bộ phận hỗ trợ của chúng tôi. Các ví dụ trên cũng cho thấy một liên kết bu-lông đơn từ thanh giằng đến kết cấu. Do đó, cấu kiện này không thể chịu mô-men, mà chỉ chịu lực dọc trục và lực cắt.
Trong phần mềm liên kết thép IDEA StatiCa Connection, tham số của cấu kiện giằng được gọi là Loại mô hình phải được thay đổi từ mặc định N-Vy-Vz-Mx-My-Mz sang N-Vy-Vz (không có mô-men). Nếu không, sẽ xảy ra hiện tượng kỳ dị do cơ chế hình thành xung quanh bu-lông.
Giải pháp được kiểm chứng kỹ lưỡng
Vài ngày trước, trong khuôn khổ nhiệm vụ hỗ trợ của mình, tôi đang giải quyết một vấn đề với một liên kết vừa tiêu chuẩn vừa không tiêu chuẩn. Điều đó phụ thuộc vào quan điểm của bạn. Mô hình liên kết là một nút K tiết diện rỗng chữ nhật (RHS) hàn hoàn toàn đơn giản, và khách hàng đang thảo luận về khả năng chịu lực thấp hơn của liên kết giằng này được tính toán trong ứng dụng Connection so với tính toán thủ công.
Trong phần này của câu chuyện, điều quan trọng cần chỉ ra là giải pháp dựa trên CBFEM trong phần mềm được kiểm chứng đầy đủ ở nhiều cấp độ, bao gồm các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và nhiều ví dụ đã được sử dụng. Tuy nhiên, chúng tôi đã phản hồi bằng cách kiểm tra kỹ lưỡng vấn đề và cung cấp một mô hình phần tử hữu hạn độc lập được cấu thành từ các phần tử khối 3D với ứng xử đàn hồi-dẻo phi tuyến hình học trong phần mềm midas FEA NX.
Các giả thiết cho cả hai mô hình:
- Thép S355 – biểu đồ hai đường tuyến tính có hóa cứng
- Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu
Nhìn chung, các tính toán thủ công theo tiêu chuẩn thường khá thiên về an toàn. Trong trường hợp cụ thể này, điều ngược lại xảy ra, và giải pháp phần tử hữu hạn được kiểm tra kép cung cấp mô hình chính xác đơn giản cho thấy khả năng chịu lực thấp hơn khoảng 20% trong cả hai mô hình số so với tính toán thủ công. Kết luận, điều này là do biến dạng không gian và hiện tượng đâm thủng của dầm chính.
Bên cạnh đó, trong Trung tâm hỗ trợ của chúng tôi, trong danh sách các bài viết kiểm chứng và nghiên cứu, cũng có những bài thảo luận riêng về giằng.
Một trong số đó, Tiết diện rỗng chữ nhật, cũng bao gồm chính ví dụ về nút K hàn được thiết kế theo Eurocode. Công trình này trình bày kết quả nghiên cứu so sánh kết quả của ứng dụng Connection với phương pháp truyền thống, nói cách khác, khả năng chịu lực được xác định bằng CBFEM so với FMM cho nút K SHS đơn phẳng.
Đối với tiêu chuẩn Mỹ AISC, có một số ví dụ kiểm chứng được chuẩn bị bởi Mahamid Mustafa trong một dự án chung giữa Đại học Illinois tại Chicago và IDEA StatiCa. Bài viết Liên kết giằng Chevron trong khung giằng (AISC), cũng như các bài viết khác, thể hiện rất rõ khái niệm an toàn nhưng hiệu quả của phương pháp CBFEM.
Kết thúc?
Cảm ơn bạn đã dành thời gian đọc bài viết này, và chúng tôi hy vọng sẽ sớm gặp lại bạn trên blog IDEA StatiCa của chúng tôi!
PS: Một câu đố thưởng 😊. Hãy thử đếm xem bạn có thể tìm thấy bao nhiêu thanh giằng thép trong Thư viện dự án mẫu của chúng tôi!
3,2,1,...
... được rồi, đây là danh sách đầy đủ của chúng để tải xuống, kiểm tra và sử dụng miễn phí.