Giới thiệu chung về thiết kế kết cấu liên kết thép

Giới thiệu

Các cấu kiện dầm được các kỹ sư ưu tiên sử dụng khi thiết kế kết cấu thép. Tuy nhiên, có nhiều vị trí trên kết cấu mà lý thuyết cấu kiện không còn hiệu lực, ví dụ: nút hàn, liên kết bu lông, móng, lỗ trên tường, chiều cao tiết diện thay đổi và tải trọng tập trung. Phân tích kết cấu tại các vị trí như vậy rất phức tạp và đòi hỏi sự chú ý đặc biệt. Ứng xử là phi tuyến và các phi tuyến phải được xem xét, ví dụ: chảy dẻo vật liệu của bản thép, tiếp xúc giữa bản đầu dầm hoặc bản mã chân cột và khối bê tông, tác động một chiều của bu lông và neo, mối hàn. Các tiêu chuẩn thiết kế, ví dụ EN1993-1-8, cũng như tài liệu kỹ thuật cung cấp các phương pháp giải kỹ thuật. Đặc điểm chung của chúng là được xây dựng cho các hình dạng kết cấu điển hình và tải trọng đơn giản. Phương pháp cấu kiện được sử dụng rất phổ biến.

Phương pháp cấu kiện

Phương pháp cấu kiện (CM) giải quyết nút liên kết như một hệ thống các phần tử liên kết với nhau – các cấu kiện. Mô hình tương ứng được xây dựng cho từng loại nút liên kết để có thể xác định lực và ứng suất trong từng cấu kiện – xem hình dưới đây.

Các cấu kiện của nút liên kết với bản đầu dầm bu lông được mô hình hóa bằng lò xo

Mỗi cấu kiện được kiểm tra riêng biệt bằng các công thức tương ứng. Do phải tạo mô hình phù hợp cho từng loại nút liên kết, phương pháp này có giới hạn khi giải quyết các nút liên kết có hình dạng tổng quát và tải trọng tổng quát.

IDEA StatiCa cùng với nhóm dự án của Bộ môn Kết cấu Thép và Gỗ thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng tại Praha và Viện Kết cấu Kim loại và Gỗ thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng của Đại học Công nghệ Brno đã phát triển một phương pháp thiết kế nâng cao cho các nút liên kết kết cấu thép.

Mô hình phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) là phương pháp:

• Tổng quát đủ để áp dụng cho hầu hết các nút liên kết, móng và chi tiết trong thực hành kỹ thuật.
• Đơn giản và nhanh chóng đủ trong thực hành hàng ngày để cho kết quả trong thời gian tương đương với các phương pháp và công cụ hiện tại.
• Toàn diện đủ để cung cấp cho kỹ sư kết cấu thông tin rõ ràng về ứng xử của nút liên kết, ứng suất, biến dạng và dự trữ của từng cấu kiện cũng như về độ an toàn và độ tin cậy tổng thể.

Phương pháp CBFEM dựa trên ý tưởng rằng hầu hết các phần đã được kiểm chứng và hữu ích của CM nên được giữ lại. Điểm yếu của CM – tính tổng quát khi phân tích ứng suất của từng cấu kiện – được thay thế bằng mô hình hóa và phân tích sử dụng Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

FEM là phương pháp tổng quát thường được sử dụng để phân tích kết cấu. Việc sử dụng FEM để mô hình hóa các nút liên kết có hình dạng bất kỳ có vẻ là lý tưởng (Virdi, 1999). Phân tích đàn hồi-dẻo là cần thiết vì thép thường chảy dẻo trong kết cấu. Trên thực tế, kết quả của phân tích tuyến tính không có giá trị sử dụng cho thiết kế nút liên kết.

Các mô hình FEM được sử dụng cho mục đích nghiên cứu ứng xử nút liên kết, thường áp dụng các phần tử không gian và các giá trị đo được của tính chất vật liệu.

Mô hình FEM của nút liên kết dùng cho nghiên cứu. Sử dụng các phần tử không gian 3D cho cả bản thép và bu lông

Cả bụng dầm và cánh dầm của các cấu kiện được liên kết đều được mô hình hóa bằng các phần tử vỏ trong mô hình CBFEM, với giải pháp đã biết và đã được kiểm chứng.

Các phần tử liên kết – bu lông và mối hàn – là phức tạp nhất từ góc độ mô hình phân tích. Việc mô hình hóa các phần tử này trong các chương trình FEM thông thường gặp khó khăn vì các chương trình không cung cấp các tính chất cần thiết. Do đó, các cấu kiện FEM đặc biệt phải được phát triển để mô hình hóa ứng xử của mối hàn và bu lông trong nút liên kết.

Mô hình CBFEM của liên kết bu lông bằng bản đầu dầm

Các nút liên kết của cấu kiện được mô hình hóa là các điểm không có khối lượng khi phân tích kết cấu khung thép hoặc dầm. Các phương trình cân bằng được lập tại các nút liên kết và nội lực tại các đầu dầm được xác định sau khi giải toàn bộ kết cấu. Trên thực tế, nút liên kết chịu tải bởi các lực đó. Hợp lực từ tất cả các cấu kiện tại nút liên kết bằng không – toàn bộ nút liên kết ở trạng thái cân bằng.

Hình dạng thực của nút liên kết không được biết trong mô hình kết cấu. Kỹ sư chỉ xác định liệu nút liên kết được giả định là ngàm cứng hay khớp.

Cần tạo một mô hình nút liên kết đáng tin cậy, phản ánh trạng thái thực tế, để thiết kế nút liên kết đúng cách. Các đầu cấu kiện với chiều dài bằng 2-3 lần chiều cao tiết diện lớn nhất được sử dụng trong phương pháp CBFEM. Các đoạn này được mô hình hóa bằng các phần tử vỏ.

Nút liên kết lý thuyết (không có khối lượng) và hình dạng thực của nút liên kết không có đầu cấu kiện được điều chỉnh

Để tăng độ chính xác của mô hình CBFEM, lực đầu mút trên các cấu kiện 1D được áp dụng như tải trọng tại các đầu đoạn. Bộ sáu lực từ nút liên kết lý thuyết được chuyển đến đầu đoạn – giá trị lực được giữ nguyên, nhưng mô men được điều chỉnh theo tác động của lực trên các cánh tay đòn tương ứng.

Các đầu đoạn tại nút liên kết không được kết nối với nhau. Liên kết phải được mô hình hóa. Các thao tác gia công được sử dụng trong phương pháp CBFEM để mô hình hóa liên kết. Các thao tác gia công bao gồm đặc biệt: cắt, dịch chuyển, lỗ, sườn tăng cứng, rib, bản đầu dầm và mối nối, bản góc, bản mã nút và các thao tác khác. Các phần tử liên kết (mối hàn và bu lông) cũng được thêm vào.

IDEA StatiCa Connection có thể thực hiện hai loại phân tích:

1. Phân tích tuyến tính hình học với phi tuyến vật liệu và tiếp xúc để phân tích ứng suất và biến dạng,
2. Phân tích giá trị riêng để xác định khả năng oằn.

Trong trường hợp các liên kết, phân tích phi tuyến hình học thường không cần thiết trừ khi các bản thép rất mảnh. Độ mảnh của bản thép có thể được xác định bằng phân tích giá trị riêng (oằn). Đối với giới hạn độ mảnh mà phân tích tuyến tính hình học vẫn đủ, xem Chương 3.9. Phân tích phi tuyến hình học không được triển khai trong phần mềm.