Thanh giằng dọc là một cấu kiện đáng tin cậy và được sử dụng rộng rãi trong kết cấu nhà thép. Nhờ các tính toán chính xác được cung cấp bởi mô phỏng của IDEA StatiCa Member, các kỹ sư hiện có thể giảm ước tính chiều dài oằn và tính đến ảnh hưởng của các liên kết lệch tâm đến hành vi tổng thể của thanh giằng.
Thông tin cơ bản về kết cấu
Nhà xưởng rộng 8,3 mét, dài 22,6 mét và cao 2,3 mét. Cấu kiện quan trọng cần phân tích là tiết diện SHS 50x50x3 mm được hàn vào IPE 180 trên bản mã nút lệch tâm.
Tính toán tay - khả năng chịu lực dọc trục và uốn
Để thực hiện phân tích nâng cao, điều quan trọng là phải tính toán tay và hiểu rõ hành vi của cấu kiện quan trọng. Tính toán tay được thực hiện theo EN 1993-1-1. Trong tính toán, lực dọc trục thiết kế và mô men uốn gây ra bởi độ lệch tâm của bản mã nút và trọng lượng bản thân được xem xét. Trọng lượng bản thân có ảnh hưởng nhỏ đến kiểm tra tiêu chuẩn và hệ số sử dụng. Trường hợp tải trọng này sẽ được bỏ qua trong phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.
Dựa trên phương pháp tính toán tay, rõ ràng là kiểm tra ổn định cấu kiện dưới tác dụng kết hợp của lực nén và uốn đã không đạt. Hệ số sử dụng là 145%.
Hạn chế của tính toán tay:
- Các giả định tính toán xem xét liên kết khớp và không xét đến độ cứng thực tế của các liên kết.
- Ước tính chiều dài tính toán dựa trên cấu tạo liên kết mà không xét đến độ cứng thực tế.
- Không có biểu diễn trực quan về hành vi của mô hình. Bạn phải tin tưởng hoàn toàn vào phương trình, đặc biệt là các hệ số mà bạn nhập vào.
- Vị trí nguy hiểm trên kết cấu có thể bị bỏ sót do các giả định được đưa ra.
- Các giả định ban đầu không chính xác của kỹ sư thiếu kinh nghiệm (trẻ) có thể dẫn đến sai sót nghiêm trọng.
- Việc xác định một số hệ số trong phương pháp tiêu chuẩn thiết kế khá phức tạp trong một số trường hợp, chủ yếu là các hệ số Cmy, Cmz và CmLT.
Mô hình chưa được gia cường
Dự án mới
Khởi động IDEA StatiCa-->Steel-->Member.
Vui lòng thực hiện các bước cần thiết để tạo mô hình cơ bản có thể được điều chỉnh và cải thiện thêm.
Thiết kế
Cấu kiện đỡ ngàm cứng
Để kích hoạt Rigid support member, chỉ cần chọn CON1 và CON2, sau đó chọn hộp kiểm trong lưới thuộc tính.
Bạn có thể quan sát cách Rigid support member được hiển thị trong khung cảnh. Bước tiếp theo là xóa tất cả tải trọng khỏi mô hình.
Tải trọng
Thanh giằng dọc được tải theo phương dọc trục. Lực nén thiết kế -38,7 kN được áp dụng tại đầu cấu kiện được phân tích.
Trọng lượng bản thân của kết cấu có ảnh hưởng nhỏ đến hành vi do trọng lượng nhẹ của cấu kiện. Tải trọng này được bỏ qua.
Điều kiện biên
Bản mã nút được hàn vào IPE 180. Để mô phỏng điều kiện biên tương tự, hãy đảm bảo bạn chọn rằng tất cả sáu bậc tự do đều bị ràng buộc cho CON1.
Giải phóng gối đỡ theo phương X cục bộ cho CON2 do tải trọng dọc trục được xác định trước trong tab Tải trọng.
Liên kết
Bây giờ là lúc tạo các liên kết. Chỉ cần chọn CON1 và Edit connection.
Edit CON1 và tạo liên kết. Chọn thao tác gia công Connecting plate và đặt các thông số.
Cửa sổ IDEA StatiCa Connection sẽ mở trong vài giây. Xây dựng liên kết từng bước bằng cách thêm thao tác cần thiết. Thêm thao tác gia công Connecting plate CPL1 và đặt các thông số như hình dưới đây.
Ở bước tiếp theo, điều chỉnh hình học của bản lưỡi và bản mã nút trong trình chỉnh sửa bản.
Bây giờ, bạn có thể đóng và lưu CON1.
CON1 đã được thiết lập. Bây giờ nhấp vào CON2 và sử dụng tính năng Recent connection để áp dụng cùng một liên kết cho CON2 và mở liên kết trong IDEA StatiCa Connection.
Thay đổi Alignment thành Rear do độ lệch tâm ngược chiều của bản mã nút trong nút liên kết CON2.
Mặt bằng nhìn từ trên xuống của mô hình hoàn chỉnh sẽ trông như thế này:
Kiểm tra
Phân tích phi tuyến vật liệu
Phân tích phi tuyến vật liệu (MNA) tính đến tính dẻo của vật liệu và cung cấp thông tin có giá trị về ứng suất tương đương và biến dạng dẻo của mô hình. Phân tích này không tập trung vào kiểm tra tiêu chuẩn của bu lông và mối hàn vì những thứ này phải được kiểm tra trong mô hình Connection riêng biệt.
Chuyển sang tab Check và chạy MNA.
Bạn có thể bật Equivalent stress và kiểm tra kết quả trường trên toàn bộ cấu kiện. Điểm ứng suất nguy hiểm được phát hiện tại chính liên kết.
Biến dạng cho thấy uốn gây ra bởi độ lệch tâm của các liên kết ở cả hai phía và các ứng suất bổ sung.
Phân tích oằn tuyến tính
Phân tích oằn là công cụ vô giá để dự đoán sự phá hoại kết cấu dưới tải trọng nén. Nó đánh giá ổn định và dự đoán khả năng chịu tải trọng tới hạn trước khi oằn hoặc sụp đổ. Phương pháp này rất cần thiết để đảm bảo tính toàn vẹn và an toàn của kết cấu.
Kết quả đầu ra từ phân tích:
- Hệ số alfa tới hạn
- Dạng oằn
Phân tích oằn tuyến tính (LBA) cung cấp một số kết quả quan trọng. Dạng oằn thứ nhất cho thấy mất ổn định thấp với hệ số 1,63 x Ned. Tuy nhiên, dạng oằn thứ hai, do tiết diện đối xứng vuông góc, đạt hệ số cao hơn là 1,90. Điều quan trọng là phải ghi nhớ sự tương tác lẫn nhau giữa các dạng oằn trong phân tích tiếp theo.
Để bắt đầu với Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu (GMNIA), trạng thái ban đầu phải được đặt là khuyết tật cục bộ. Theo EN 1993-1-1, Điều 5.3.2 (3), khuyết tật cục bộ phải được lựa chọn cẩn thận. Trước khi nhập các khuyết tật, cần hoán vị các tùy chọn với các dấu khác nhau để chọn ra các khuyết tật tới hạn (2). Chỉ những khuyết tật cho thấy hệ số sử dụng tới hạn mới được sử dụng cho phân tích cuối cùng (3). Điều quan trọng là phải cẩn thận khi lựa chọn các khuyết tật để đảm bảo phân tích chính xác và đáng tin cậy.
Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu
GMNIA là loại phân tích được sử dụng trong kỹ thuật để nghiên cứu hành vi của kết cấu dưới tải trọng cực hạn. Phân tích này tính đến cả phi tuyến hình học (thay đổi hình dạng) và phi tuyến vật liệu (thay đổi tính chất vật liệu) của kết cấu, cũng như bất kỳ khuyết tật ban đầu hoặc biến dạng nào có trong kết cấu. Bằng cách xem xét các yếu tố này, kỹ sư có thể hiểu rõ hơn về cách kết cấu sẽ hoạt động dưới tải trọng và đưa ra quyết định sáng suốt về thiết kế và an toàn của nó.
Phân tích tìm kiếm trạng thái cân bằng trong mỗi bước gia tải bằng cách sử dụng hình dạng biến dạng ban đầu từ khuyết tật của LBA. Nếu không tìm được trạng thái cân bằng, quá trình tính toán sẽ dừng lại.
- Phi tuyến vật liệu xảy ra khi vật liệu không còn có thể biến dạng đàn hồi và bắt đầu chảy dẻo, gây ra sự thay đổi trong hành vi của nó.
- Vấn đề ổn định phát sinh khi kết cấu không thể thực hiện thêm các bước lặp do thiếu cân bằng và điểm phân nhánh đã đạt được.
Chạy GMNIA. Kết quả chứng minh rằng cấu kiện đã mất ổn định. Quá trình tính toán dừng lại thay vì đạt đến tiềm năng dẻo.
Biến dạng
Kết luận cho phần chưa được gia cường
Kết quả phân tích xác nhận các giả định ban đầu được thực hiện trong quá trình tính toán tay. Tính toán tay cho thấy hệ số sử dụng là 145%, khá cao. Tuy nhiên, quá trình tính toán đã dừng lại ở 91,4% bởi GMNIA do vấn đề ổn định. Đáng chú ý là tiềm năng dẻo chưa được đạt đến. So với các giả định của chúng ta, giá trị hệ số sử dụng của GMNIA là 1/0,914 = 109%.
Để đảm bảo ổn định, nên gia cường mô hình. Do khó khăn trong việc thay thế các cấu kiện trong nhà xưởng hiện tại, trọng tâm sẽ là gia cường chúng. IDEA StatiCa Member sẽ đề cập đến quá trình gia cường các cấu kiện.
Mô hình có gia cường
Tiết diện hiện có sẽ được gia cường bằng một tiết diện khác được liên kết bằng bu lông.
Sao chép dự án hiện có
Cách dễ nhất để bắt đầu là nhân đôi mô hình hiện tại, bao gồm tất cả các vật liệu, quy trình gia công và sơ đồ tĩnh học đã được thiết lập trước.
Dự án mới
Khởi động IDEA StatiCa-->Steel-->Member và Open mô hình đã được sao chép.
Thiết kế
Chỉnh sửa cấu kiện được phân tích AM1(1). Xác định New Section(2)-->vào General Section Designer(3)
-->Import tiết diện được xác định trước (4)-->Chọn General_Section.ideaGcss(5).
Đây là mẫu của tiết diện tổng quát được xác định trước. Tiết diện ban đầu đã được gia cường bằng tiết diện CFomega.
Mô hình dưới đây cho thấy kết cấu đã được tạo. Tuy nhiên, một cảnh báo quan trọng là cấu kiện bao gồm các tiết diện thép tạo hình nguội không thể hàn được, có nghĩa là tiết diện không thể được liên kết và tính toàn vẹn không được đảm bảo.
Các tiết diện hoạt động độc lập.
Trước khi chỉnh sửa cấu kiện, hãy tạo một bộ bu lông do người dùng định nghĩa cho bu lông M6, vốn không có trong thư viện tiêu chuẩn. Vào Materials-->Bolt assembly-->Edit the parameters according to the table below-->Save as Hilti M6.
Thêm một Intermediate node để kết nối hai tiết diện độc lập bằng bu lông, với Absolute positions được đặt cách 1,5 m từ đầu cấu kiện. Edit CON3.
Liên kết
CON3 cho phép người dùng tạo liên kết bu lông dọc theo toàn bộ chiều dài dầm. Chọn thao tác Fastener grid or Contact của nhà sản xuất.
Nhập các thuộc tính và bố trí bu lông theo khuyến nghị dưới đây:
Đây là hình dạng của mô hình trong ứng dụng Member.
Kiểm tra
Phân tích phi tuyến vật liệu
Chuyển sang tab Check và Chạy MNA. Phân tích sẽ cho bạn thấy các vùng trải qua tính dẻo và chịu ứng suất lớn nhất.
Biến dạng chứng minh rằng cấu kiện đang làm việc cùng nhau nhờ liên kết bu lông.
Phân tích oằn tuyến tính
Khởi động tính toán Phân tích oằn tuyến tính. Dạng oằn thứ nhất đã thay đổi do gia cường tiết diện, đây là dạng uốn thuần túy theo phương thẳng đứng. Hệ số oằn đã tăng lên.
Trong dạng oằn thứ hai, có sự xuất hiện đồng thời của uốn ngang và biến dạng tiết diện ở cả hai đầu dầm.
Vì các hệ số oằn gần nhau, việc tạo ra sự tương tác giữa các dạng oằn đảm bảo nắm bắt được tất cả các biến dạng có thể xảy ra dưới áp lực. Cần bốn tổ hợp khuyết tật để tạo ra sự tương tác lẫn nhau giữa hai dạng oằn.
Cách thực tế để xác định các tổ hợp dạng oằn tới hạn là bằng cách tải quá mức mô hình. Điều này sẽ tiết lộ các dấu hiệu như biến dạng dẻo, biến dạng hình học, hoặc các tính toán GMNIA chưa hoàn thành (phương pháp cho mô hình chưa được gia cường).
Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu
Sau khi lựa chọn cẩn thận các khuyết tật và chạy GMNIA, điểm nguy hiểm tại liên kết đã được xác định thông qua ứng suất tương đương. Đây là bằng chứng tốt về thiết kế khi báo cáo rằng phân tích đã đạt 100% hoàn thành mà không có vấn đề ổn định nào, đảm bảo an toàn cho cấu kiện và tất cả các bộ phận của nó.
Dựa trên phi tuyến hình học và hình dạng khuyết tật từ bước phân tích trước, bạn có thể quan sát sự phát triển của độ võng bậc hai.
Báo cáo
Nhấp vào tab Report để tự động tạo tóm tắt các bước phân tích và kiểm tra tiêu chuẩn của bạn, có thể được lưu dưới dạng tệp PDF hoặc Word.
Tóm tắt
Hướng dẫn này nhằm cung cấp cho người đọc sự hiểu biết toàn diện về quá trình đánh giá kết cấu, chẳng hạn như thanh giằng dọc, sử dụng cả tính toán tay và phân tích phần tử hữu hạn. Sự so sánh giữa kiểm tra tiêu chuẩn bằng tính toán tay và phân tích nâng cao bằng phần tử hữu hạn sẽ giúp người đọc đưa ra quyết định sáng suốt và có được những hiểu biết có giá trị về sự khác biệt giữa hai phương pháp.
Những điểm rút ra:
- Tính toán tay là công cụ tuyệt vời cho thiết kế sơ bộ.
- Ước tính chiều dài tính toán dựa trên hình thức của các liên kết, mà không xét đến độ cứng thực tế.
- Các giả định ban đầu của bạn đã được xác nhận thông qua phân tích phần tử hữu hạn nâng cao, và chức năng của mô hình được biểu diễn trực quan.
- Việc bỏ qua độ cứng nút liên kết, độ lệch tâm và việc suy dẫn tiêu chuẩn phức tạp có thể dẫn đến sai sót và kết quả gây hiểu nhầm.
Bắt đầu dùng thử ngay hôm nay và tận hưởng 14 ngày truy cập đầy đủ cùng các dịch vụ miễn phí.
Bắt đầu dùng thử miễn phí