Thiết kế liên kết thép tại Connection Workshop ở Bỉ

Gần đây, phối hợp với InfoSteel, chúng tôi đã tổ chức một Connection Workshop tại Bỉ tập trung vào đúng vấn đề này.

Chia thành ba nhóm, các học viên giải quyết hai bài toán thiết kế đầy thách thức. Mỗi nhóm được giao nhiệm vụ thiết kế một liên kết thép với sự chú ý đến độ bền và độ cứng cũng như tính khả thi trong thi công. Sự hiện diện của các kỹ sư trẻ và kỹ sư có kinh nghiệm cho phép họ học hỏi lẫn nhau, đồng thời cũng là cơ hội tuyệt vời để gặp gỡ và trao đổi với đồng nghiệp.

Kỹ sư kết cấu giàu kinh nghiệm Stijn Jespers đã có mặt để đánh giá các thiết kế và hỗ trợ các nhóm trong các lựa chọn thiết kế của họ. Trong quá trình thực hiện, chúng tôi có thể mô hình hóa các liên kết trực tiếp từ IDEA StatiCa. Điều này giúp các kỹ sư có cái nhìn trực quan ngay lập tức về mô hình 3D và kết quả, mà chúng tôi có thể cùng nhau phân tích và thảo luận.

Bạn có tò mò về các lựa chọn thiết kế khác nhau của các nhóm không? Chúng tôi giải thích kết quả bên dưới, bắt đầu với bài toán 1.

Trường hợp 1 - Liên kết chịu mô men

Trong bài tập đầu tiên, chúng ta xem xét một nút liên kết nơi ba dầm HEA300 gặp nhau trên một cột HEB300. Thách thức nằm ở chỗ ba dầm HEA300 đều phải được liên kết theo kiểu chịu mô men. Với lực cắt và mô men uốn đáng kể trên các dầm, đây là một bài kiểm tra nghiêm túc về cả độ bền lẫn độ cứng của liên kết.

Một số cân nhắc thiết kế đã nảy sinh trong quá trình thảo luận. Đầu tiên là cân nhắc về việc liệu cột có nên liên tục hay các dầm M1 và M2 nên liên tục. Sự khác biệt này cũng có thể thấy trong thiết kế của nhóm 1 và nhóm 2 so với nhóm 3.

Nhóm 3 chọn giải pháp này một phần để đạt được ba liên kết giống hệt nhau, điều này thúc đẩy sản xuất và giảm khả năng xảy ra lỗi, đặc biệt khi có nhiều nút như vậy trong dự án. Kết quả của tính toán CBFEM được hiển thị bên dưới. Cả ba thiết kế đều đáp ứng các kiểm tra tiêu chuẩn. Kích thước chiều dày bản mã, mối hàn và gia cường có thể được tối ưu hóa thêm.

Trong quá trình thiết kế, một kỹ sư có kinh nghiệm đã lưu ý rằng dung sai của các tiết diện thép phải được tính đến khi chọn dầm liên tục. Nếu cột rộng hơn dầm một chút (hoặc ngược lại), sẽ xảy ra hiện tượng lệch. Kết quả là bản mã đầu dầm không thể lắp ráp phẳng, hoặc các mối hàn không thể thực hiện đúng cách.

Một cân nhắc quan trọng khác khi kéo dài dầm qua cột là liệu các mô men uốn tại M1 và M2 có luôn xảy ra đồng thời hay không. Nếu không, cột liên tục có thể là giải pháp kết cấu gọn gàng hơn và giúp ngăn ngừa các ứng suất không lường trước trong nút. Dầm liên tục qua cột chỉ tối ưu khi các lực (M1 và M2) luôn xuất hiện đồng thời.

Hơn nữa, việc tạo ra các liên kết chịu mô men là một thách thức, đặc biệt đối với dầm L, vì nó được liên kết theo phương yếu của cột. Liên kết ngàm cứng trong tình huống này đòi hỏi phải có gia cường. Tuy nhiên, điều này cũng yêu cầu sườn tăng cứng trong cột để đảm bảo truyền lực đúng cách. Các sườn tăng cứng này ảnh hưởng đến khả năng chế tạo của liên kết. Nếu sườn tăng cứng được sử dụng ở cả cánh trên và cánh dưới, việc lắp bu lông tại công trường là không thể thực hiện được.

Với IDEA StatiCa Connection, kỹ sư có thể phân tích độ cứng của một liên kết. Phân tích như vậy đã được thực hiện cho liên kết thép của Nhóm 3 để xác minh rằng liên kết có thể được phân loại là Ngàm cứng. Biểu đồ mô men - góc xoay đã được lập cho liên kết cột-dầm này và kết quả bên dưới cho thấy liên kết được phân loại là Ngàm cứng.

Trường hợp 2 - Liên kết góc nghiêng

Trong trường hợp thứ hai, chúng ta xem xét một nút liên kết trong đó bốn dầm gặp nhau ở góc 30 độ. Các dầm HEB240 chịu lực nén dọc trục, uốn và cắt, trong khi các cấu kiện biên, được cấu tạo bằng RHS120/80/8 hoặc IPE120, truyền lực kéo hoặc nén dọc trục.

Góc giữa các cấu kiện tạo ra một nút liên kết chật hẹp. Nhìn thoáng qua, các thiết kế của ba nhóm rất giống nhau, nhưng mỗi nhóm có cách tiếp cận khác nhau để truyền lực một cách hiệu quả.

Tất cả các nhóm đều chọn một liên kết hiệu quả, nối các dầm bằng bản mã đầu dầm và gắn các cấu kiện RHS vào các bản mã đầu dầm bằng liên kết bản mã liên kết đơn. Điều này tránh được công việc gia công bản mã bổ sung và tạo ra một nút liên kết gọn gàng có thể lắp ráp tại công trường tương đối dễ dàng.

Dưới đây là kết quả từ IDEA StatiCa Connection. 100% tải trọng được truyền và tất cả các kiểm tra tiêu chuẩn đều được đáp ứng.

Các cân nhắc thiết kế thêm nảy sinh trong quá trình thảo luận là vị trí đặt bu lông và lựa chọn liệu bản mã nối có kéo dài ở phía trên hay phía dưới. Điều này thường phụ thuộc vào không gian sẵn có. Về mặt kết cấu, một hàng bu lông bổ sung ở phía trên có thể hiệu quả hơn vì đó là nơi xuất hiện lực kéo. Tuy nhiên, nếu mô men uốn trong dầm HEB240 cũng có thể xảy ra theo chiều ngược lại, hiệu quả của hàng bu lông này bị hạn chế. Điều này cho thấy có bao nhiêu yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế của một liên kết thép và rằng điều này không dễ dàng nắm bắt trong một ví dụ tính toán.

Nhóm 2 và Nhóm 3 chọn hai bản mã đầu dầm giống hệt nhau nhưng đối xứng gương. Điều này tiết kiệm hơn cho sản xuất, cắt và hàn, cũng như lắp ráp. Hơn nữa, cần lưu ý rằng vì các cấu kiện biên được liên kết trực tiếp với các bản mã đầu dầm, lực cắt trong bu lông có thể không hoàn toàn khớp với tính toán tay ban đầu của bạn. Trong IDEA StatiCa, chúng ta có thể thấy phương của lực cắt trong bu lông và nhận thấy rằng chúng bị ảnh hưởng bởi lực cắt trong các dầm HEB240 cũng như lực kéo trong các cấu kiện RHS.

Khi thiết kế các liên kết nhỏ gọn như vậy, mô hình hóa 3D rất hữu ích vì bạn có thể kiểm tra ngay lập tức liệu các bu lông có vừa vặn và có thể lắp ráp tại công trường hay không. Điều này cho phép đưa ra quyết định ngay lập tức về việc liệu một bản mã có cần được kéo dài hay một hàng bu lông cần được dịch chuyển.

Lời kết

Thiết kế liên kết thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính liên tục của dầm hoặc cột, vị trí đặt bu lông và bản mã, lựa chọn tiết diện, và việc truyền lực hiệu quả. Mỗi quyết định ảnh hưởng đến cả khả năng chế tạo lẫn sự rõ ràng về mặt kết cấu của liên kết. Với IDEA StatiCa Connection, bạn có thể đánh giá nhanh tất cả các khía cạnh này: tính toán độ cứng, thực hiện kiểm tra tiêu chuẩn và xác minh liệu thiết kế có khả thi trong thực tế hay không. Bằng cách này, bạn có được một liên kết đúng về mặt kỹ thuật và có thể được thực hiện hiệu quả tại công trường.