Thiết kế kết cấu chính được thực hiện bởi Mott MacDonald với tư cách là công ty tư vấn ban đầu. Nhà thầu chịu trách nhiệm thi công là DHD Engineering, đơn vị đã giao cho khách hàng của chúng tôi, Ellis & Moore Consulting Engineers, nhiệm vụ thiết kế các liên kết.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích những phần phức tạp của thiết kế liên kết đặc biệt này và cách chúng được giải quyết thành công với IDEA StatiCa Connection, đồng thời chúng tôi sẽ đánh giá việc áp dụng phương pháp cấu kiện gốc được triển khai trong Eurocode và chứng minh rằng việc áp dụng nó gần như không thể thực hiện được trong trường hợp cụ thể này.
Phân loại nút liên kết cho thiết kế thủ công
Đầu tiên, chúng tôi sẽ cố gắng giải thích quy trình khi một liên kết phức tạp cần được thiết kế thủ công. Chúng tôi sẽ sử dụng làm ví dụ nút N được hiển thị trong hình bên phải, đây là một nút liên kết đa mặt phẳng. Để thực hiện tính toán đúng đắn bằng phương pháp cấu kiện, chúng ta cần nhận dạng cấu hình liên quan trong Hình 7.1 của Eurocode (nhấp vào hình bên dưới).
Từ hình học của liên kết, chúng ta có thể thấy rằng theo phương dọc được đánh dấu bằng hình chữ nhật màu xanh lam nhạt không có vấn đề gì. Nó có thể được phân loại rõ ràng là nút N. Vấn đề bắt đầu ở mặt phẳng nghiêng! Vì vậy, cuối cùng, chúng ta có hai nút "N" cùng tồn tại với một nút "Y".
Theo phương này, vấn đề có thể được hình dung dễ dàng bằng cách sử dụng ảnh chụp màn hình dạng 3D thực tế lấy từ mô hình IDEA StatiCa Connection hoàn chỉnh (xem bên dưới). Đối với cấu hình cụ thể này, không có hướng dẫn rõ ràng trong tiêu chuẩn và/hoặc các giới hạn yêu cầu bởi các đoạn liên quan về độ chồng lấp, v.v. không nhất thiết được đảm bảo. Trong trường hợp này, bạn cần có lời khuyên chuyên gia và phán đoán kỹ thuật phù hợp nếu muốn sử dụng phương pháp cấu kiện. Hơn nữa, vì các ảnh chụp màn hình được lấy từ liên kết đã hoàn thiện, chúng ta có thể thấy rằng nhiều bản mã nút gia cường đã được sử dụng để tăng cường liên kết và đạt được khả năng chịu lực yêu cầu. Chỉ riêng sự hiện diện của các bản mã nút này đã khiến liên kết không thể thiết kế được bằng phương pháp cấu kiện.
Thiết kế thành công với phương pháp CBFEM
Những hạn chế của phương pháp cấu kiện không áp dụng cho CBFEM và IDEA StatiCa Connection, đơn giản vì nút liên kết được mô hình hóa chính xác như trong thực tế và được phân tích như một phần tử thống nhất theo tất cả các phương, với các phần tử hữu hạn. Vì vậy, sau khi tất cả các lực đã được áp dụng, mô hình có thể được giải, tất cả các nội lực tương tác trong mô hình của chúng ta được tính toán, và chúng ta ngay lập tức có thể có cái nhìn tổng quan nhanh về tất cả các kiểm tra tiêu chuẩn Eurocode cho thấy thiết kế an toàn.
Điều quan trọng không kém so với phương pháp cấu kiện là quy trình làm việc này phổ biến cho tất cả các loại liên kết. Vì vậy, nếu ví dụ các tiết diện chữ nhật vì lý do nào đó được thay đổi thành tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ I, không cần phải xem xét đặc biệt nào. Điều này không đúng với phương pháp cấu kiện vốn có các quy tắc đặc biệt cho từng loại tiết diện.
Lưu ý về thiết kế liên kết tại Vương quốc Anh
Chúng tôi có thể nói một cách an toàn rằng khi nói đến thiết kế liên kết thép, các kỹ sư kết cấu tuân theo một quy trình nhất định dường như là thông lệ phổ biến tại Vương quốc Anh. Để thiết kế các liên kết, các kỹ sư chịu trách nhiệm thiết kế cơ bản của kết cấu cung cấp các bản đánh dấu như trong hình bên phải. Để có thông tin dễ đọc, các liên kết được nhóm lại. Sau đó, đối với mỗi nhóm, một bao tải trọng của các lực tác dụng được tạo ra. Quy trình này cung cấp độ dư bền cho liên kết dẫn đến thiết kế an toàn, nhưng cũng giúp luồng thông tin giữa hai bên dễ dàng hơn. Vấn đề với cách tiếp cận này là độ dư bền yêu cầu (ít nhất trong trường hợp cụ thể này) lớn đến mức nếu không có các bản mã nút gia cường được cung cấp, các cấu kiện hàn sẽ không thể chịu được các lực đã cho.
Điều này có nghĩa là người thiết kế liên kết đôi khi đứng trước ngõ cụt vì việc thay đổi kích thước của cấu kiện không phải là thông lệ được chấp nhận và nếu điều đó xảy ra thì phải được biện minh đúng đắn. Trong trường hợp cụ thể này, việc sử dụng IDEA StatiCa Connection là cách duy nhất của khách hàng để đạt được thiết kế yêu cầu mà không cần sử dụng phân tích FEM phức tạp và những cạm bẫy đi kèm với việc áp dụng nó.
Thiết kế kinh tế hơn với IDEA StatiCa Connection
Thông lệ phổ biến đã được mô tả trước đó cũng được áp dụng ban đầu trong dự án này. Hệ quả là, các lực thiết kế bao tải trọng được cung cấp bởi các kỹ sư tư vấn ban đầu dẫn đến thiết kế rất không kinh tế cho các nút liên kết chính của dàn. Như bạn có thể thấy trong hình bên dưới, thiết kế sơ bộ/khả thi cho ra một liên kết rất nặng cho một nút với 8 cấu kiện, nằm ở giữa nhịp.
Sau khi trao đổi trung gian với các kỹ sư tư vấn chính, các lực đã được điều chỉnh để tạo ra các tổ hợp thực tế hơn và các thiết kế khả thi hơn. Các lực này đã được sử dụng trong IDEA StatiCa Connection, và sau đó đạt được thiết kế kinh tế hơn, với ít bản thép bổ sung hơn. Kết quả của cách tiếp cận mới và sự trao đổi giữa hai bên được minh họa bên dưới:
Mặc dù đây là dự án lớn đầu tiên mà chúng tôi sử dụng IDEA StatiCa Connection, triết lý chung và các thực hành của phần mềm đã giúp chúng tôi nhanh chóng xử lý các liên kết phức tạp như vậy, mà thông thường chúng tôi sẽ thiết kế bằng tay. Trong IDEA StatiCa Connection, tất cả các liên kết này đều có thể giải quyết được, và thậm chí tốt hơn, không có xem xét đặc biệt nào cần phải quan tâm. Quy trình làm việc là chung cho dù hình học là gì.
Một điều quan trọng khác là các chi tiết liên kết hợp lý dẫn đến giảm chi phí chế tạo, và việc lắp ráp các dàn tương đối dễ dàng.
Vì vậy, dự án đã được coi là thành công cho tất cả các bên… và giai đoạn tiếp theo của công việc được thực hiện bởi cùng một nhóm... với những thách thức tương tự cho các kỹ sư vẽ chi tiết.
Alexander Bezas
Eur Ing, BEng Hons / MSc Kỹ sư Dân dụng
Kỹ sư Kết cấu Cao cấp tại Ellis and Moore Consulting Engineer