IDEA StatiCa Connection – 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.

Các biểu đồ vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong mô hình phần tử hữu hạn của thép kết cấu là mô hình dẻo lý tưởng hoặc đàn hồi có tăng bền biến dạng và biểu đồ ứng suất - biến dạng thực. Biểu đồ ứng suất - biến dạng thực được tính từ các tính chất vật liệu của thép mềm ở nhiệt độ môi trường xung quanh thu được trong thí nghiệm kéo. Ứng suất và biến dạng thực có thể được xác định như sau:

\[ \sigma_{true}=\sigma (1 + \varepsilon) \]

\[ \varepsilon_{true}=\ln (1 + \varepsilon) \]

trong đó σ_true là ứng suất thực, ε_true là biến dạng thực, σ là ứng suất danh nghĩa, và ε là biến dạng danh nghĩa.

Các bản thép trong IDEA StatiCa Connection được mô hình hóa với vật liệu đàn hồi - dẻo có độ dốc vùng chảy danh nghĩa theo EN1993-1-5, Điều C.6, (2), tan^-1 (E/1000). Ứng xử vật liệu dựa trên tiêu chí chảy von Mises. Vật liệu được giả định là đàn hồi trước khi đạt đến cường độ chảy thiết kế, f_yd.

Tiêu chí trạng thái giới hạn cực hạn cho các vùng không nhạy cảm với oằn là đạt đến giá trị giới hạn của biến dạng chính màng. Giá trị 5 % được khuyến nghị (ví dụ: EN1993-1-5, Phụ lục C, Điều C.8, Chú thích 1).

Biểu đồ vật liệu của thép trong các mô hình số

Giá trị giới hạn của biến dạng dẻo thường được thảo luận. Trên thực tế, tải trọng cực hạn có độ nhạy thấp với giá trị giới hạn của biến dạng dẻo khi sử dụng mô hình dẻo lý tưởng. Điều này được minh họa trong ví dụ sau về nút liên kết dầm - cột. Dầm tiết diện hở IPE 180 được liên kết với cột tiết diện hở HEB 300 và chịu mô men uốn. Ảnh hưởng của giá trị giới hạn biến dạng dẻo đến khả năng chịu lực của dầm được thể hiện trong hình dưới đây. Biến dạng dẻo giới hạn thay đổi từ 2 % đến 8 %, nhưng sự thay đổi về khả năng chịu mô men nhỏ hơn 4 %.

Ví dụ về dự đoán trạng thái giới hạn cực hạn của nút liên kết dầm - cột

Ảnh hưởng của giá trị giới hạn biến dạng dẻo đến khả năng chịu mô men

Tăng số lượng phần tử cho kết quả chính xác hơn nhưng đòi hỏi chi phí tính toán cao hơn.

Mô hình bản

Phần tử vỏ được khuyến nghị sử dụng để mô hình hóa các bản trong phân tích phần tử hữu hạn của liên kết kết cấu. Phần tử vỏ tứ giác 4 nút với các nút tại góc được áp dụng. Sáu bậc tự do được xét tại mỗi nút: 3 chuyển vị (u_x, u_y, u_z) và 3 góc xoay (φ_x, φ_y, φ_z). Biến dạng của phần tử được phân chia thành thành phần màng và thành phần uốn.

Công thức mô tả ứng xử màng dựa trên công trình của Ibrahimbegovic (1990). Góc xoay vuông góc với mặt phẳng phần tử được xét đến. Công thức 3D đầy đủ của phần tử được cung cấp. Biến dạng cắt ngoài mặt phẳng được xét trong công thức mô tả ứng xử uốn của phần tử dựa trên giả thuyết Mindlin. Biến thể ổn định nội bộ của phần tử tấm tứ giác Mindlin với biến dạng cắt không đổi dọc theo cạnh được áp dụng. Các phần tử được lấy cảm hứng từ phần tử MITC4; xem Dvorkin (1984). Vỏ được chia thành năm lớp tích phân theo chiều dày bản tại mỗi điểm tích phân và ứng xử dẻo được phân tích tại mỗi điểm. Phương pháp này được gọi là tích phân Gauss–Lobatto. Giai đoạn đàn hồi - dẻo phi tuyến của vật liệu được phân tích tại mỗi lớp dựa trên các biến dạng đã biết. Chỉ hiển thị ứng suất và biến dạng lớn nhất trong tất cả các lớp.

Hội tụ lưới

Có một số tiêu chí để tạo lưới trong mô hình liên kết. Việc kiểm tra tiêu chuẩn liên kết phải độc lập với kích thước phần tử. Việc tạo lưới trên một bản riêng lẻ không gặp vấn đề gì. Cần chú ý đến các hình học phức tạp như tấm có sườn tăng cứng, T-stub và bản mã chân cột. Phân tích độ nhạy xét đến rời rạc hóa lưới nên được thực hiện đối với các hình học phức tạp.

Tất cả các bản của tiết diện dầm có phân chia phần tử chung. Kích thước phần tử hữu hạn được tạo ra bị giới hạn. Kích thước phần tử tối thiểu được đặt là 10 mm và kích thước phần tử tối đa là 50 mm (có thể đặt trong Cài đặt tiêu chuẩn). Lưới trên cánh và bụng dầm độc lập với nhau. Số lượng phần tử hữu hạn mặc định được đặt là 8 phần tử trên chiều cao tiết diện như thể hiện trong hình dưới đây. Người dùng có thể thay đổi các giá trị mặc định trong Cài đặt tiêu chuẩn.

Lưới trên dầm với các ràng buộc giữa bản bụng và bản cánh

Lưới của các bản mã đầu dầm là riêng biệt và độc lập với các bộ phận liên kết khác. Kích thước phần tử hữu hạn mặc định được đặt là 16 phần tử trên chiều cao tiết diện như thể hiện trong hình.

Lưới trên bản mã đầu dầm với 7 phần tử theo chiều rộng

Ví dụ sau đây về nút liên kết dầm - cột cho thấy ảnh hưởng của kích thước lưới đến khả năng chịu mô men. Dầm tiết diện hở IPE 220 được liên kết với cột tiết diện hở HEA 200 và chịu mô men uốn như thể hiện trong hình dưới đây. Cấu kiện tới hạn là bản bụng cột chịu cắt. Số lượng phần tử hữu hạn theo chiều cao tiết diện thay đổi từ 4 đến 40 và các kết quả được so sánh. Các đường nét đứt biểu thị sự chênh lệch 5%, 10% và 15%. Khuyến nghị chia chiều cao tiết diện thành 8 phần tử.

Mô hình nút liên kết dầm - cột và biến dạng dẻo tại trạng thái giới hạn cực hạn

Ảnh hưởng của số lượng phần tử đến khả năng chịu mô men

Nghiên cứu độ nhạy lưới của sườn tăng cứng mảnh chịu nén trong bản bụng cột được trình bày. Số lượng phần tử theo chiều rộng sườn tăng cứng thay đổi từ 4 đến 20. Dạng oằn thứ nhất và ảnh hưởng của số lượng phần tử đến khả năng chịu oằn và tải trọng tới hạn được thể hiện trong hình dưới đây. Sự chênh lệch 5% và 10% được hiển thị. Khuyến nghị sử dụng 8 phần tử theo chiều rộng sườn tăng cứng.

Dạng oằn thứ nhất và ảnh hưởng của số lượng phần tử dọc theo sườn tăng cứng đến khả năng chịu mô men

Nghiên cứu độ nhạy lưới của T-stub chịu kéo được trình bày. Một nửa chiều rộng cánh được chia thành 8 đến 40 phần tử, và kích thước phần tử tối thiểu được đặt là 1 mm. Ảnh hưởng của số lượng phần tử đến khả năng chịu lực của T-stub được thể hiện trong hình dưới đây. Các đường nét đứt biểu thị sự chênh lệch 5%, 10% và 15%. Khuyến nghị sử dụng 16 phần tử trên một nửa chiều rộng cánh.

Ảnh hưởng của số lượng phần tử đến khả năng chịu lực của T-stub

Phương pháp phạt tiêu chuẩn được khuyến nghị để mô hình hóa tiếp xúc giữa các bản thép. Nếu phát hiện nút xâm nhập vào bề mặt tiếp xúc đối diện, độ cứng phạt sẽ được thêm vào giữa nút và bản đối diện. Độ cứng phạt được kiểm soát bởi thuật toán heuristic trong quá trình lặp phi tuyến để đạt được sự hội tụ tốt hơn. Bộ giải tự động phát hiện điểm xâm nhập và giải phân bố lực tiếp xúc giữa nút bị xâm nhập và các nút trên bản đối diện. Điều này cho phép tạo tiếp xúc giữa các lưới khác nhau, như minh họa. Ưu điểm của phương pháp phạt là tự động lắp ráp mô hình. Tiếp xúc giữa các bản thép có tác động lớn đến sự phân phối lại lực trong liên kết.

Ví dụ về sự tách rời của các bản thép tiếp xúc giữa bụng và cánh của hai xà gồ tiết diện Z chồng lên nhau

Có thể thêm tiếp xúc giữa

• hai bề mặt,
• hai cạnh,
• cạnh và bề mặt.

Ví dụ về tiếp xúc cạnh-cạnh giữa bản đỡ và bản mã đầu dầm

Ví dụ về tiếp xúc cạnh-bề mặt giữa cánh dưới của dầm và cánh cột

Có thể trực quan hóa ứng suất tại các vị trí tiếp xúc, và các giá trị được hiển thị trong bảng kiểm tra của các bản thép. Tuy nhiên, ứng suất tiếp xúc chỉ mang tính tham khảo và không được sử dụng trong bất kỳ kiểm tra nào. Ngoài ra, ứng suất theo chiều dày của các phần tử vỏ không được xét đến. 

Có một số phương án để xử lý mối hàn trong các mô hình số. Biến dạng lớn làm cho phân tích cơ học trở nên phức tạp hơn, và có thể sử dụng các mô tả lưới khác nhau, các biến động học và vận động học khác nhau, cũng như các mô hình cấu thành. Các loại mô hình hình học 2D và 3D khác nhau và do đó các phần tử hữu hạn với khả năng áp dụng cho các mức độ chính xác khác nhau thường được sử dụng. Mô hình vật liệu được sử dụng phổ biến nhất là mô hình dẻo độc lập với tốc độ biến dạng dựa trên tiêu chí chảy von Mises. Hai phương pháp được sử dụng cho mối hàn được mô tả dưới đây. Ứng suất dư và biến dạng do hàn không được giả định trong mô hình thiết kế.

Tải trọng được truyền qua các ràng buộc lực - biến dạng dựa trên công thức Lagrange đến tấm đối diện. Liên kết được gọi là ràng buộc đa điểm (MPC) và liên hệ các nút phần tử hữu hạn của một cạnh tấm với cạnh tấm khác. Các nút phần tử hữu hạn không được kết nối trực tiếp. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng kết nối các lưới với mật độ khác nhau. Ràng buộc cho phép mô hình hóa bề mặt đường trung tâm của các tấm được kết nối với độ lệch, phản ánh cấu hình mối hàn thực tế và chiều dày cổ hàn. Phân bố tải trọng trong mối hàn được suy ra từ MPC, do đó ứng suất được tính toán tại tiết diện cổ hàn. Điều này quan trọng đối với phân bố ứng suất trong tấm bên dưới mối hàn và để mô hình hóa các T-stub.

Phân phối lại ứng suất dẻo trong mối hàn

Mô hình chỉ sử dụng ràng buộc đa điểm không phản ánh độ cứng của mối hàn, và phân bố ứng suất mang tính bảo thủ. Các đỉnh ứng suất xuất hiện ở cuối các cạnh tấm, tại các góc và đường cong, chi phối sức kháng dọc theo toàn bộ chiều dài mối hàn. Để loại bỏ ảnh hưởng này, một phần tử đàn hồi - dẻo đặc biệt được thêm vào giữa các tấm. Phần tử này phản ánh chiều dày cổ hàn, vị trí và hướng của mối hàn. Khối hàn tương đương được chèn vào với các kích thước mối hàn tương ứng. Phân tích vật liệu phi tuyến được áp dụng, và ứng xử đàn hồi - dẻo trong khối hàn tương đương được xác định. Trạng thái dẻo được kiểm soát bởi ứng suất tại tiết diện cổ hàn. Các đỉnh ứng suất được phân phối lại dọc theo phần dài hơn của chiều dài mối hàn.

Mô hình đàn hồi - dẻo của mối hàn cho giá trị ứng suất thực tế, và không cần phải lấy trung bình hoặc nội suy ứng suất. Các giá trị tính toán tại phần tử mối hàn chịu ứng suất lớn nhất được sử dụng trực tiếp để kiểm tra tiêu chuẩn thành phần mối hàn. Theo cách này, không cần giảm sức kháng của mối hàn đa hướng, mối hàn vào cánh không có sườn tăng cứng, hoặc mối hàn dài.

Ràng buộc giữa phần tử mối hàn và các nút lưới

Mối hàn tổng quát, khi sử dụng phân phối lại dẻo, có thể được đặt là liên tục, một phần và gián đoạn. Mối hàn liên tục trải dài toàn bộ chiều dài cạnh, mối hàn một phần cho phép người dùng đặt khoảng cách lùi từ cả hai phía của cạnh, và mối hàn gián đoạn có thể được đặt thêm với chiều dài và khoảng hở xác định.

Bu lông

Trong CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), bu lông với ứng xử chịu kéo, chịu cắt và chịu ép mặt được mô tả như một cấu kiện bằng các lò xo phi tuyến phụ thuộc. Cụm bu lông gồm bu lông, bản đệm và đai ốc được mô phỏng bằng lò xo phi tuyến, các phần tử vật rắn cứng và phần tử khe hở.

Bu lông chịu kéo

Bu lông chịu kéo được mô tả bằng lò xo với độ cứng dọc trục ban đầu, khả năng chịu lực thiết kế, điểm khởi đầu chảy dẻo và khả năng biến dạng. Độ cứng dọc trục ban đầu được xác định theo phân tích giải tích trong hướng dẫn VDI2230 và Agerskov (1976).

\[D_{Lb} =\frac{L_s+0.4d_b}{EA_{s}}+ \frac{0.85d_b}{EA_{t}}\]

\[A_{pp}=\frac{0.75D_H(L_w-D_H)}{D_{W1}^2-D_{W2}^2}\]

\[A_{P1}=\frac{\pi}{4}(D_H^2-D_{W1}^2)\]

\[A_{P2}=\frac{1}{2}(D_{W2}^2-D_H^2)\tan^{-1}A_{pp}\]

\[A_P=A_{P1}+A_{P2}\]

\[D_{LW}=\frac{L_W}{EA_P}\]

\[k=\frac{1}{D_{LB}+D_{LW}}\]

trong đó:

• \(d_b\) – đường kính bu lông
• \(D_H\) – đường kính đầu bu lông
• \(D_{W1}\) – đường kính trong của bản đệm
• \(D_{W2}\) – đường kính ngoài của bản đệm
• \(L_W\) – tổng chiều dày các bản đệm
• \(L_s\) – chiều dài kẹp của bu lông
• \(A_{s}\) – diện tích mặt cắt ngang toàn phần của bu lông
• \(A_{t}\) – diện tích mặt cắt chịu kéo của bu lông
• \(E\) – mô đun đàn hồi Young

Mô hình phù hợp với dữ liệu thực nghiệm; xem Gödrich et al. (2014). Đối với điểm khởi đầu chảy dẻo và khả năng biến dạng, giả thiết rằng biến dạng dẻo chỉ xảy ra ở phần có ren của thân bu lông.

Biểu đồ lực - biến dạng cho ép mặt của bản thép

Biểu đồ lực - biến dạng được xây dựng theo các phương trình sau:

Độ cứng dẻo:

\[ k_t = c_1 k \]

Lực tại giới hạn đàn hồi:

\[ F_{t,el} = \frac{F_{t,Rd}}{c_1 c_2 - c_1 +1} \]

Biến dạng tại giới hạn đàn hồi:

\[ u_{el} = \frac{ F_{t,el} }{k} \]

Biến dạng tại giới hạn dẻo:

\[ u_{t,Rd} = c_2 u_{el} \]

\[ c_1 = \frac{f_{ub} - f_{yb}}{\frac{1}{4} A E - f_{yb}} \]

\[ c_2 = \frac{AE}{4 f_{yb}} \]

trong đó:

• \(F_{t,Rd}\) – giá trị thiết kế khả năng chịu kéo của bu lông
• \(f_{yb}\) – giới hạn chảy của bu lông
• \(f_{ub}\) – cường độ chịu kéo cực hạn của bu lông
• \(A\) – độ giãn dài sau khi đứt

Bu lông chịu cắt

Chỉ có lực nén được truyền từ thân bu lông sang bản thép tại lỗ bu lông. Điều này được mô hình hóa bằng các liên kết nội suy giữa các nút trên thân bu lông và các nút trên mép lỗ. Độ cứng biến dạng của phần tử vỏ mô phỏng bản thép phân phối lực giữa các bu lông và mô phỏng ép mặt thực tế của bản thép.

Lỗ bu lông được xét là lỗ tiêu chuẩn (mặc định) hoặc lỗ dài (có thể thiết lập trong trình chỉnh sửa bản thép). Bu lông trong lỗ tiêu chuẩn có thể truyền lực cắt theo mọi phương; bu lông trong lỗ dài bị loại trừ một phương và có thể dịch chuyển tự do theo phương đó.

Độ cứng ban đầu và khả năng chịu lực thiết kế của bu lông chịu cắt được xác định theo các công thức sau:

\[k_{el}=\frac{1}{\frac{1}{k_{11}}+\frac{1}{k_{12}}}\]

\[k_{11} = \frac{8d_b^2f_{ub}}{d_{M16}}\]

\[k_{12}=12k_td_bf_{up}\]

\[k_t=\min \left ( 2.5,\, \frac{1.5t_{min}}{d_{M16}} \right ) \]

\[k_{pl}=\frac{k_{el}}{1000}\]

trong đó:

• \(d_b\) – đường kính bu lông
• \(f_{ub}\) – cường độ chịu kéo cực hạn của bu lông
• \(d_{M16}=16 \textrm{ mm}\) – đường kính bu lông tham chiếu M16
• \(f_{up}\) – cường độ chịu kéo cực hạn của bản thép được liên kết
• \(t_{min}\) – chiều dày tối thiểu của bản thép được liên kết 

Lò xo đại diện cho bu lông chịu cắt có ứng xử lực - biến dạng hai đường tuyến tính. Điểm khởi đầu chảy dẻo được xác định tại:

\[F_{V,el}=0.999 F_{V,Rd}\]

Khả năng biến dạng được xét là:

\[\delta_{pl}=\delta_{el}\]

trong đó:

• \(F_{V,el}\) – khả năng chịu cắt đàn hồi của bu lông
• \(F_{V,Rd}\) – khả năng chịu cắt của bu lông
• \(\delta_{el}\) – biến dạng đàn hồi của bu lông chịu cắt

Tương tác giữa kéo và cắt

Tương tác giữa lực dọc trục và lực cắt có thể được đưa trực tiếp vào mô hình phân tích. Sự phân phối lực phản ánh thực tế tốt hơn (xem biểu đồ kèm theo). Các bu lông chịu lực kéo lớn sẽ chịu lực cắt nhỏ hơn và ngược lại.

Ví dụ về tương tác giữa lực dọc trục và lực cắt (EC)

Bu lông siết trước

Bu lông siết trước được sử dụng trong các trường hợp cần giảm thiểu biến dạng. Mô hình chịu kéo của bu lông tương tự như bu lông tiêu chuẩn. Lực cắt không được truyền qua ép mặt mà qua ma sát giữa các bản thép được kẹp.

Khả năng chịu trượt thiết kế của bu lông siết trước bị ảnh hưởng bởi lực kéo tác dụng.

IDEA StatiCa Connection kiểm tra trạng thái giới hạn trước khi trượt của bu lông siết trước. Nếu xảy ra hiện tượng trượt, bu lông không thỏa mãn kiểm tra. Khi đó, trạng thái giới hạn sau khi trượt cần được kiểm tra như kiểm tra ép mặt tiêu chuẩn của bu lông, trong đó lỗ bu lông chịu ép mặt và bu lông chịu cắt.

Người dùng có thể quyết định trạng thái giới hạn nào sẽ được kiểm tra: hoặc là khả năng chống trượt lớn, hoặc là trạng thái sau khi trượt theo lực cắt của bu lông. Cả hai kiểm tra trên cùng một bu lông không được kết hợp trong một bài toán. Giả thiết rằng bu lông có ứng xử tiêu chuẩn sau khi trượt lớn và có thể được kiểm tra theo quy trình ép mặt tiêu chuẩn.

Tải trọng mô men của liên kết có ảnh hưởng nhỏ đến khả năng chịu cắt. Tuy nhiên, kiểm tra ma sát trên từng bu lông được giải quyết riêng lẻ một cách đơn giản. Kiểm tra này được thực hiện trong cấu kiện phần tử hữu hạn của bu lông. Không có thông tin tổng quát về việc lực kéo ngoài tác dụng lên từng bu lông là do mô men uốn hay do lực kéo của liên kết.

Phân bố ứng suất trong liên kết bu lông chịu cắt tiêu chuẩn

Phân bố ứng suất trong liên kết bu lông chịu cắt chống trượt

Neo bu lông được mô hình hóa theo quy trình tương tự như bu lông kết cấu. Bu lông được cố định ở một phía của khối bê tông. Chiều dài L_b, dùng để tính độ cứng của bu lông, được lấy bằng tổng của nửa chiều dày đai ốc, chiều dày vòng đệm t_w, chiều dày bản mã chân cột t_bp, chiều dày vữa lấp hoặc khe hở t_g, và chiều dài tự do ngàm trong bê tông được lấy bằng 8d, trong đó d là đường kính bu lông. Hệ số 8 có thể chỉnh sửa trong phần Cài đặt tiêu chuẩn. Giá trị này phù hợp với Phương pháp cấu kiện (EN1993-1-8); chiều dài tự do ngàm trong bê tông có thể được điều chỉnh trong Cài đặt tiêu chuẩn. Độ cứng chịu kéo được tính theo công thức k = E A_s / L_b. Biểu đồ tải trọng - biến dạng của neo bu lông được thể hiện trong hình dưới đây. Các giá trị theo ISO 898:2009 được tổng hợp trong bảng và các công thức bên dưới.

Biểu đồ tải trọng – biến dạng của neo bu lông

\[ F_{t,el}=\frac{F_{t,Rd}}{c_1 c_2 - c_1 + 1} \]

\[ k_t = c_1 k; \qquad c_1 = \frac{R_m - R_e}{\left ( \frac{1}{4} A - \frac{R_e}{E} \right )E} \]

\[ u_{el} = \frac{F_{t,el}}{k}; \qquad u_{t,Rd} = c_2 u_{el}; \qquad c_2 = \frac{AE}{4R_e} \]

trong đó:

• A – độ giãn dài
• E – mô đun đàn hồi Young
• F_t,Rd – khả năng chịu kéo của thép neo
• R_m – cường độ chịu kéo cực hạn
• R_e – giới hạn chảy

Độ cứng chịu cắt của neo bu lông được lấy bằng độ cứng chịu cắt của bu lông kết cấu.

Neo bu lông có khoảng hở (stand-off)

Neo có khoảng hở có thể được kiểm tra như một giai đoạn thi công trước khi chân cột được lấp vữa hoặc như trạng thái lâu dài. Neo có khoảng hở được thiết kế như một cấu kiện thanh chịu lực cắt, mô men uốn và lực nén hoặc lực kéo. Neo được cố định ở cả hai đầu; một đầu cách mặt bê tông 0,5×d về phía dưới, đầu còn lại nằm ở giữa chiều dày bản. Chiều dài oằn được giả định một cách an toàn bằng hai lần chiều dài cấu kiện thanh. Mô đun chống uốn dẻo được sử dụng. Nội lực trong neo có khoảng hở được xác định bằng phân tích phần tử hữu hạn. Mô men uốn phụ thuộc vào tỷ số độ cứng giữa neo và bản mã chân cột.

Neo có khoảng hở – xác định cánh tay đòn và chiều dài oằn; neo cứng là giả thiết an toàn

Mô hình thiết kế

Trong CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), việc đơn giản hóa khối bê tông thành các phần tử tiếp xúc 2D là thuận tiện. Liên kết giữa bê tông và bản mã chân cột chỉ chịu nén. Lực nén được truyền qua mô hình nền Winkler-Pasternak, mô phỏng biến dạng của khối bê tông. Lực kéo giữa bản mã chân cột và khối bê tông được chịu bởi các bu lông neo. Lực cắt được truyền qua ma sát giữa bản mã chân cột và khối bê tông, qua chốt chịu cắt và qua uốn của bu lông neo cùng với ma sát. Khả năng chịu cắt của bu lông được đánh giá theo phương pháp giải tích. Ma sát và chốt chịu cắt được mô hình hóa như một ràng buộc điểm đơn hoàn toàn trong mặt phẳng tiếp xúc giữa bản mã chân cột và bê tông.

Độ cứng biến dạng

Độ cứng của khối bê tông có thể được dự đoán cho thiết kế chân cột như một bán cầu đàn hồi. Mô hình nền Winkler-Pasternak thường được sử dụng để tính toán đơn giản hóa cho móng. Độ cứng của nền được xác định bằng mô đun đàn hồi của bê tông và chiều cao hiệu dụng của nền như sau:

\[ k = \frac{E_c}{(\alpha_1 + \upsilon) \sqrt{\frac{A_{eff}}{A_{ref}}}} \left( \frac{1}{\frac{h}{a_2 d} + a_3}+a_4 \right) \]

trong đó:

• k – độ cứng của nền bê tông khi chịu nén
• E_c – mô đun đàn hồi của bê tông
• υ – hệ số Poisson của khối bê tông
• A_eff – diện tích hiệu dụng chịu nén
• A_ref = 1 m² – diện tích tham chiếu
• d – chiều rộng bản mã chân cột
• h – chiều cao khối bê tông
• a₁ = 1.65; a₂ = 0.5; a₃ = 0.3; a₄ = 1.0 – các hệ số

Đơn vị SI phải được sử dụng trong công thức, đơn vị kết quả là N/m³.

Truyền lực cắt tại bản mã chân cột

Lực cắt tại bản mã chân cột có thể được truyền bằng ba phương tiện:

• Ma sát
• Chốt chịu cắt
• Neo

Người dùng có thể chọn phương tiện bằng cách chỉnh sửa thao tác bản mã chân cột. Không cho phép kết hợp các phương tiện trong phần mềm, tuy nhiên, EN 1993-1-8 – Điều 6.2.2 và Fib 58 – Chương 4.2 cho phép kết hợp truyền lực cắt bằng neo và ma sát trong một số điều kiện nhất định. Nhìn chung, việc bỏ qua ma sát trong thiết kế neo là thiên về an toàn, mặc dù trong một số trường hợp có thể dẫn đến đánh giá thấp nứt bê tông ở trạng thái giới hạn sử dụng. Theo nguyên tắc, khả năng chịu ma sát nên được bỏ qua nếu:

• chiều dày lớp vữa vượt quá một nửa đường kính neo,
• khả năng neo bị chi phối bởi điều kiện gần cạnh,
• neo được thiết kế để chịu tải trọng động đất.

Việc kết hợp với chốt chịu cắt không bao giờ được phép do tính tương thích biến dạng.

Truyền lực cắt bằng ma sát

Khả năng chịu cắt bằng ma sát bằng hệ số an toàn chịu lực nhân với hệ số ma sát có thể chỉnh sửa trong Thiết lập tiêu chuẩn và tải trọng nén. Tải trọng nén bao gồm tất cả các lực, ví dụ trong trường hợp chân cột chịu lực nén và mô men uốn, tải trọng nén dùng để tính khả năng chịu cắt bằng ma sát có thể lớn hơn lực nén tác dụng.

Truyền lực cắt bằng chốt chịu cắt

Chốt chịu cắt được mô phỏng như một đoạn nhô được bọc trong bê tông bên dưới bản mã chân cột. Lực cắt được ước tính truyền qua phân bố tải trọng đều tác dụng lên toàn bộ phần chốt chịu cắt được chôn trong khối bê tông, tức là tất cả các nút của chốt chịu cắt bên dưới bề mặt bê tông đều chịu tải đều. Phần chốt chịu cắt phía trên bề mặt bê tông trong vữa không được giả định là truyền lực cắt.

Lưu ý rằng cánh tay đòn giữa lực cắt tác dụng (tại bản mã chân cột) và khả năng chịu cắt (nửa chiều cao của chốt chịu cắt được chôn trong bê tông) tạo ra mô men uốn phải được truyền bởi lực nén trong bê tông và lực kéo trong các neo.

Chốt chịu cắt bao gồm các phần tử hữu hạn dạng vỏ và được kiểm tra như các bản thông thường. Ngoài ra, các mối hàn của chốt chịu cắt với bản mã chân cột được kiểm tra theo các quy trình tiêu chuẩn trong IDEA StatiCa Connection. Tính toán thủ công thường giả định lý thuyết dầm cho chốt chịu cắt, mặc dù không chính xác vì tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng rất nhỏ đối với chốt chịu cắt. Do đó, có thể có sự khác biệt đáng kể giữa IDEA StatiCa Connection và tính toán thủ công.

Truyền lực cắt bằng neo

Khả năng chịu cắt được xác định bởi khả năng chịu cắt của các neo. Khả năng chịu lực của thép trong neo có đường cong tải trọng - biến dạng đàn hồi - dẻo, nhưng các dạng phá hoại do bê tông được coi là hoàn toàn giòn.

Phương pháp CBFEM (Component Based Finite Element Model) cho phép phân tích nhanh các nút liên kết với nhiều hình dạng và cấu hình khác nhau. Mô hình bao gồm các cấu kiện chịu tải trọng tác dụng và các thao tác gia công (bao gồm các cấu kiện tăng cứng), dùng để liên kết các cấu kiện với nhau. Không được nhầm lẫn giữa cấu kiện và thao tác gia công, vì các cạnh cắt của cấu kiện được nối với nút liên kết thông qua các liên kết cứng, do đó chúng sẽ không biến dạng đúng nếu được sử dụng thay cho thao tác gia công (cấu kiện tăng cứng).

Mô hình phần tử hữu hạn được phân tích sẽ được tạo ra tự động. Người thiết kế không tạo mô hình phần tử hữu hạn mà tạo nút liên kết bằng các thao tác gia công – xem hình.

Các thao tác/hạng mục gia công có thể dùng để tạo nút liên kết

Mỗi thao tác gia công bổ sung các hạng mục mới vào liên kết – cắt, bản thép, bu lông, mối hàn.

Cấu kiện chịu lực và gối tựa

Một cấu kiện trong nút liên kết luôn được đặt là "cấu kiện chịu lực". Tất cả các cấu kiện còn lại là "cấu kiện được liên kết". Cấu kiện chịu lực có thể được người thiết kế lựa chọn. Cấu kiện chịu lực có thể là "liên tục" hoặc "kết thúc" tại nút liên kết. Cấu kiện "kết thúc" được đỡ tại một đầu, còn cấu kiện "liên tục" được đỡ tại cả hai đầu.

Các cấu kiện được liên kết có thể thuộc nhiều loại khác nhau, tùy theo tải trọng mà cấu kiện có thể tiếp nhận:

• Loại N-Vy-Vz-Mx-My-Mz – cấu kiện có khả năng truyền cả 6 thành phần nội lực
• Loại N-Vy-Mz – cấu kiện chỉ có khả năng truyền tải trọng trong mặt phẳng XY – nội lực N, V_y, M_z
• Loại N-Vz-My – cấu kiện chỉ có khả năng truyền tải trọng trong mặt phẳng XZ – nội lực N, V_z, M_y
• Loại N-Vy-Vz – cấu kiện chỉ có khả năng truyền lực dọc trục N và lực cắt V_y và V_z

Liên kết bản thép với bản thép truyền tất cả các thành phần nội lực

Liên kết bản mã liên kết đơn chỉ có thể truyền tải trọng trong mặt phẳng XZ – nội lực N, V_z, M_y

Liên kết bản mã nút – liên kết cấu kiện dàn chỉ có thể truyền lực dọc trục N và lực cắt Vy và Vz

Mỗi nút liên kết đều ở trạng thái cân bằng trong quá trình phân tích kết cấu khung. Nếu các lực đầu mút của từng cấu kiện được áp dụng vào mô hình CBFEM chi tiết, trạng thái cân bằng cũng được thỏa mãn. Do đó, về mặt lý thuyết không cần thiết phải định nghĩa gối tựa trong mô hình phân tích. Tuy nhiên, vì lý do thực tế, gối tựa chống lại tất cả các chuyển vị được định nghĩa tại đầu thứ nhất của cấu kiện chịu lực. Điều này không ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất cũng như nội lực trong nút liên kết, mà chỉ ảnh hưởng đến việc hiển thị biến dạng.

Các loại gối tựa phù hợp, tôn trọng loại của từng cấu kiện được liên kết, được định nghĩa tại các đầu mút của các cấu kiện được liên kết nhằm ngăn ngừa sự xuất hiện của các cơ chế không ổn định.

Chiều dài mặc định của mỗi cấu kiện bằng hai lần chiều cao của nó. Chiều dài của cấu kiện phải ít nhất bằng 1× chiều cao của cấu kiện sau thao tác gia công cuối cùng (mối hàn, lỗ khoét, sườn tăng cứng, v.v.) để đảm bảo biến dạng đúng sau các liên kết cứng nối đầu cắt của cấu kiện với nút liên kết.

Tải trọng tại bất kỳ nút nào trong mô hình kết cấu cần phải ở trạng thái cân bằng. Mọi lực mất cân bằng sẽ được tiếp nhận bởi các gối tựa. Khuyến nghị sử dụng tổ hợp tải trọng thay vì bao nội lực.

Mỗi nút của mô hình phần tử hữu hạn 3D phải ở trạng thái cân bằng. Yêu cầu cân bằng là đúng, tuy nhiên, không nhất thiết phải áp dụng cho thiết kế các nút liên kết đơn giản. Một cấu kiện trong nút liên kết luôn là cấu kiện "chịu lực chính", và các cấu kiện còn lại được liên kết vào đó. Nếu chỉ kiểm tra liên kết của các cấu kiện được kết nối, thì không cần thiết phải duy trì điều kiện cân bằng. Do đó, có hai chế độ nhập tải trọng:

• Đơn giản hóa – trong chế độ này, cấu kiện chịu lực chính được gối tựa (cấu kiện liên tục ở cả hai phía), và tải trọng không được xác định trên cấu kiện đó
• Nâng cao (chính xác với kiểm tra cân bằng) – cấu kiện chịu lực chính được gối tựa ở một đầu, tải trọng được áp dụng cho tất cả các cấu kiện, và điều kiện cân bằng phải được thỏa mãn

Chế độ có thể được chuyển đổi trong nhóm ribbon Loads in equilibrium.

Sự khác biệt giữa các chế độ được minh họa qua ví dụ sau về liên kết chữ T. Dầm chịu mô men uốn đầu dầm là 41 kNm. Ngoài ra còn có lực nén dọc trục là 100 kN trong cột. Trong trường hợp chế độ đơn giản hóa, lực dọc trục không được tính đến vì cột được gối tựa ở cả hai đầu. Chương trình chỉ hiển thị ảnh hưởng của mô men uốn từ dầm. Ảnh hưởng của lực dọc trục chỉ được phân tích trong chế độ đầy đủ và được hiển thị trong kết quả.

Nhập liệu đơn giản hóa: lực dọc trục trong cột KHÔNG được tính đến

Nhập liệu nâng cao: lực dọc trục trong cột được tính đến

Phương pháp đơn giản hóa dễ sử dụng hơn cho người dùng, nhưng chỉ có thể áp dụng khi người dùng quan tâm đến việc nghiên cứu các thành phần liên kết chứ không phải ứng xử của toàn bộ nút liên kết.

Đối với các trường hợp mà cấu kiện chịu lực chính chịu tải trọng lớn và gần đến giới hạn khả năng chịu lực, chế độ nâng cao với việc xét đầy đủ tất cả nội lực trong nút liên kết là cần thiết.

Lực đầu mút của một cấu kiện trong mô hình phân tích khung được truyền đến các đầu của đoạn cấu kiện. Độ lệch tâm của các cấu kiện do thiết kế nút liên kết gây ra được tính đến trong quá trình truyền lực.

Mô hình phân tích được tạo bởi phương pháp CBFEM tương ứng rất chính xác với nút liên kết thực tế, trong khi đó việc phân tích nội lực được thực hiện trên mô hình thanh 3D FEM được lý tưởng hóa cao, trong đó các dầm riêng lẻ được mô hình hóa bằng đường trục, và các nút liên kết được mô hình hóa bằng các nút phi vật chất.

Nút liên kết giữa cột đứng và dầm ngang

Nội lực được phân tích bằng các cấu kiện 1D trong mô hình 3D. Dưới đây là ví dụ về nội lực trong hình tiếp theo.

Nội lực trong dầm ngang; M và V là lực đầu mút tại nút liên kết

Các tác động do cấu kiện gây ra lên nút liên kết là quan trọng để thiết kế nút liên kết (liên kết). Các tác động được minh họa trong hình sau:

Tác động của cấu kiện lên nút liên kết; mô hình CBFEM được vẽ bằng màu xanh đậm

Mô men M và lực cắt V tác dụng tại nút liên kết lý thuyết. Điểm nút liên kết lý thuyết không tồn tại trong mô hình CBFEM, do đó tải trọng không thể được áp dụng tại đây. Mô hình phải được tải bởi các tác động M và V, cần được truyền đến đầu đoạn cấu kiện ở khoảng cách r

M_c = M – V ∙ r

V_c = V

Trong mô hình CBFEM, mặt cắt đầu của đoạn cấu kiện được tải bởi mô men M_c và lực V_c.

Khi thiết kế nút liên kết, vị trí thực của nó so với điểm lý thuyết của nút liên kết phải được xác định và tính đến. Nội lực tại vị trí nút liên kết thực thường khác với nội lực tại điểm lý thuyết của nút liên kết. Nhờ mô hình CBFEM chính xác, việc thiết kế được thực hiện trên các lực đã giảm – xem mô men M_r trong hình sau:

Mô men uốn trên mô hình CBFEM: Mũi tên chỉ vị trí thực của liên kết

Khi tải nút liên kết, cần tính đến việc nghiệm của nút liên kết thực phải tương ứng với mô hình lý thuyết được sử dụng để tính toán nội lực. Điều này được thỏa mãn đối với các nút liên kết cứng, nhưng tình huống có thể hoàn toàn khác đối với các khớp.

Vị trí khớp trong mô hình 3D FEM lý thuyết và trong kết cấu thực

Hình trước minh họa rằng vị trí của khớp trong mô hình cấu kiện 1D lý thuyết khác với vị trí thực trong kết cấu. Mô hình lý thuyết không tương ứng với thực tế. Khi áp dụng các nội lực đã tính toán, một mô men uốn đáng kể được áp dụng lên nút liên kết bị dịch chuyển, và nút liên kết được thiết kế quá lớn hoặc không thể thiết kế được. Giải pháp rất đơn giản – cả hai mô hình phải tương ứng với nhau. Hoặc khớp trong mô hình cấu kiện 1D phải được định nghĩa ở vị trí thích hợp, hoặc lực cắt phải được dịch chuyển để đạt được mô men bằng không tại vị trí của khớp.

Phân bố mô men uốn dịch chuyển trên dầm: mô men bằng không tại vị trí của khớp

Sự dịch chuyển của lực cắt có thể được định nghĩa trong bảng để định nghĩa nội lực.

Vị trí của hiệu ứng tải trọng có ảnh hưởng lớn đến việc thiết kế đúng liên kết. Để tránh mọi hiểu lầm, chúng tôi cho phép người dùng chọn từ ba tùy chọn – Node / Bolts / Position.

Lưu ý rằng khi chọn tùy chọn Node, các lực được áp dụng tại đầu của cấu kiện được chọn, thường là tại nút lý thuyết trừ khi độ lệch của cấu kiện được chọn được đặt trong hình học.

Nhập tải trọng từ các chương trình FEA

IDEA StatiCa cho phép nhập nội lực từ các chương trình FEA của bên thứ ba. Các chương trình FEA sử dụng bao nội lực từ các tổ hợp. IDEA StatiCa Connection là chương trình giải quyết nút liên kết thép theo phương pháp phi tuyến (mô hình vật liệu đàn hồi/dẻo). Do đó, các tổ hợp bao không thể được sử dụng. IDEA StatiCa tìm kiếm các cực trị của nội lực (N, V_y, V_z, M_x, M_y, M_z) trong tất cả các tổ hợp tại các đầu của tất cả các cấu kiện được kết nối với nút liên kết. Đối với mỗi giá trị cực trị như vậy, tất cả các nội lực khác từ tổ hợp đó trong tất cả các cấu kiện còn lại cũng được sử dụng. IDEA StatiCa xác định tổ hợp bất lợi nhất cho từng cấu kiện (bản thép, mối hàn, bu lông, v.v.) trong liên kết.

Người dùng có thể chỉnh sửa danh sách các trường hợp tải trọng này. Người dùng có thể làm việc với các tổ hợp trong trình hướng dẫn (hoặc BIM), hoặc có thể xóa một số trường hợp trực tiếp trong IDEA StatiCa Connection.

Cảnh báo!

Cần tính đến nội lực mất cân bằng trong quá trình nhập. Điều này có thể xảy ra trong các trường hợp sau:

• Lực nút được áp dụng tại vị trí của nút đang xét. Phần mềm không thể xác định cấu kiện nào cần truyền lực nút này và do đó, nó không được tính đến trong mô hình phân tích. Giải pháp: Không sử dụng lực nút trong phân tích tổng thể. Nếu cần thiết, lực phải được thêm thủ công vào một cấu kiện được chọn dưới dạng lực dọc hoặc lực cắt.
• Cấu kiện không phải thép (thường là gỗ hoặc bê tông) chịu tải được kết nối với nút đang xét. Cấu kiện đó không được xét trong phân tích, và nội lực của chúng bị bỏ qua trong phân tích. Giải pháp: Thay thế cấu kiện bê tông bằng khối bê tông và neo.
• Nút là một phần của sàn hoặc tường (thường bằng bê tông). Sàn hoặc tường không phải là một phần của mô hình, và nội lực của chúng bị bỏ qua. Giải pháp: Thay thế sàn hoặc tường bê tông bằng khối bê tông và neo.
• Một số cấu kiện được kết nối với nút đang xét thông qua các liên kết cứng. Các cấu kiện đó không được đưa vào mô hình, và nội lực của chúng bị bỏ qua. Giải pháp: Thêm các cấu kiện này vào danh sách các cấu kiện được kết nối theo cách thủ công.
• Các trường hợp tải trọng động đất được phân tích trong phần mềm. Hầu hết các phần mềm FEA cung cấp phân tích dao động riêng để giải quyết bài toán động đất. Kết quả nội lực của các trường hợp tải trọng động đất thường chỉ cung cấp bao nội lực tại các mặt cắt. Do phương pháp đánh giá (căn bậc hai của tổng bình phương – SRSS), các nội lực đều dương và không thể tìm thấy các lực tương ứng với cực trị được chọn. Không thể đạt được sự cân bằng nội lực. Giải pháp: Thay đổi dấu dương của một số nội lực theo cách thủ công.

Phân tích độ bền là phân tích quan trọng nhất của các nút liên kết. Kiểm tra biến dạng của các bản thép cùng với kiểm tra tiêu chuẩn của các cấu kiện được thực hiện bằng phân tích đàn hồi - dẻo.

Phân tích nút liên kết là phi tuyến vật liệu. Các gia số tải trọng được áp dụng dần dần và trạng thái ứng suất được tìm kiếm. Có hai chế độ phân tích tùy chọn trong IDEA StatiCa Connection:

• Phản ứng của kết cấu (nút liên kết) với tải trọng tổng thể. Toàn bộ tải trọng đã định nghĩa (100%) được áp dụng trong chế độ này và trạng thái ứng suất và biến dạng tương ứng được tính toán.

• Kết thúc phân tích khi đạt đến trạng thái giới hạn cực hạn. Hộp kiểm trong Thiết lập tiêu chuẩn "Dừng tại biến dạng giới hạn" cần được đánh dấu. Trạng thái được xác định khi biến dạng dẻo đạt đến giới hạn đã định nghĩa. Trong trường hợp tải trọng đã định nghĩa lớn hơn khả năng chịu lực được tính toán, phân tích được đánh dấu là không thỏa mãn và tỷ lệ phần trăm tải trọng đã sử dụng được in ra. Lưu ý rằng khả năng chịu lực theo lý thuyết của các cấu kiện, ví dụ như bu lông, có thể bị vượt quá.

Chế độ thứ hai phù hợp hơn cho thiết kế thực tế. Chế độ đầu tiên thích hợp hơn cho phân tích chi tiết các nút liên kết phức tạp.

Các nút liên kết được phân loại theo độ cứng thành ngàm cứng, liên kết bán cứng và khớp. Kỹ sư cần đảm bảo rằng độ cứng của nút liên kết phù hợp với độ cứng đã thiết lập trong phần mềm CAE. Mục tiêu của phân tích độ cứng là xác định đúng sự phân phối tải trọng trong các cấu kiện và nút liên kết, cũng như độ võng đúng của các cấu kiện và toàn bộ kết cấu.

Phương pháp CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) phân tích độ cứng của liên kết các cấu kiện riêng lẻ trong nút. Để phân tích độ cứng đúng đắn, cần tạo một mô hình phân tích riêng cho từng cấu kiện được phân tích. Khi đó, phân tích độ cứng không bị ảnh hưởng bởi độ cứng của các cấu kiện khác trong nút mà chỉ phụ thuộc vào bản thân nút và cấu tạo liên kết của cấu kiện được phân tích. Trong khi cấu kiện chịu lực được gối đỡ trong phân tích cường độ (cấu kiện SL trong hình dưới), thì tất cả các cấu kiện ngoại trừ cấu kiện đang phân tích đều được gối đỡ trong phân tích độ cứng (xem hai hình dưới về phân tích độ cứng của cấu kiện B1 và B3). Ngoại lệ là chân cột, nơi các gối đỡ được cung cấp bởi móng bê tông; chỉ cấu kiện được phân tích mới chịu tải, và các cấu kiện khác chỉ có ràng buộc theo loại mô hình của chúng.

Gối đỡ trên các cấu kiện cho phân tích cường độ

Tải trọng chỉ có thể được áp dụng cho cấu kiện đang phân tích. Nếu mô men uốn M_y được xác định, độ cứng xoay quanh trục y được phân tích. Nếu mô men uốn M_z được xác định, độ cứng xoay quanh trục z được phân tích. Nếu lực dọc N được xác định, độ cứng dọc trục của liên kết được phân tích.

Đường cong mô men - góc xoay (hoặc tải trọng - biến dạng) được tính toán cho hai mô hình:

• Mô hình liên kết đầy đủ – bao gồm cấu kiện, bản thép, bu lông, mối hàn, v.v. (phân tích phi tuyến vật liệu)
• Mô hình cấu kiện – chỉ bao gồm các cấu kiện được liên kết cứng tại nút (phân tích đàn hồi tuyến tính)

Biểu đồ hiển thị được tạo ra bằng cách trừ mô hình cấu kiện khỏi mô hình liên kết đầy đủ. Bằng cách này, biến dạng đàn hồi của các cấu kiện, vốn đã được tính trong mô hình toàn bộ kết cấu, sẽ được loại trừ. 

Chương trình tự động tạo biểu đồ hoàn chỉnh; biểu đồ được hiển thị trực tiếp trong giao diện người dùng và có thể được thêm vào báo cáo kết quả. Độ cứng xoay hoặc độ cứng dọc trục có thể được nghiên cứu cho các tải trọng thiết kế cụ thể. IDEA StatiCa Connection cũng có thể xử lý sự tương tác của các nội lực khác.

Biểu đồ hiển thị:

• Mức tải trọng thiết kế M_Ed
• Giá trị giới hạn khả năng chịu lực của liên kết ứng với biến dạng tương đương 5% M_j,Rd; giới hạn biến dạng dẻo có thể được thay đổi trong Thiết lập tiêu chuẩn
• Giá trị giới hạn khả năng chịu lực của cấu kiện được liên kết (hữu ích cho thiết kế kháng chấn) M_c,Rd
• 2/3 khả năng chịu lực giới hạn để tính toán độ cứng ban đầu
• Giá trị độ cứng ban đầu S_j,ini
• Giá trị độ cứng cát tuyến S_js
• Giới hạn phân loại liên kết – ngàm cứng và khớp
• Biến dạng xoay Φ
• Khả năng xoay Φ_c

Liên kết hàn ngàm cứng

Liên kết bu lông bán cứng

Sau khi đạt biến dạng 5% trong bụng cột chịu lực cắt, các vùng dẻo lan rộng nhanh chóng

Nút liên kết được phân loại theo độ cứng thành ngàm cứng, liên kết bán cứng hoặc khớp theo tiêu chuẩn liên quan. Chiều dài lý thuyết của cấu kiện có thể được thiết lập cho cấu kiện đang phân tích:

Tải trọng được áp dụng như thế nào?

Chỉ một cấu kiện được chịu tải và khảo sát trong phân tích độ cứng. Cấu kiện được phân tích có thể chịu:

• Lực dọc N
• Lực cắt V_y và V_z
• Mô men uốn M_y và M_z
• Mô men xoắn M_x

Tất cả các hiệu ứng tải trọng được áp dụng đồng thời. Nếu tải trọng áp dụng quá nhỏ, tất cả sẽ được tăng lên theo một hệ số sao cho đạt đến khả năng chịu lực của nút (lực áp dụng phải lớn hơn 1). Khi tạo biểu đồ mô men - góc xoay hoặc tải trọng - biến dạng, tất cả các hiệu ứng tải trọng được tăng dần theo từng bước theo tỷ lệ. 

Ví dụ, cấu kiện được phân tích chịu:

• Lực dọc N = 50 kN
• Lực cắt V_z = -80 kN
• Mô men uốn M_y = 30 kNm

Khả năng chịu lực của cấu kiện là:

• Khả năng chịu lực dọc N_R = 2 111 kN
• Khả năng chịu lực cắt V_z,R = 763 kN
• Khả năng chịu mô men uốn M_y,R = 226 kNm

Tải trọng được nhân với hệ số:

\[ \alpha = \textrm{min} \left \{ \frac{N_R}{N}, \, \frac{M_{y,R}}{M_y}, \, \frac{M_{z,R}}{M_z} \right \}  \]

Lưu ý rằng nếu lực cắt không được áp dụng tại nút, tức là nó tác dụng trên một cánh tay đòn, thì mô men uốn sẽ bị ảnh hưởng. Mô men uốn tại nút, như được thấy trong mô hình khung dây, được sử dụng làm tải trọng đặt trước.

Trong ví dụ này, hệ số là \( \alpha = 7.53 \). Tải trọng đặt trước được nhân lên và sau đó áp dụng theo từng bước, và kết quả được vẽ trên biểu đồ Độ cứng. Tải trọng áp dụng được chia thành 12 bước, và khi liên kết gần đạt đến khả năng chịu lực, các bước được tinh chỉnh thêm. Ví dụ về ba bước đầu tiên được trình bày trong bảng sau:

Khả năng biến dạng

Khả năng biến dạng/độ dẻo δ_Cd cùng với khả năng chịu lực và độ cứng là ba thông số cơ bản mô tả ứng xử của các liên kết. Trong các liên kết chịu mô men, độ dẻo đạt được thông qua khả năng xoay đủ lớn φ_Cd. Khả năng biến dạng/xoay được tính toán riêng cho từng liên kết trong nút.

Phần mềm ước tính khả năng biến dạng là điểm mà tại đó một trong các điều kiện sau được đáp ứng:

• Khả năng chịu lực của bu lông hoặc neo trong kéo, cắt, hoặc tương tác kéo/cắt đạt giới hạn
• Khả năng chịu lực của mối hàn đạt giới hạn
• Biến dạng dẻo trong bản thép đạt 15%

Việc ước tính khả năng xoay rất quan trọng trong các liên kết chịu tải động đất, xem Gioncu và Mazzolani (2002) và Grecea (2004) và tải trọng cực hạn, xem Sherbourne và Bahaari (1994 và 1996). Khả năng biến dạng của các cấu kiện đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ trước (Foley và Vinnakota, 1995). Faella et al. (2000) đã thực hiện các thí nghiệm trên T-stub và rút ra các biểu thức giải tích cho khả năng biến dạng. Kuhlmann và Kuhnemund (2000) đã thực hiện các thí nghiệm trên bụng cột chịu nén ngang ở các mức lực nén dọc trục khác nhau trong cột. Da Silva et al. (2002) đã dự đoán khả năng biến dạng ở các mức lực dọc trục khác nhau trong dầm được liên kết. Dựa trên kết quả thí nghiệm kết hợp với phân tích phần tử hữu hạn, khả năng biến dạng được xác lập cho các cấu kiện cơ bản bằng các mô hình giải tích của Beg et al. (2004). Trong công trình này, các cấu kiện được biểu diễn bằng các lò xo phi tuyến và được kết hợp phù hợp để xác định khả năng xoay của nút liên kết cho các liên kết bản mã đầu dầm, với bản mã đầu dầm mở rộng hoặc bằng phẳng và các liên kết hàn. Đối với các liên kết này, các cấu kiện quan trọng nhất có thể đóng góp đáng kể vào khả năng xoay được xác định là bụng cột chịu nén, bụng cột chịu kéo, bụng cột chịu lực cắt, cánh cột chịu uốn và bản mã đầu dầm chịu uốn. Các cấu kiện liên quan đến bụng cột chỉ có liên quan khi không có sườn tăng cứng trong cột chống lại lực nén, kéo hoặc cắt. Sự hiện diện của sườn tăng cứng loại bỏ cấu kiện tương ứng, và do đó đóng góp của nó vào khả năng xoay của nút liên kết có thể bỏ qua. Bản mã đầu dầm và cánh cột chỉ quan trọng đối với các liên kết bản mã đầu dầm, nơi các cấu kiện hoạt động như T-stub, trong đó khả năng biến dạng của bu lông chịu kéo cũng được tính đến. Các vấn đề và giới hạn về khả năng biến dạng của liên kết thép cường độ cao đã được Girao et al. (2004) nghiên cứu.

Thiết kế năng lực là một phần của kiểm tra nút liên kết trong thiết kế kháng chấn. Khi dựa vào tính dẻo của kết cấu, thiết kế năng lực phải được thực hiện. 

Mục tiêu của thiết kế năng lực là xác nhận rằng công trình có ứng xử dẻo có kiểm soát để tránh sụp đổ trong trận động đất ở mức thiết kế.

Cấu kiện tiêu tán được chọn với cường độ tăng cường và biểu đồ vật liệu được điều chỉnh. Hệ số cường độ dư \(\gamma_{ov}\) được xác định trong phần Vật liệu, và hệ số hóa bền biến dạng \(\gamma_{sh}\) tại thao tác của cấu kiện tiêu tán. Lưu ý rằng thuật ngữ có thể khác nhau giữa các tiêu chuẩn. Cấu kiện tiêu tán được loại trừ khỏi kiểm tra biến dạng của các bản thép. 

Biểu đồ vật liệu điều chỉnh cho cấu kiện tiêu tán

IDEA StatiCa Connection kiểm tra liên kết theo tải trọng thiết kế tác dụng, tải trọng này cần tạo ra khớp dẻo tại cấu kiện tiêu tán được chọn, thường là dầm. Biến dạng dẻo trong cấu kiện tiêu tán nên vào khoảng 5%. Điều này có thể dùng để xác nhận rằng độ lớn và vị trí của tải trọng đã được xác định đúng. 

Khớp dẻo được tạo ra tại vị trí dự kiến của cấu kiện tiêu tán – dầm

Các gối tựa của cấu kiện liên tục được tự động xác định là được đỡ tại một đầu và có mô men bị ngàm tại đầu kia. Theo cách này, cột liên tục có thể chịu lực dọc và lực cắt, đồng thời một phía có thể dịch chuyển ngang để phát hiện sự phá hoại của bụng cột do lực cắt.

Lưu ý rằng cấu tạo chi tiết rất quan trọng đối với các nút liên kết kháng chấn nhưng không được kiểm tra trong IDEA StatiCa. 

Nhà thiết kế thường giải quyết bài toán thiết kế liên kết/nút liên kết để truyền tải trọng thiết kế đã biết. Nhưng cũng rất hữu ích khi biết khoảng cách từ thiết kế đến trạng thái giới hạn, tức là dự trữ trong thiết kế lớn bao nhiêu và mức độ an toàn là bao nhiêu. Điều này có thể được thực hiện đơn giản bằng loại phân tích – Khả năng chịu lực thiết kế của nút liên kết.

Người dùng nhập tải trọng thiết kế như trong thiết kế thông thường. Phần mềm tự động tăng tỷ lệ tất cả các thành phần tải trọng cho đến khi một trong các kiểm tra được bao gồm không thỏa mãn. 

Phân tích DR thực hiện kiểm tra cho các thành phần sau:

• Biến dạng dẻo trong bản thép
• Bu lông – lực cắt, kéo và tổ hợp kéo và cắt
• Neo – khả năng chịu lực kéo và cắt của thép 
• Mối hàn

Lưu ý rằng các thành phần khác không có trong danh sách trên sẽ không được kiểm tra do không xác định được phương của lực trong các thành phần. Vì lý do này, phân tích EPS luôn phải được thực hiện để đảm bảo rằng tất cả các kiểm tra được thực hiện đúng cách. 

Người dùng nhận được tỷ số giữa tải trọng tối đa và tải trọng thiết kế. Ngoài ra, một biểu đồ đơn giản cũng được cung cấp. 

Kết quả của các tổ hợp tải trọng do người dùng định nghĩa được hiển thị trừ khi Hệ số khả năng chịu lực thiết kế của nút liên kết nhỏ hơn 100%, có nghĩa là quá trình tính toán không hội tụ và bước hội tụ cuối cùng của tổ hợp tải trọng được hiển thị.

Oằn thường không phải là vấn đề quan trọng trong các nút liên kết. Tuy nhiên, cần kiểm tra để đảm bảo không có vấn đề oằn và kết quả phân tích cường độ, vốn chỉ sử dụng phân tích tuyến tính hình học, là chính xác.

IDEA StatiCa Connection có thể thực hiện phân tích oằn tuyến tính cho mô hình nút liên kết. Kết quả được dự đoán theo các dạng oằn. Tải trọng tới hạn, tại đó oằn của mô hình hoàn hảo xảy ra, được tính toán cho từng dạng oằn. Tải trọng tới hạn được biểu diễn bằng hệ số nhân của tải trọng tác dụng lên nút liên kết. Dựa vào dạng oằn và hệ số nhân tải trọng tới hạn, người dùng có thể xác định thiết kế oằn an toàn.

Một số tiêu chuẩn, ví dụ Eurocode (EN 1993-1-1, Mục 5.2.1), khuyến nghị hệ số nhân tải trọng tới hạn lớn hơn 15 đối với mô hình thanh của kết cấu. Nếu hệ số nhân tải trọng tới hạn lớn hơn 15, tiêu chuẩn không yêu cầu kiểm tra oằn của các cấu kiện.

Đối với các nút liên kết, vấn đề khác hơn và tiêu chuẩn không đưa ra khuyến nghị cụ thể nào. Thiết kế oằn cục bộ phải được giải quyết theo cách khác. Nhìn chung, oằn cục bộ có thể được chia thành ba nhóm:

1. Các bản thép liên kết các cấu kiện riêng lẻ
2. Các bản tăng cứng trong nút liên kết – sườn tăng cứng, rib, gia cường ngắn
3. Tiết diện kín và tiết diện thành mỏng

Oằn của các bản thuộc nhóm 1 ảnh hưởng đến dạng oằn của toàn bộ cấu kiện. Do đó, khuyến nghị áp dụng các quy tắc tương tự như đối với các cấu kiện này cho các bản này, tức là xem xét hệ số nhân tải trọng tới hạn an toàn là 15 hoặc lớn hơn. Kỹ sư cần xác minh rằng việc thi công thực tế của nút liên kết tương ứng với các điều kiện biên của mô hình được sử dụng để phân tích oằn của toàn bộ kết cấu.

Các bản thuộc nhóm 2 ảnh hưởng đến oằn cục bộ của nút liên kết. Đối với các bản như vậy, giới hạn an toàn của hệ số nhân tải trọng tới hạn là 15 là thiên về an toàn, nhưng các tiêu chuẩn thiếu hướng dẫn cụ thể. Hướng dẫn được cung cấp bởi các bài báo nghiên cứu khuyến nghị giới hạn an toàn của hệ số nhân tải trọng tới hạn bằng 3.

Oằn của các bản và cấu kiện thuộc nhóm 3 rất phức tạp và cần đánh giá riêng từng trường hợp cụ thể.

Đối với các bản có hệ số nhân tải trọng tới hạn nhỏ hơn các giá trị đề xuất (15 cho nhóm 1, 3 cho nhóm 2), không thể sử dụng thiết kế dẻo. Trong trường hợp đó, cần các phương pháp khác để thiết kế liên kết:

• Kiểm tra tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn thiết kế liên quan, ví dụ Eurocode hoặc AISC Specification hoặc Design Manual
• Phương pháp tổng quát trong EN 1993-1-5 Phụ lục B – Cấu kiện không đồng đều, trong đó kết quả của MNA và LBA được sử dụng để xác định khả năng chịu oằn của các bản mảnh
• Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật, có sẵn trong ứng dụng IDEA StatiCa Member

Kết quả phân tích oằn tuyến tính trong IDEA StatiCa Connection không phải là kiểm tra dứt khoát. Các tiêu chuẩn không cung cấp hướng dẫn đầy đủ. Việc đánh giá đòi hỏi phán đoán kỹ thuật của kỹ sư và IDEA StatiCa cung cấp các công cụ độc đáo không có trong phần mềm thiết kế thông thường.

Bản mã nút như một phần kéo dài của dàn – ví dụ về bản thuộc nhóm 1, trong đó oằn có thể bỏ qua nếu hệ số oằn tới hạn lớn hơn 15

Ví dụ về các dạng oằn của bản thuộc nhóm 2, trong đó oằn có thể bỏ qua nếu hệ số oằn tới hạn lớn hơn 3

Mô hình được sử dụng cho phân tích oằn được hỗ trợ bởi các gối tựa khác với gối tựa do người dùng đặt trong kiểu phân tích ứng suất, biến dạng (EPS). Cấu kiện chịu lực chính được giữ nguyên hoàn toàn. Kiểu mô hình của dầm được đặt là N-Vy-Vz-Mx-My-Mz (tự do di chuyển trong kiểu phân tích ứng suất, biến dạng) được hỗ trợ hoàn toàn trong phân tích oằn. Tất cả các kiểu phân tích dầm khác có mô men uốn và lực dọc bị ràng buộc nhưng tự do di chuyển ngang.

• Kiểu mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz: gối tựa trong mô hình oằn: N-Vy-Vz-Mx-My-Mz
• Kiểu mô hình N-Vy-Vz: gối tựa trong mô hình oằn: N-Mx-My-Mz
• Kiểu mô hình N-Vz-My: gối tựa trong mô hình oằn: N-Mx-My-Mz
• Kiểu mô hình N-Vy-Mz: gối tựa trong mô hình oằn: N-Mx-My-Mz

Giả định rằng trong trường hợp nút liên kết ngàm cứng, người dùng đặt mô men uốn và oằn của đoạn dầm ngắn không liên quan. Mặt khác, trong trường hợp nút liên kết khớp, người dùng chỉ đặt lực dọc và lực cắt mà không có mô men uốn, nhưng oằn của cấu kiện khớp là liên quan, do đó nó đóng góp vào hệ số oằn. Xem hình bên dưới. "Model" hiển thị mô hình trong kiểu phân tích ứng suất - biến dạng, và "Buckling" hiển thị mô hình trong phân tích oằn.

Phân tích phần tử hữu hạn có thể không hội tụ vì một số lý do, thường do một số phần tử không được đỡ đầy đủ và có thể dịch chuyển hoặc xoay tự do.

Phân tích phần tử hữu hạn yêu cầu biểu đồ ứng suất - biến dạng tăng dần nhẹ của các mô hình vật liệu. Trong một số trường hợp mô hình phức tạp, ví dụ như có nhiều tiếp xúc, việc tăng số vòng lặp phân kỳ có thể giúp cải thiện sự hội tụ. Giá trị này có thể được đặt trong Code setup. Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi phân tích là các điểm kỳ dị khi các bộ phận của mô hình không được kết nối đúng cách và có thể dịch chuyển hoặc xoay tự do. Người dùng sẽ được thông báo và cần kiểm tra mô hình để tìm các mối hàn hoặc bu lông bị thiếu. Hình dạng biến dạng được hiển thị với các phần tử gây ra điểm kỳ dị đầu tiên được dịch chuyển 1 m để có thể dễ dàng phát hiện điểm kỳ dị.

Thiếu mối hàn tại các bản mã nút dẫn đến điểm kỳ dị

Liên kết thép - gỗ hiện tại chỉ dùng để kiểm tra các bản thép và xác định vectơ lực trong các phần tử liên kết. Bản mã nút có thể được áp dụng dưới dạng bao ngoài hoặc chèn vào.

Các thuộc tính vật liệu của gỗ không được chỉ định. Việc kiểm tra các phần tử liên kết và gỗ cần được thực hiện thủ công hoặc bằng phần mềm khác theo các quy tắc thiết kế phù hợp. Do đó, phân tích độ cứng không khả dụng. 

Việc kiểm tra các cấu kiện khác của liên kết thép được kiểm tra tiêu chuẩn như thông thường.

Đọc thêm về cách làm việc với liên kết thép - gỗ trong bài viết Cơ sở tri thức. 

IDEA StatiCa Connection để thiết kế các nút liên kết của các cấu kiện thành mỏng chỉ nên được thực hiện bởi các kỹ sư có kinh nghiệm. Phân tích oằn là bắt buộc và mỗi dạng oằn phải được phân tích cẩn thận.

Phần mềm IDEA StatiCa Connection được thiết kế để đánh giá các liên kết của các cấu kiện cán nóng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi oằn. Phân tích tuyến tính về hình học và phi tuyến về vật liệu được thực hiện do tính toán nhanh và ổn định. Tuy nhiên, phân tích này không đủ để xét đến mất ổn định. Nếu oằn có thể là vấn đề, việc thực hiện phân tích oằn tuyến tính giúp phát hiện các vùng nguy hiểm và cung cấp hệ số cho điểm phân nhánh Euler, nhưng điều này vẫn chưa đủ đối với các cấu kiện thành mỏng. Đối với các cấu kiện thành mỏng, chỉ có phân tích phi tuyến hình học với khuyết tật ban đầu mới phù hợp.

Nếu người dùng vẫn quyết định sử dụng phần mềm IDEA StatiCa Connection để kiểm tra các liên kết của các cấu kiện thành mỏng, họ nên:

• Thực hiện phân tích oằn tuyến tính và đánh giá cẩn thận từng dạng oằn; 5 dạng oằn đầu tiên được hiển thị có thể chưa đủ (Cách tăng số lượng dạng oằn được đánh giá)
• Không dựa vào tính dẻo của các bản thép mà thay vào đó hãy giới hạn ứng suất von Mises ở giới hạn chảy hoặc thậm chí thấp hơn
• Lưu ý rằng oằn cục bộ, vốn không được xét đến, có thể phân phối lại nội lực trong các cấu kiện theo cách khác
• Lưu ý rằng độ cứng của các cấu kiện có thể khác nhau do các dạng phá hoại khác nhau hoặc sự kết hợp của chúng.
• Lưu ý rằng các kiểm tra và cấu tạo của các cấu kiện được trình bày (ví dụ: bu lông, mối hàn) là các hướng dẫn dành cho các cấu kiện tiêu chuẩn. Các kiểm tra đối với cấu kiện thành mỏng có thể khác nhau, và khi đó các kiểm tra được cung cấp là không chính xác.

Thiết kế các liên kết của cấu kiện thành mỏng rất đặc thù theo từng trường hợp và không thể cung cấp hướng dẫn chung. IDEA StatiCa Connection chưa được kiểm định cho mục đích sử dụng này.

Kiểm tra tiêu chuẩn cấu kiện – EN

Trong EN 1993-1-1, cấu kiện thành mỏng được định nghĩa là: "Tiết diện loại 4 là những tiết diện mà oằn cục bộ sẽ xảy ra trước khi đạt đến giới hạn chảy ở một hoặc nhiều phần của tiết diện." Phần chính của Eurocode về thép được giới hạn cho các cấu kiện có chiều dày vật liệu t ≥ 3 mm. Chương 4 – Liên kết hàn chỉ áp dụng cho chiều dày vật liệu t ≥ 4 mm. Do đó, các kiểm tra cấu kiện được cung cấp bởi phần mềm không áp dụng cho các cấu kiện tạo hình nguội có chiều dày nhỏ hơn. Người dùng cần lưu ý điều này và thay thế các kiểm tra bằng các công thức phù hợp từ EN 1993-1-3 theo cách thủ công.

Phân tích nút liên kết tiết diện rỗng cũng cần được thực hiện cẩn thận đối với các cấu kiện nằm ngoài phạm vi áp dụng cho liên kết hàn – EN 1993-1-8 – Bảng 7.1. Không có hướng dẫn nào cho các nút liên kết như vậy và kết quả phần mềm chưa được kiểm định.

Kiểm tra tiêu chuẩn cấu kiện – AISC

Trong Chương A của AISC 360-16 có ghi chú người dùng: "Để thiết kế các cấu kiện kết cấu thép tạo hình nguội, các quy định trong Tiêu chuẩn Bắc Mỹ AISI về Thiết kế Cấu kiện Kết cấu Thép Tạo Hình Nguội (AISI S100) được khuyến nghị, ngoại trừ các tiết diện rỗng tạo hình nguội (HSS), được thiết kế theo Tiêu chuẩn này." AISI S100 và AS/NZS 4600 cung cấp các công thức để xác định khả năng chịu lực cắt và lực kéo của các loại phần tử liên kết phổ biến nhất cùng với phạm vi áp dụng của chúng

Kiểm tra tiêu chuẩn cấu kiện – CISC

CSA S16-14 quy định trong Chương 1: "Các yêu cầu đối với kết cấu thép như cầu, tháp ăng-ten, kết cấu ngoài khơi và các cấu kiện kết cấu thép tạo hình nguội được quy định trong các Tiêu chuẩn khác của Nhóm CSA."

Mô tả mô hình

Liên kết chống oằn xoắn ngang được mô phỏng bằng hai độ cứng được thêm vào bất kỳ bản nào:

• Độ cứng ngang (cắt) S [N] tác dụng theo phương trục y của hệ tọa độ cục bộ của bản
• Độ cứng xoắn C [Nm/m] tác dụng quanh trục x của hệ tọa độ cục bộ của bản

Người dùng có thể chọn bất kỳ bản nào của cấu kiện, chiều dài liên kết giữ ổn định, loại (liên tục hoặc rời rạc với khoảng cách đặt trước), và độ cứng ngang và xoắn.

Hệ tọa độ cục bộ của bản với LTR được áp dụng

Các nút của phần tử hữu hạn được liên kết dọc theo chiều rộng bản bằng các phần tử vật rắn tuyệt đối loại 3 (RBE3) đến một điểm trên trục dọc của bản. Độ cứng xoắn được áp dụng tại điểm này bằng một phần tử đặc biệt chỉ có một độ cứng, là xoay quanh trục x. Điểm này cũng được liên kết bởi hai RBE3 khác với một phần tử đặc biệt ở giữa chúng có một độ cứng, là chuyển vị theo trục y. 

Độ cứng ngang được người dùng đặt là tự do, ngàm cứng, hoặc với độ cứng xác định. Độ cứng ngàm cứng đủ lớn, được đặt bằng 1000 lần độ cứng cắt của bản. Độ cứng \(S\) được đặt trên một đơn vị chiều dài (một mét) với đơn vị lực [N]. Độ cứng của một phần tử \(S_i\) có đơn vị lực chia cho đơn vị chiều dài [N/m] và được tính như sau:

\[ S_i = \frac{S}{s_d} \]

trong đó:

•  \(s_d\) – khoảng cách giữa hai điểm [m]

Đối với loại rời rạc, khoảng cách được người dùng đặt trực tiếp. Đối với loại liên tục, khoảng cách đủ nhỏ để ứng xử của bản không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách.

Tương tự, độ cứng xoắn được người dùng đặt là tự do, ngàm cứng, hoặc với độ cứng xác định. Độ cứng ngàm cứng đủ lớn, được đặt bằng 1 000 lần độ cứng uốn của bản. Độ cứng \(C\) được đặt trên một đơn vị chiều dài (một mét) với đơn vị mô men uốn chia cho đơn vị chiều dài [Nm/m]. Độ cứng của một phần tử \(C_i\) có đơn vị mô men uốn chia cho bình phương đơn vị chiều dài [Nm/m²] và được tính như sau:

\[ C_i = \frac{C}{s_d} \]

Để hiểu rõ hơn về các giá trị độ cứng, xem tài liệu Khuyến nghị Châu Âu về Ổn định Kết cấu Thép bằng Tấm Sandwich.

Các phần tử hữu hạn ẩn và RBE3 cung cấp độ cứng ngang và xoắn cho bản của cấu kiện

Lưu ý rằng RBE3 chỉ là các liên kết nội suy và không tự cung cấp bất kỳ độ cứng nào.

Kiểm chứng

Mô hình cung cấp LTR đã được kiểm chứng bằng phần mềm LTBeam, sử dụng các phần tử thanh (1D) với bảy bậc tự do. Điều đó có nghĩa là tiết diện không bị biến dạng, nhưng phần tử có thể mô phỏng vênh. Sự so sánh được thực hiện trên ví dụ tiết diện IPE 180 từ thép S355 với chiều dài 6 m. Dầm được ngàm cứng ở cả hai đầu với tải trọng phân bố đều 20 kN/m tác dụng tại cánh trên. Phần mềm LTBeam có khả năng xác định mô men tới hạn đàn hồi tương ứng với kết quả phân tích oằn tuyến tính (LBA) trong IDEA StatiCa Member.

So sánh LTBeam và IDEA StatiCa Member về độ cứng ngang và xoắn 

Hệ số tải trọng tới hạn đối với oằn đàn hồi \(\alpha_{cr}\) với độ cứng ngang rất tương đồng theo cả hai phần mềm. Giới hạn độ cứng ngang mà tại đó oằn xoắn ngang chỉ ảnh hưởng đến không quá 5% khả năng chịu uốn của dầm được tính theo EN 1993-1-1 là S_lim = 8 589 kN. Tuy nhiên, các kết quả với liên kết giữ ổn định xoắn có sự phân kỳ ở các mức độ cứng xoay cao hơn. Quan sát hình dạng biến dạng trong IDEA StatiCa Member, sự khác biệt là do biến dạng tiết diện chỉ có thể được mô phỏng bằng mô hình vỏ. LTBeam cho hệ số tải trọng tới hạn không thực tế cao đối với độ cứng xoắn lớn. 

Để kiểm chứng nhận định này, mô hình phần tử vỏ ABAQUS đã được tạo tại trường đại học ETH. Dầm lại được ngàm cứng ở cả hai đầu, làm từ thép S355 và có chiều dài 6 m. Tiết diện dầm IPE 240 được sử dụng. Giới hạn độ cứng xoắn, tức là oằn xoắn ngang chỉ ảnh hưởng đến không quá 5% khả năng chịu uốn của dầm, được tính là C_lim = 27,13 kNm/m. Mô hình được tải bằng lực tại giữa nhịp ở cánh trên. 

So sánh ABAQUS, LTBeam và IDEA StatiCa Member về độ cứng xoắn

Ảnh hưởng của độ cứng xoắn rất tương đồng trong cả hai mô hình làm từ phần tử vỏ và LTBeam có sự phân kỳ. Quan trọng nhất, khả năng chịu oằn của ABAQUS và IDEA StatiCa Member được cung cấp bởi GMNIA gần như trùng khớp – sự khác biệt lên đến 4%.

Ước tính độ cứng

LTR được cung cấp bởi sàn đổ bê tông và có liên kết hỗn hợp thông qua đinh neo có thể được giả định là ngàm cứng ít nhất trong trường hợp độ cứng ngang. Độ cứng được cung cấp bởi tấm thang sóng của tấm sandwich nhỏ hơn nhiều và có thể được xác định bằng thí nghiệm hoặc tính toán. Thông thường, các giá trị độ cứng ngang và xoắn sẽ được nhà sản xuất tấm sandwich hoặc các loại lớp bọc ngoài khác khuyến nghị. 

Tính toán độ cứng ngang S [N] được cung cấp bởi tấm thang sóng được quy định trong EN 1993-1-3, Chương 10:

\[S=1000 \sqrt{t^3} \left ( 50+10 \sqrt[3]{b_{roof}} \right ) \frac{s}{h_w} \]

trong đó:

• t – chiều dày thiết kế của tấm thang sóng [mm]
• b_roof – chiều rộng mái, tức là đối với mái dốc hai phía là khoảng cách giữa đỉnh mái và mép mái [mm]
• s – khoảng cách giữa các dầm [mm]
• h_w – chiều cao biên dạng tấm thang sóng [mm] 

Công thức có giá trị nếu tấm thang sóng được liên kết với dầm tại mỗi sườn tăng cứng. Nếu tấm lợp chỉ được liên kết với dầm tại mỗi sườn tăng cứng thứ hai, thì S phải được thay thế bằng 0,2 S.

Độ cứng ngang của tấm sandwich được mô tả trong khuyến nghị ECCS. Độ cứng của phần tử liên kết là yếu tố thiết yếu:

\[S=\frac{k_v}{2B} \sum_{k=1}^{n_k}c_k^2\]

trong đó:

• k_v – độ cứng cắt của một phần tử liên kết
• B – chiều rộng của tấm sandwich
• n_k – số cặp phần tử liên kết trên mỗi tấm và gối đỡ
• c_k – khoảng cách giữa hai phần tử liên kết của một cặp

Độ cứng xoắn phức tạp hơn và cũng có thể được ước tính theo khuyến nghị ECCS. Nó bao gồm đóng góp của phần tử liên kết, tấm sandwich và biến dạng dầm. Biến dạng dầm có thể bỏ qua vì nó đã được tính trong mô hình phần tử vỏ.

Độ cứng xoắn (bên trái) và độ cứng ngang (bên phải) được cung cấp bởi tấm sandwich (ECCS, 2014)

Trong thực hành tại Mỹ, liên kết giữ ổn định chống oằn xoắn ngang thường được giả định là đầy đủ hoặc không đáng kể dựa trên loại và hướng của tấm sàn. Ví dụ, Bảng 8.1 của Sổ tay Thiết kế Kháng chấn AISC xác định các điều kiện liên kết giữ ổn định cho dầm chịu lực nén dọc trục. Tuy nhiên, khi cần thiết, độ cứng ngang có thể được suy ra từ độ cứng màng, G', được tính toán theo AISI S310. Denavit và cộng sự (2020) trình bày một phương pháp tính toán độ cứng xoắn. 

Tài liệu tham khảo

• CTICM, LTBeam v. 1.0.11, có tại: https://www.cesdb.com/ltbeam.html
• Abaqus. Tài liệu tham khảo, phiên bản 6.16. Simulia, Dassault Systéms. Pháp, 2016.
• EN 1993-1-3: Eurocode 3: Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-3: Quy tắc chung – Quy tắc bổ sung cho cấu kiện và tấm lợp tạo hình nguội, CEN, 2006.
• ECCS TC7 – Nhóm Làm việc Kỹ thuật TWG 7.9 Tấm Sandwich và Kết cấu Liên quan, Khuyến nghị Châu Âu về Ổn định Kết cấu Thép bằng Tấm Sandwich, Ấn bản thứ 2^nd, 2014. ISBN 978-90-6363-081-2
• Denavit, M.D.; Jacobs, W.P.; Helwig, T.A. (2020). "Yêu cầu Giằng Liên tục cho Oằn Xoắn Trục Bị Ràng buộc," Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, Vol. 57, pp. 69-89.

Các nút liên kết của cấu kiện tiết diện rỗng có thể chịu biến dạng lớn trong khi vẫn có khả năng chịu tải cao hơn. Mặt khác, các bản thép có thể bị oằn trong vùng không đàn hồi, vì vậy phân tích phi tuyến hình học và vật liệu được áp dụng.

Biến dạng ngoài mặt phẳng

Một trong các tiêu chí cho trạng thái giới hạn cực hạn của nút liên kết tiết diện rỗng là biến dạng ngoài mặt phẳng của tiết diện rỗng. Kiểm tra này có sẵn trong phần mềm (trong Code Setup dưới dạng kiểm tra biến dạng cục bộ, được bật theo mặc định cho các cấu kiện chịu lực tiết diện rỗng). Nó được công nhận bởi hướng dẫn thiết kế CIDECT. Giới hạn là 3% kích thước nhỏ hơn của tiết diện (0,03 d₀ cho CHS và 0,03 b₀ cho RHS) đối với trạng thái giới hạn cực hạn và 1% đối với trạng thái giới hạn sử dụng.

Định nghĩa kích thước tiết diện cho tiết diện rỗng tròn (CHS) và tiết diện rỗng chữ nhật (RHS)

Biểu đồ tải trọng - biến dạng điển hình cho nút liên kết tiết diện rỗng; đường cong màu đỏ dành cho cấu kiện thành mỏng chịu nén, đường cong màu xanh lá dành cho cấu kiện thông thường chịu nén, đường cong màu xanh dương là ví dụ cho nút X chịu kéo

Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu (GMNA)

Đối với một số nút liên kết tiết diện rỗng, đặc biệt là khi tỷ lệ đường kính trên chiều dày lớn, phân tích tuyến tính hình học có thể không mô tả đủ chính xác ứng xử của nút liên kết, và khả năng chịu tải có thể bị đánh giá thấp hoặc cao hơn thực tế. Khuyến nghị sử dụng phân tích phi tuyến hình học và vật liệu nâng cao hơn cho các nút liên kết tiết diện rỗng, mặc dù thời gian tính toán có thể cao hơn một chút. Nếu phân tích GMNA cho tiết diện rỗng được chọn trong Code setup, GMNA sẽ được sử dụng thay cho phân tích tuyến tính hình học và phi tuyến vật liệu (MNA, được sử dụng làm tiêu chuẩn trong IDEA Statica Connection) đối với các mô hình có cấu kiện tiết diện rỗng là cấu kiện chịu lực.

Lưu ý: Nếu cấu kiện chịu lực không phải là tiết diện rỗng, bộ giải GMNA sẽ bị vô hiệu hóa cho toàn bộ mô hình liên kết bất kể cài đặt trong code setup (GMNA bật hay tắt).

Tiết diện bị biến dạng tại đầu mô hình phần tử vỏ

Tiết diện có thể bị biến dạng tại các đầu của mô hình gồm các phần tử vỏ. Các nút liên kết tiết diện rỗng yêu cầu cấu kiện tương đối dài – lên đến 10 lần đường kính tiết diện. Siêu phần tử cô đặc được đặt phía sau phần mô hình gồm các phần tử vỏ. Điều này cho phép tính toán nhanh hơn với độ chính xác tương đương mô hình đầy đủ gồm các phần tử vỏ. Siêu phần tử cô đặc chỉ có thuộc tính vật liệu đàn hồi, có nghĩa là biến dạng dẻo do dạng phá hoại đang xét không nên lan đến đầu mô hình phần tử vỏ. Vì lý do này, mô hình vỏ mặc định kéo dài 1,25 lần chiều cao tiết diện (có thể chỉnh sửa trong Code setup) phía sau thao tác gia công cuối cùng.  

Khả năng chịu uốn của vỏ được giảm cho tiết diện rỗng (khuyết tật ban đầu)

Khả năng chịu tải của nút liên kết tiết diện rỗng trong các tiêu chuẩn được xác định bằng Phương pháp dạng phá hoại, sử dụng các mô hình khớp đường cong được xác định từ thí nghiệm và các mô hình số nâng cao. Kết cấu thực tế chứa các khuyết tật ban đầu và ứng suất dư, không được mô hình vỏ trong IDEA StatiCa Connection nắm bắt được. Để đạt được sự phù hợp gần hơn với kết quả của các tiêu chuẩn, ảnh hưởng của ứng suất dư và khuyết tật ban đầu được mô phỏng bằng cách giảm khả năng chịu uốn của vỏ tiết diện rỗng có tỷ lệ D/(2t) cao.

Loại phân tích mỏi không cung cấp khả năng chịu lực cuối cùng hay số chu kỳ mà chi tiết có thể chịu được. Nó chỉ cung cấp dữ liệu đầu vào cho các tính toán tiếp theo theo tiêu chuẩn.

Luôn phải thiết lập ít nhất hai trường hợp tải trọng. Trường hợp tải trọng đầu tiên là trường hợp tham chiếu. Trường hợp này được giả định là, ví dụ, trọng lượng bản thân của kết cấu và có thể chứa tải trọng bằng không. Các trường hợp tải trọng còn lại mô phỏng các tác động mỏi. Ứng suất pháp danh nghĩa và ứng suất cắt danh nghĩa được cung cấp bởi IDEA StatiCa là biên độ ứng suất giữa tác động mỏi, ví dụ LE2, và trường hợp tải trọng tham chiếu.

Ví dụ, ứng suất cắt tại một vị trí nhất định là 50 MPa trong trường hợp tải trọng tham chiếu và 180 MPa trong LE2. Ứng suất cắt danh nghĩa hiển thị tại vị trí này là:

\[\tau = 180-50=130\, \textrm{MPa}\]

Lưu ý rằng không nên có hiện tượng chảy dẻo của các bản thép do tác động mỏi, nếu không biên độ ứng suất sẽ bị sai lệch. 

Các ứng suất có thể xem cho:

• Bu lông
• Mối hàn
• Bản thép

Bu lông

Tại bu lông, ứng suất được xác định đơn giản bằng cách chia lực cho diện tích tương ứng:

• \(\sigma = F_t / A_s \)
• \(\tau = V / A \)

trong đó:

• \(F_t\) – lực kéo trong bu lông
• \(A_s\) – diện tích chịu kéo của bu lông
• \(V\) – lực cắt trong bu lông; nếu có nhiều mặt phẳng cắt, lực cắt lớn nhất được sử dụng
• \(A\) – diện tích bu lông chịu cắt; diện tích chịu kéo nếu ren bị cắt bởi mặt phẳng cắt và diện tích mặt cắt ngang nguyên trong trường hợp còn lại

Mối hàn

Mối hàn trong CBFEM bao gồm phần tử hàn với các ràng buộc đa điểm kết nối các bản thép. Phân bố ứng suất trong mối hàn bị gián đoạn bởi các ràng buộc và do đó, ứng suất được lấy từ một mặt cắt nằm cách chân mối hàn một khoảng bằng 1,5 lần kích thước cạnh hàn. Ba mặt cắt được tạo ra cho mối hàn góc hai phía. Hai mặt cắt thuộc cùng một loại chi tiết, và chỉ mặt cắt chịu ứng suất lớn hơn được hiển thị. Ứng suất pháp lớn nhất và ứng suất cắt tương ứng tại cùng vị trí đó, cũng như ứng suất cắt lớn nhất và ứng suất pháp tương ứng tại cùng vị trí đó, được hiển thị.

Xem thêm các cải tiến phân tích mỏi trong phiên bản 22.0.

Bản thép

Ứng suất trong bản thép có thể được trực quan hóa bằng cách tạo mặt cắt do người dùng định nghĩa thông qua thao tác gia công Workplane. Trong hình dưới đây, hai mặt phẳng làm việc được tạo ra để xem ứng suất xung quanh các lỗ bu lông. Ứng suất pháp lớn nhất và ứng suất cắt tương ứng tại cùng vị trí đó, cũng như ứng suất cắt lớn nhất và ứng suất pháp tương ứng tại cùng vị trí đó, được hiển thị.

Nhiệt độ

Trong IDEA StatiCa Member, người dùng đặt nhiệt độ cho toàn bộ mô hình. Tất cả các thực thể trong mô hình đều có nhiệt độ được đặt.

Trong IDEA StatiCa Connection, người dùng có thể đặt nhiệt độ cho từng cấu kiện hoặc bản thép riêng biệt. Nhiệt độ của các phần tử liên kết - bu lông và mối hàn - được giả định theo bản thép liên kết nóng nhất.

Nhiệt độ của các cấu kiện và bản thép trong các liên kết có thể được xác định theo EN 1993-1-2 – Điều 4.2.5 Sự phát triển nhiệt độ thép và D.3 Nhiệt độ của các nút liên kết trong hỏa hoạn. Các đặc tính nhiệt của các cấu kiện thép được lấy từ EN 1993-1-2:

• Nhiệt dung riêng – Điều 3.4.1.2
• Độ dẫn nhiệt – Điều 3.4.1.3

Lưu ý rằng giãn nở nhiệt không được sử dụng trong IDEA StatiCa Steel, vì nó sẽ thêm các lực phụ thuộc nhiều vào điều kiện biên. Người dùng được khuyến khích tự thêm các lực từ giãn nở nhiệt vào các hiệu ứng tải trọng.

Suy giảm vật liệu

Suy giảm vật liệu của bản thép có thể thực hiện theo ba tiêu chuẩn:

• EN 1993-1-2 – Bảng 3.1
• AISC 360-16 – Bảng A-4.2.1
• CSA S16-14 – Bảng K.1

Biểu đồ vật liệu đa tuyến được sử dụng cho bản thép với sáu điểm theo EN 1993-1-2 – Hình 3.1. Ví dụ được trình bày cho thép cấp S355, suy giảm vật liệu theo EN 1993-1-2 – Bảng 3.1, và nhiệt độ \(\theta = 560^{\circ}\textrm{C}\). Độ dốc của nhánh dẻo sau giới hạn chảy \(f_y\) là \(E_{a,\theta}/1000\). Các hệ số giảm cho mô đun đàn hồi \(k_{E,\theta}\), cho giới hạn tỷ lệ \(k_{p,\theta}\), và giới hạn chảy \(k_{y,\theta}\) lần lượt là 0,426, 0,252 và 0,594. Biến dạng dẻo được giả định tích lũy kể từ giới hạn tỷ lệ.

Suy giảm vật liệu của bu lông có thể thực hiện theo ba tiêu chuẩn:

• EN 1993-1-2 – Bảng D.1
• AISC 360-16 – Bảng A-4.2.3
• CSA S16-14 – Bảng K.3

Suy giảm vật liệu của mối hàn có thể thực hiện theo một tiêu chuẩn:

• EN 1993-1-2 – Bảng D.1

Chỉ có khả năng chịu lực của bu lông và mối hàn bị giảm. Độ cứng của chúng vẫn giữ nguyên như ở nhiệt độ môi trường.

Giãn nở nhiệt được bỏ qua và không được giả định trong bất kỳ mô hình nào. Nếu cần thiết, các hiệu ứng của giãn nở nhiệt nên được mô phỏng bằng cách thêm tải trọng.

Kiểm tra

Bản thép được kiểm tra biến dạng dẻo 5% theo mặc định. 

Trong Eurocode, hệ số an toàn riêng dành cho thiết kế chịu lửa, \(\gamma_{M,fi}\) được sử dụng để kiểm tra bu lông và mối hàn. Trong tất cả các tiêu chuẩn khác, hệ số kháng lực hoặc hệ số an toàn tiêu chuẩn được sử dụng. Các đường cong tải trọng - biến dạng và kiểm tra bu lông và mối hàn được giảm theo các hệ số \(k_b\) và \(k_f\) dựa trên nhiệt độ đặt.

Bu lông siết trước được giả định là bị trượt và được kiểm tra như bu lông siết thông thường.

Neo và khối bê tông không được kiểm tra trong thiết kế chịu lửa, vì nhiệt độ của kết cấu bê tông tương ứng là chưa biết.

Độ cứng

Phân tích độ cứng hiện không có sẵn cho thiết kế chịu lửa. Khuyến nghị sử dụng phân tích độ cứng ở nhiệt độ môi trường và nhân độ cứng với hệ số giảm cho mô đun đàn hồi \(k_{E,\theta}\).

Trong IDEA StatiCa Connection, có hai phương pháp xác định kích thước mối hàn dành cho tất cả người dùng:

• Theo cường độ đầy đủ
• Với hệ số dư bền

Đối với người dùng Eurocode, có thêm hai phương pháp:

• Theo ước tính khả năng chịu lực
• Theo độ dẻo tối thiểu

Phương pháp xác định kích thước mối hàn được chỉ định trong hộp thoại Thao tác.

Khi chạy tính năng xác định kích thước mối hàn, mọi mối hàn góc trong mô hình đều được điều chỉnh theo phương pháp xác định kích thước mối hàn. Nhìn chung, kích thước mối hàn sẽ tăng dần theo thứ tự sau:

1. Theo ước tính khả năng chịu lực
2. Theo độ dẻo tối thiểu
3. Cường độ đầy đủ
4. Với hệ số dư bền

Các phương pháp được mô tả chi tiết dưới đây. 

Theo ước tính khả năng chịu lực

Xác định kích thước mối hàn theo ước tính khả năng chịu lực tự động cung cấp kích thước mối hàn đủ mạnh để truyền tải trọng đã đặt. 

Ước tính khả năng chịu lực của mối hàn là ứng dụng học máy đầu tiên trong IDEA StatiCa. Hiện tại, tính năng này chỉ được triển khai cho Eurocode. Khả năng chịu lực của mối hàn được xác định theo phần tử mối hàn chịu ứng suất lớn nhất. Do đó, hệ số sử dụng mối hàn có tính phi tuyến cao. Khả năng chịu lực của toàn bộ chiều dài được ước tính bằng thuật toán học máy dựa trên phân bố ứng suất dọc theo chiều dài mối hàn.

Xác định kích thước mối hàn theo ước tính khả năng chịu lực yêu cầu có kết quả tính toán. Kích thước mối hàn góc được điều chỉnh theo công thức sau:

\[ a_{new} = a \cdot Ut_c / Ut_{target} \]

trong đó:

• \(a_{new}\) – kích thước mối hàn góc đã điều chỉnh
• \(a\) – kích thước mối hàn góc đã đặt trước đó
• \(Ut_c\) – ước tính khả năng chịu lực dựa trên thuật toán học máy, hiển thị tại mục kiểm tra mối hàn 
• \(Ut_{target}\) – hệ số sử dụng mục tiêu trong Cài đặt → Thiết kế → Tự động thiết kế → Kích thước mối hàn

Giá trị \(a_{new}\) kết quả được làm tròn lên theo Tùy chọn → Đơn vị ứng dụng → Làm tròn thực thể mới → Kích thước mối hàn. 

Lưu ý rằng kích thước mối hàn bị giới hạn bởi các quy định cấu tạo, ví dụ kích thước mối hàn không được nhỏ hơn 3 mm (EN 1993-1-8 – 4.5.2). Các quy định cấu tạo này được tuân thủ. Ngoài ra, cần lưu ý rằng nhiều mối hàn trong IDEA StatiCa thường được đặt bằng một giá trị duy nhất. Trong những trường hợp này, kích thước được đặt theo mối hàn có hệ số sử dụng cao nhất.

Ngoài ra, có thể sử dụng vòng lặp tính toán. Khi phương pháp xác định kích thước mối hàn được đặt theo ước tính khả năng chịu lực, trình tự thực hiện như sau:

1. Xác định kích thước mối hàn góc theo cường độ đầy đủ
2. Tính toán mô hình
3. Xác định kích thước mối hàn góc theo ước tính khả năng chịu lực
4. Tính toán mô hình

Mối hàn sau đó được đặt ở mức bằng hoặc dưới hệ số sử dụng mục tiêu chỉ với một lần nhấp.

Theo độ dẻo tối thiểu

Xác định kích thước mối hàn theo độ dẻo tối thiểu tự động cung cấp các liên kết hàn đủ mạnh để ngăn ngừa phá hoại giòn. Cường độ mối hàn cho phép chảy dẻo ban đầu của bản thép, nhưng cuối cùng mối hàn sẽ bị đứt.

Yêu cầu về độ dẻo tối thiểu của liên kết hàn trong FprEN 1993-1-8:2023 – 6.9(4). Yêu cầu này xuất phát từ phụ lục quốc gia của Hà Lan đối với EN 1993-1-8, trong đó tỷ lệ cố định giữa cường độ mối hàn và cường độ bản thép là 0,8. Yêu cầu này cũng được đưa vào Sách xanh được sử dụng rộng rãi của Vương quốc Anh, cụ thể là Chương C2 và C3. Tuy nhiên, tỷ lệ cố định này chỉ phù hợp với thép cấp S355. Trong thế hệ Eurocode thứ hai, điều này được mở rộng cho tất cả các cấp thép.

Yêu cầu này được kiểm tra cho mối hàn góc hai phía bằng:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot \min \left \{1.0, 1.1\frac{f_y}{f_u} \right \}\]

trong đó:

• \(a\) – chiều cao họng mối hàn
• \(t\) – chiều dày bản thép được liên kết bằng cạnh
• \(\beta_w\) – hệ số tương quan mối hàn 
• \(\gamma_{M2}\) – hệ số an toàn cho bu lông và mối hàn; có thể chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn
• \(f_y\) – giới hạn chảy của bản thép
• \(f_u\) – cường độ kéo đứt của mối hàn
• \(\gamma_{M0}\) – hệ số an toàn cho bản thép; có thể chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn

Chiều cao họng mối hàn góc một phía lớn gấp đôi so với mối hàn góc hai phía.

Lưu ý rằng phương pháp này hữu ích cho các mối hàn chịu tải trọng ngang và có hiệu quả khi bản thép được liên kết theo toàn bộ chiều rộng.

Theo cường độ đầy đủ

Xác định kích thước mối hàn theo cường độ đầy đủ tự động cung cấp các mối hàn có cường độ cao hơn bản thép được liên kết. Trong tính toán, giả định rằng các bản thép chịu kéo và mối hàn chịu tải trọng ngang như trường hợp bất lợi nhất về cường độ và độ dẻo của mối hàn. Thiết kế này hữu ích để tránh phá hoại giòn của mối hàn khi chịu tải trọng tĩnh.

Phương pháp này cũng được đưa vào Sách xanh được sử dụng rộng rãi của Vương quốc Anh, cụ thể là Chương C1.

Yêu cầu này được kiểm tra cho mối hàn góc hai phía bằng:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} }\]

trong đó:

• \(a\) – chiều cao họng mối hàn
• \(t\) – chiều dày bản thép được liên kết bằng cạnh
• \(\beta_w\) – hệ số tương quan mối hàn 
• \(\gamma_{M2}\) – hệ số an toàn cho bu lông và mối hàn; có thể chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn
• \(f_y\) – giới hạn chảy của bản thép
• \(f_u\) – cường độ kéo đứt của mối hàn
• \(\gamma_{M0}\) – hệ số an toàn cho bản thép; có thể chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn

Lưu ý rằng phương pháp này hữu ích cho các mối hàn chịu tải trọng ngang và có hiệu quả khi bản thép được liên kết theo toàn bộ chiều rộng.

Với hệ số dư bền

Xác định kích thước mối hàn với hệ số dư bền tự động cung cấp các mối hàn có cường độ cao hơn nhiều so với bản thép được liên kết. Hệ số dư bền được chỉ định trong Cài đặt → Thiết kế → Tự động thiết kế → Kích thước mối hàn. Giá trị mặc định là 1,4 được lấy từ EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) để hình thành khớp dẻo. 

Trong tính toán, giả định rằng các bản thép chịu kéo và mối hàn chịu tải trọng ngang như trường hợp bất lợi nhất về cường độ và độ dẻo của mối hàn. Thiết kế này hữu ích để tránh phá hoại giòn của mối hàn khi thiết kế dẻo hoặc chịu tải trọng chu kỳ. Lưu ý rằng kích thước mối hàn lớn không tự động đảm bảo độ dẻo cao. Ngược lại, điều này có thể dẫn đến ứng suất dư và biến dạng quá mức do co ngót mối hàn.

Yêu cầu này được kiểm tra cho mối hàn góc hai phía bằng:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot f_{overstrength}\]

trong đó:

• \(a\) – chiều cao họng mối hàn
• \(t\) – chiều dày bản thép được liên kết bằng cạnh
• \(\beta_w\) – hệ số tương quan mối hàn 
• \(\gamma_{M2}\) – hệ số an toàn cho bu lông và mối hàn; có thể chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn
• \(f_y\) – giới hạn chảy của bản thép
• \(f_u\) – cường độ kéo đứt của mối hàn
• \(\gamma_{M0}\) – hệ số an toàn cho bản thép; có thể chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn
• \(f_{overstrength}\) – hệ số dư bền được chỉ định trong Cài đặt → Thiết kế → Tự động thiết kế → Kích thước mối hàn

Lưu ý rằng phương pháp này hữu ích cho các mối hàn chịu tải trọng ngang và có hiệu quả khi bản thép được liên kết theo toàn bộ chiều rộng.