Giới thiệu chung
IDEA StatiCa Member là phần mềm kỹ thuật kết cấu dùng để thiết kế và kiểm tra tiêu chuẩn cho cấu kiện thép, bao gồm cả các liên kết và các dầm, cột lân cận cần thiết.
Các ví dụ điển hình về cấu kiện thép không phổ biến
Có nhiều công cụ tuyệt vời để thiết kế khung không gian thép 3D – SAP2000, Robot Structural Analysis, SCIA Engineer, v.v.
Các phần mềm này đáp ứng gần như tất cả yêu cầu của kỹ sư thiết kế kết cấu thép. Nhưng vẫn còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng. Chủ yếu ở:
- Liên kết, chi tiết, nút
- Ổn định và oằn
IDEA StatiCa tập trung vào các phần phức tạp hơn của kết cấu thép và cung cấp:
- IDEA StatiCa Connection để kiểm tra nút và liên kết với bất kỳ hình học nào
- IDEA StatiCa Member để giải quyết tất cả các vấn đề chưa rõ ràng về ổn định và oằn
Mỗi kỹ sư kết cấu thường tính toán kết cấu thép trong một phần mềm FEA 3D nào đó. Sau đó, họ cần lấy từng cấu kiện thép và thực hiện hai kiểm tra chính cho cấu kiện thép:
- Kiểm tra tiết diện
- Kiểm tra ổn định
Kỹ sư sử dụng nội lực đã tính toán và áp dụng các công thức phân tích được quy định chủ yếu trong tiêu chuẩn thiết kế quốc gia.
Cách tiếp cận tương tự được áp dụng trong Member cho thép.
Kỹ sư kết cấu tính toán kết cấu thép (khung) trong phần mềm FEA 3D. Cấu kiện được phân tích và tất cả các cấu kiện liên quan đến nó được tách ra khỏi kết cấu 3D đã mô hình hóa và được giải quyết bằng CBFEM.
- Phân tích tổng thể của khung thép được thực hiện trong phần mềm FEA 3D.
- Tất cả các cấu kiện được phân tích đều được mô hình hóa bằng CBFEM.
- Một mô hình đơn giản hơn được sử dụng cho tất cả các cấu kiện liên quan (được liên kết tại các nút). Các cấu kiện liên quan có thể được kê gối ở đầu.
- Nút và liên kết được thiết kế trong giao diện IDEA StatiCa Connection.
- Các thao tác gia công cụ thể có thể được áp dụng trên cấu kiện – sườn tăng cứng ngang hoặc dọc, lỗ mở, các đường cắt...
- Tải trọng có thể được đặt lên các cấu kiện và tại các đầu của cấu kiện liên quan (nguyên tắc cân bằng giống như trong Connection).
- Cấu kiện được phân tích chịu tải trọng tiêu chuẩn được suy ra từ nội lực đã tính toán (trong quá trình nhập mô hình và các trường hợp tải trọng). Người dùng có thể chọn vị trí đặt tải, ví dụ tại cánh trên của dầm.
- Các cấu kiện liên quan chịu tải trọng tiêu chuẩn và nội lực tại đầu.
CBFEM mô hình của một cột. Một cột được phân tích, bốn cấu kiện liên quan, và một mô hình chi tiết của neo móng
Mô hình CBFEM của một dầm rỗng giữa hai cột
Mô hình phân tích của Member được tạo ra bằng CBFEM. Member cung cấp ba loại phân tích:
- MNA – Phân tích phi tuyến vật liệu.
- LBA – Phân tích oằn tuyến tính (ổn định)
- GMNIA – Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu
Kỹ sư kết cấu có thể thực hiện trong Member ở mức độ cao hơn nhiều các kiểm tra giống như trong quy trình tiêu chuẩn:
- Kiểm tra tiết diện: sử dụng MNA. Áp dụng kiểm tra biến dạng 5 %.
- Kiểm tra ổn định: LBA cho biết dạng phá hoại mất ổn định và đưa ra khuyến nghị về cách xác định khuyết tật ban đầu. GMNIA sau đó được sử dụng. Áp dụng kiểm tra biến dạng 5 % hoặc đạt tải trọng tối đa (kết thúc hội tụ).
Cùng một mô hình như trong IDEA StatiCa Connection – Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện – được sử dụng:
Cơ sở lý thuyết của IDEA StatiCa Connection
Mô tả mô hình
Ứng dụng IDEA StatiCa Member làm việc với một mô hình đa cấp của kết cấu có tải trọng tổ hợp. Mục tiêu là nghiên cứu và kiểm tra đúng đắn các cấu kiện được chọn của kết cấu – các cấu kiện “được phân tích”.
Các phần khác của mô hình bao gồm:
- (Các) cấu kiện liên quan – tất cả các cấu kiện được liên kết với (các) cấu kiện được phân tích
- (Các) liên kết – (các) liên kết CBFEM giữa cấu kiện được phân tích và các cấu kiện liên quan
- Gối tựa đầu trên cấu kiện liên quan
- Tải trọng trên cấu kiện được phân tích
- Tải trọng trên các cấu kiện liên quan
- Nội lực đầu trên các cấu kiện liên quan
Mô hình CBFEM của cấu kiện là một phần của hệ giằng chống động đất
Cấu kiện được phân tích được “cắt tách” khỏi kết cấu và được nghiên cứu riêng biệt. Tất cả tải trọng trên cấu kiện được phân tích và các cấu kiện liên quan phải được áp dụng giống như trong mô hình 3D của toàn bộ kết cấu. Tại các vị trí “cắt”, được thực hiện tại các đầu của cấu kiện liên quan, nội lực được áp dụng như các tác động lên cấu kiện. Kết cấu được cắt tách và chịu tải theo cách này ở trạng thái cân bằng. Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết, không cần gối tựa cho mô hình phân tích. Mô hình CBFEM chính xác hơn mô hình cấu kiện tiêu chuẩn. Đây là một lợi ích nhưng nó cũng gây ra sự vi phạm cân bằng cục bộ. Do đó, việc áp dụng gối tựa tại các đầu của dầm liên quan là hữu ích. Gối tựa nên được xác định sao cho cho phép ứng xử của kết cấu được cắt tách giống như trong toàn bộ kết cấu. Chương trình để việc này tùy theo phán đoán của kỹ sư kết cấu.
Cấu kiện được phân tích
Cấu kiện được phân tích là cấu kiện được nghiên cứu mà tải trọng được đặt trực tiếp lên đó. Tải trọng trên cấu kiện được phân tích có thể được áp dụng lên đường trục cấu kiện hoặc trực tiếp lên từng bản của cấu kiện với diện tích chịu tải thực tế. Các cấu kiện được phân tích được mô hình hóa đầy đủ bằng phần tử vỏ.
Mô hình của cấu kiện được phân tích
Cấu kiện liên quan
Các cấu kiện liên quan được chia thành phần đoạn nhô kề với cấu kiện được phân tích và phần đơn giản hóa ở phần còn lại của cấu kiện liên quan. Đoạn nhô được mô hình hóa bằng phần tử vỏ (mô hình CBFEM đầy đủ) và các phần đơn giản hóa bằng các phần tử dầm 1D đơn giản với sáu bậc tự do. Chỉ phần cần thiết gần với nút liên kết với cấu kiện được phân tích (đoạn nhô) mới được mô hình hóa bằng phần tử vỏ để tăng tốc độ tính toán. Các đầu của cấu kiện liên quan được kê gối bằng cách hạn chế chuyển vị hoặc xoay theo bất kỳ hướng nào do người dùng xác định trong hệ tọa độ cục bộ của cấu kiện liên quan.
Mô hình của dầm liên quan
Liên kết
Các liên kết giữa cấu kiện được phân tích và các cấu kiện liên quan được xác định đúng theo cách chúng được mô hình hóa trong IDEA StatiCa Connection. Lưu ý rằng chúng không được kiểm tra trong IDEA StatiCa Member, vì ứng dụng này làm việc với tải trọng quan trọng đối với cấu kiện, không phải đối với liên kết. Việc kiểm tra đúng đắn các liên kết phải được thực hiện trong IDEA StatiCa Connection.
Gối tựa
IDEA StatiCa Member bổ sung cấp độ phân tích FEA thứ hai cho (các) cấu kiện được chọn. Cấp độ đầu tiên được thực hiện trong chương trình FEA 3D tiêu chuẩn. Cấp độ thứ hai sử dụng nội lực đã tính toán ở cấp độ đầu tiên. Kết cấu chịu tải theo cách này ở trạng thái cân bằng.
Mô hình chính xác hơn (ví dụ: độ lệch tâm cục bộ của cấu kiện, chiều dài thực của cấu kiện...) và đặc biệt là các khuyết tật ban đầu được áp đặt cho phân tích GMNIA khiến cho cân bằng không được duy trì. Nên áp dụng gối tựa hợp lý dựa trên phán đoán của kỹ sư kết cấu.
Gối tựa tiêu chuẩn có thể được xác định tại các đầu của cấu kiện liên quan. Cả ba chuyển vị tịnh tiến và ba chuyển vị xoay đều có thể bị loại bỏ bằng gối tựa. Gối tựa được xác định trong hệ tọa độ cục bộ của cấu kiện.
Gối tựa đầu trên cấu kiện liên quan – xà gồ; hướng x và cả 3 chuyển vị xoay đều được kê gối
Tải trọng
Cấu kiện được phân tích (hoặc một phần kết cấu) phải được đặt tải giống như khi nó chịu tải trong toàn bộ kết cấu. Trọng lượng bản thân không được áp dụng tự động; chỉ những tải trọng do người dùng xác định mới được xem xét. Các loại tải trọng sau được áp dụng:
- Tải phân bố trên cấu kiện được phân tích và cấu kiện liên quan
- Nội lực tại các tiết diện đầu của cấu kiện liên quan
Tải phân bố
Kỹ sư kết cấu đã quen thuộc với tải phân bố và tải tập trung từ phần mềm FEA 3D. Các tải trọng này được lý tưởng hóa cho mục đích của cấu kiện 1D. Chúng không tồn tại trong thực tế. Tải trọng thực tế thường là tải phẳng, hoặc tải bề mặt, hoặc các cấu kiện chịu tải thông qua liên kết với các cấu kiện khác.
Người dùng có thể áp dụng tải phân bố lên các cấu kiện được phân tích, nhưng phải bổ sung thêm chi tiết – tải trọng được đặt lên cánh hoặc bụng nào, bề rộng của vùng chịu tải, v.v. Ngoài ra, tải tập trung nên được nhập tốt hơn dưới dạng tải phẳng với chiều dài và chiều rộng cụ thể.
Tải phân bố trên các cấu kiện liên quan được áp dụng theo cách tiêu chuẩn như trong phần mềm FEA 3D.
Tải tập trung được nhập dưới dạng tải phân bố với chiều rộng cụ thể
Nội lực đầu
Nội lực tại các tiết diện đầu của cấu kiện liên quan. Chúng được áp dụng như các tác động lên cấu kiện liên quan. Điều này rất giống với việc đặt tải lên các cấu kiện trong mô hình liên kết ở IDEA StatiCa Connection.
Nội lực dưới dạng tác động tải trọng tại đầu của cấu kiện liên quan
Ví dụ thực tế
Quy trình lắp ráp mô hình CBFEM được trình bày trong ví dụ sau đây.
Người thiết kế cần kiểm tra khả năng chịu oằn xoắn ngang của một dầm chính trong khung. Nếu sử dụng phương pháp tiêu chuẩn, toàn bộ khung được tính toán trong phần mềm FEA 3D. Sau đó, dầm chính được kiểm tra riêng biệt. Điều kiện biên được quyết định; các tiêu chuẩn thường sử dụng giả thiết gối tựa ngàm cứng hoặc khớp. Nói chung, thậm chí có thể chọn lò xo cho liên kết bán cứng. Quyết định này là yếu tố then chốt trong việc đánh giá khả năng chịu oằn xoắn ngang và hoàn toàn phụ thuộc vào ước lượng của người thiết kế. Nội lực đã tính toán được so sánh với khả năng chịu oằn xoắn ngang xác định bằng các công thức giải tích.
Ứng dụng Member sử dụng hoàn toàn cùng nguyên tắc này. Cấu kiện được phân tích được cắt tách từ mô hình đầy đủ của kết cấu. Điều kiện biên không được ước lượng, mà tất cả các phần kết nối được mô hình hóa chính xác. Vấn đề về điều kiện biên không được giải quyết hoàn toàn do cần phải kê gối tại các đầu của cấu kiện liên quan. Gối tựa của cấu kiện liên quan phụ thuộc vào quyết định của người thiết kế, nhưng ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu tải của cấu kiện được phân tích nhỏ hơn nhiều bậc độ lớn so với phương pháp tiêu chuẩn.
Ví dụ về mô hình của dầm chính với các nút liên kết, cấu kiện liên quan và tải trọng
Cấu kiện được phân tích AM1 – dầm chính – chịu tải phân bố liên tục tác động lên cánh trên. Các nút liên kết được mô hình hóa và kiểm tra trong IDEA StatiCa Connection.
Các cột là các cấu kiện liên quan trong mô hình. Chúng được ngàm cứng tại chân. Ở đầu trên, chúng chỉ được kê gối theo phương ngang (y, z). Điều này cho phép các cột chịu tải trọng từ phần còn lại của kết cấu – bằng lực dọc trục và mô-men uốn trong ví dụ này. Độ lớn của chúng tương ứng với nội lực đã giải trên mô hình 3D trong phần mềm FEA. Không có tải trọng nào khác tác động lên các cột.
Các cấu kiện liên quan khác là các dầm phụ. Chúng được kê gối đơn giản, và tải trọng thực tế được áp dụng lên chúng dọc theo toàn bộ chiều dài. Tại các đầu của chúng, gối tựa đơn giản được áp dụng cùng với hạn chế bổ sung về xoay quanh trục dọc x.
Tất nhiên, mô hình CBFEM cũng được đơn giản hóa phần nào. Tuy nhiên, nó mô tả ứng xử của cấu kiện được phân tích chính xác hơn so với phương pháp tiêu chuẩn dựa trên công thức giải tích và ước lượng điều kiện biên cùng biểu đồ mô-men uốn.
Các hình sau đây cho thấy ứng xử dự kiến của dầm chính.
Biến dạng của dầm chính xác định bằng MNA
Dạng oằn xác định bằng LBA
Phân tích
IDEA StatiCa Member có khả năng thực hiện ba loại phân tích:
- Phân tích phi tuyến vật liệu
- Phân tích oằn tuyến tính
- Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu
Hai loại phân tích đầu tiên có thể được sử dụng để kiểm tra tiêu chuẩn cho cấu kiện, ví dụ sử dụng Phương pháp tổng quát (EN 1993-1-1, Điều 6.3.4), nhưng chủ yếu chúng được sử dụng để chuẩn bị cho loại phân tích thứ ba, chính xác nhất.
Phân tích phi tuyến vật liệu (MNA)
Phân tích tĩnh phi tuyến vật liệu và tuyến tính hình học là đủ đối với các cấu kiện chắc chắn không có vấn đề về oằn. Mục tiêu của ứng dụng IDEA StatiCa Member là giải quyết các cấu kiện phức tạp, do đó phân tích MNA thường không đủ để đánh giá đầy đủ. Phân tích này là cần thiết để thực hiện các loại phân tích khác.
Biểu đồ vật liệu của thép trong mô hình số
Phân tích oằn tuyến tính (LBA)
Trong loại phân tích này, kết cấu được coi là hoàn hảo, không có bất kỳ khuyết tật hình học hoặc vật liệu nào, và vật liệu là đàn hồi. Phân tích oằn tuyến tính cung cấp hệ số αcr – hệ số khuếch đại tối thiểu cho tải trọng thiết kế để đạt được khả năng chịu lực tới hạn đàn hồi của cấu kiện kết cấu. Hệ số này xác định tải trọng khi đạt tải trọng oằn tới hạn Euler. Tải trọng oằn thực tế của một kết cấu thực, có khuyết tật có thể thấp hơn nhiều, do đó nên áp dụng biên độ an toàn cao:
- αcr > 15 – sử dụng MNA
- αcr < 15 – sử dụng GMNIA
Một kết quả khác của LBA có tầm quan trọng tương đương là dạng oằn. Nó cung cấp thông tin về phần nào của kết cấu được mô hình hóa bị mất ổn định. Người dùng nên kiểm tra tất cả các dạng oằn và chọn ra những dạng quan trọng để áp dụng khuyết tật ban đầu. Các dạng oằn quan trọng thường gây ra độ võng dạng cung nửa bước sóng hình sin của cấu kiện được phân tích hoặc oằn cục bộ của các bản mảnh.
Các dạng oằn
Dạng oằn cũng cung cấp cho chúng ta thông tin về việc cấu kiện bị phá hoại do oằn uốn quanh trục yếu hơn hay trục mạnh hơn, oằn xoắn (đối với cột chịu tải dọc trục) hoặc oằn xoắn ngang (đối với dầm chịu uốn) hoặc oằn cục bộ (đối với cấu kiện có bản mảnh). Lưu ý rằng đối với các kết cấu phức tạp, các dạng oằn có thể kết hợp oằn của nhiều cấu kiện với các hình dạng khác nhau. Ngoài ra, nếu toàn bộ khung được mô hình hóa, khung sẽ bị oằn như một tổng thể chứ không phải cột và dầm chính riêng biệt.
Oằn uốn, oằn xoắn, oằn xoắn ngang
Để tính toán các dạng oằn, thuật toán Lanczos được sử dụng.
Một hạn chế của thuật toán này là nếu tồn tại nhiều dạng oằn có cùng hệ số oằn hoặc hệ số oằn rất gần nhau, phương pháp này chỉ có khả năng tính toán một trong các dạng đó. Điều này thường xảy ra với các kết cấu thành mỏng, trong đó các dạng ứng với một hệ số oằn duy nhất có thể có nhiều hình dạng khác nhau, vì vậy người dùng cần lưu ý hạn chế này.
Đối với mỗi dạng oằn, luôn tồn tại một dạng oằn thứ hai có cùng hệ số oằn nhưng biến dạng ngược lại. Điều này cần được lưu ý khi kết hợp các dạng để tạo khuyết tật ban đầu cho GMNIA – người dùng có thể muốn sử dụng dạng oằn với dấu ngược lại nếu dạng kết quả nguy hiểm hơn khi kết hợp với một dạng oằn khác.
Các dạng oằn được sử dụng trực tiếp để áp dụng khuyết tật ban đầu trong loại phân tích phức tạp nhất – GMNIA.
Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu (GMNIA)
Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật ban đầu là loại phân tích phức tạp nhất đối với tải trọng tĩnh. Tất cả các khuyết tật (chiều dày bản thay đổi, độ không thẳng, ứng suất dư, sự không đồng nhất trong vật liệu, sai lệch vị trí gối tựa...) được thay thế bằng khuyết tật hình học tương đương và có thể được thiết lập bằng cách sử dụng các dạng oằn được tính toán bằng LBA. Người dùng chọn biên độ tối đa của dạng oằn được sử dụng làm khuyết tật ban đầu. Mô tả về khuyết tật ban đầu được trình bày trong chương tiếp theo.
Diễn giải kết quả
Hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế công nhận hai trạng thái giới hạn – trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn cực hạn.
Trạng thái giới hạn sử dụng
Các tiêu chuẩn thiết kế đưa ra giới hạn về độ võng của cấu kiện. Các giới hạn này có thể được kiểm tra bằng cách so sánh độ võng của cấu kiện được phân tích với các giá trị giới hạn.
Trạng thái giới hạn cực hạn
Trạng thái giới hạn cực hạn có thể đạt được khi đạt giá trị giới hạn của biến dạng màng chính – được khuyến nghị là 5 % hoặc khi đạt tải trọng tối đa đối với các cấu kiện dễ bị oằn. Tải trọng tối đa đạt được khi bộ giải ngừng hội tụ (vì mô hình chịu tải bằng lực chứ không phải bằng chuyển vị). Kết thúc hội tụ có nghĩa là không thể áp dụng thêm bất kỳ gia số tải trọng nào lên mô hình, và phân tích có thể dừng lại ở mức dưới 100 % tải trọng đã xác định. Nhánh giảm của biểu đồ tải trọng - biến dạng không thể được ghi nhận.
Kết thúc hội tụ trong GMNIA
Khuyết tật ban đầu
Khuyết tật ban đầu là những sai lệch trong gối tựa, ứng suất dư trong cấu kiện, chiều dày bản thay đổi, độ không thẳng của cấu kiện, v.v. Tất cả các khuyết tật này được mô phỏng bằng khuyết tật hình học tương đương. Ba loại khuyết tật hình học có thể được xem xét:
- Khuyết tật tổng thể của kết cấu
- Khuyết tật cục bộ của cấu kiện
- Khuyết tật cục bộ của các bản mảnh của cấu kiện
Có các hướng dẫn, ví dụ trong EN 1993-1-1 và EN 1993-1-5, cho từng loại khuyết tật.
Lưu ý rằng nói chung, các dạng khuyết tật với dấu dương và âm (các hướng khác nhau) cần được nghiên cứu. Chỉ khi hình học đối xứng thì cả hai hướng khuyết tật mới cho kết quả giống nhau, và chỉ cần nghiên cứu một hướng.
Khuyết tật tổng thể
Khuyết tật tổng thể của kết cấu được mô tả trong EN 1993-1-1, Điều 5.3.2 (3). Kết cấu nên được nghiêng theo dạng khuyết tật nghiêng tương đương theo hình dưới đây.
Khuyết tật nghiêng tương đương (theo EN 1993-1-1 – Hình 5.2)
Góc khuyết tật là:
trong đó:
- ϕ0 = 1/200 – giá trị cơ bản của khuyết tật
- – hệ số giảm theo chiều cao h áp dụng cho cột
- h – chiều cao của kết cấu tính bằng mét
- – hệ số giảm theo số lượng cột trong một hàng
- m – số lượng cột trong một hàng, chỉ tính những cột chịu tải trọng đứng NEd không nhỏ hơn 50 % giá trị trung bình của cột trong mặt phẳng đứng đang xét
Khuyết tật tổng thể nên được áp dụng cho kết cấu trong mô hình phân tích tổng thể để thu được tải trọng chính xác. Khuyết tật tổng thể không cần thiết phải được áp dụng thêm cho mô hình trong ứng dụng IDEA StatiCa Member nếu, ví dụ, chỉ một dầm được phân tích.
Khuyết tật cục bộ của cấu kiện
Khuyết tật cục bộ của cấu kiện được mô tả trong EN 1993-1-1, Điều 5.3.2 (3). Các khuyết tật được xem xét dưới dạng khuyết tật cung cục bộ với biên độ e0/L, trong đó L là chiều dài lý thuyết của cấu kiện (khoảng cách giữa các nút).
Giá trị thiết kế của khuyết tật cung cục bộ ban đầu (theo EN 1993-1-1 – Bảng 5.1)
Phân tích dẻo được sử dụng nên cột bên phải của bảng cần được sử dụng. Biên độ e0 nên được chọn theo bảng trên đối với các cấu kiện chịu nén là chủ yếu, nơi dự kiến xảy ra oằn uốn, oằn xoắn hoặc oằn xoắn-uốn. Nếu cấu kiện chịu uốn là chủ yếu và dạng phá hoại chính là oằn xoắn ngang, biên độ e0 có thể được giảm bằng hệ số k = 0,5 theo EN 1993-1-1, Điều 5.3.4 (3).
Hai ví dụ được trình bày:
Ví dụ 1: Cột
Một cột có chiều dài 4 m chịu lực dọc trục và có αcr = 1,4 đối với oằn quanh trục mạnh và αcr = 1,5 đối với trục yếu. Các giá trị khác cao hơn đáng kể. Hai trường hợp cần được kiểm tra:
- Oằn quanh trục mạnh: Theo Bảng 6.2, đường cong oằn a được chọn, tương ứng với biên độ khuyết tật e0 / L = 1 / 250 đối với phân tích dẻo. Do đó, biên độ 4000 / 250 = 16 mm được áp dụng cho dạng oằn thứ nhất. GMNIA được chạy và các trạng thái giới hạn được đánh giá.
- Oằn quanh trục yếu: Theo Bảng 6.2, đường cong oằn b được chọn, tương ứng với biên độ khuyết tật e0 / L = 1 / 200 đối với phân tích dẻo. Do đó, biên độ 4000 / 200 = 20 mm được áp dụng cho dạng oằn thứ hai. GMNIA được chạy và các trạng thái giới hạn được đánh giá.
Khả năng chịu tải nhỏ nhất nên được sử dụng. Ngoài ra, cả hai dạng oằn có thể được sử dụng đồng thời, dẫn đến kết quả an toàn hơn và thời gian tính toán nhanh hơn.
Ví dụ 2: Dầm
Dầm với nhịp lý thuyết (khoảng cách giữa các nút) là 6 m chịu tải trọng ngang. LBA cho thấy dạng oằn thứ nhất là oằn xoắn ngang với αcr = 1,9. Các dạng oằn khác có giá trị αcr cao hơn đáng kể. Theo Bảng 6.4, đường cong oằn a được chọn, tương ứng với biên độ e0 / L = 1 / 250. Vì oằn xoắn ngang đang được nghiên cứu, hệ số k0 = 0,5 có thể được sử dụng. Biên độ 0,5 • 6000 / 250 = 12 mm được áp dụng cho dạng oằn thứ nhất. GMNIA được chạy và các trạng thái giới hạn được đánh giá
Khuyết tật cục bộ của các bản mảnh của cấu kiện
Nếu cấu kiện thuộc loại 4, khuyết tật cục bộ của bản cũng cần được áp dụng. Biên độ khuyết tật của tấm nên là a / 200, trong đó a là nhịp ngắn hơn của tấm theo EN 1993-1-5, Điều C.5.
Oằn cục bộ của bản mảnh
Mặc dù GMNIA nên là phân tích phù hợp để đánh giá cấu kiện mảnh, hiện tại, chưa có đủ các kiểm chứng và xác nhận để khẳng định mô hình là an toàn. Do đó, hiện chưa khuyến nghị sử dụng IDEA StatiCa Member cho các cấu kiện mảnh (loại 4).
Ảnh hưởng của khuyết tật ban đầu đến phân tích số của các bản mảnh
Áp dụng khuyết tật ban đầu trong IDEA StatiCa Member
IDEA StatiCa Member cho phép áp dụng khuyết tật ban đầu theo các dạng oằn với biên độ tối đa được người dùng chọn theo giá trị tuyệt đối. Thông thường, dạng oằn thứ nhất với biên độ tối đa theo Bảng 5.1 trong EN 1993-1-1 là đủ. Đối với cấu kiện có tiết diện loại 4, cần xem xét nhiều dạng oằn hơn và sử dụng tổ hợp ít nhất hai dạng oằn. Đặc biệt đối với mô hình có nhiều cấu kiện được phân tích, phải chọn nhiều dạng oằn.
Khuyết tật hình học là tương đương và không nên đưa vào việc đánh giá kết quả, ví dụ độ võng ở trạng thái giới hạn sử dụng. Do đó, khi hiển thị kết quả, chỉ độ võng do tải trọng gây ra được thể hiện trên kết cấu chưa bị biến dạng bởi khuyết tật ban đầu.
Thiết kế nâng cao theo AISC 360-16
AISC 360-16 không đề cập trực tiếp đến việc thiết kế cấu kiện bằng phân tích phần tử hữu hạn sử dụng phần tử vỏ, vì vậy nên sử dụng hướng dẫn chi tiết hơn nhiều trong EN 1993-1-5. Comm. 1.3.3b tham chiếu đến ECCS: Ultimate Limit State Calculation of Sway Frames with Rigid Joints (1984), trong đó khái niệm khuyết tật hình học tương đương được sử dụng. Việc thiết kế bằng phân tích không đàn hồi được đề cập trong Phụ lục 1.3. Phân tích không đàn hồi phải tính đến:
- biến dạng uốn, cắt, dọc trục và xoắn của cấu kiện, cùng tất cả các biến dạng khác của cấu kiện và liên kết góp phần vào chuyển vị của kết cấu – được bao quát bằng cách sử dụng GMNIA và cấu kiện gồm các phần tử vỏ
- hiệu ứng bậc hai (bao gồm hiệu ứng P-Δ, P-δ, và hiệu ứng xoắn) – được bao quát bằng cách sử dụng GMNIA
- khuyết tật hình học – được người dùng thiết lập bằng cách sử dụng dạng oằn từ phân tích LBA
- giảm độ cứng do tính không đàn hồi, bao gồm chảy dẻo cục bộ của tiết diện có thể bị làm nổi bật thêm bởi sự hiện diện của ứng suất dư – không thể thiết lập ứng suất dư trong cấu kiện. Tuy nhiên, theo Phụ lục 1.3.3c, việc mô hình hóa ứng suất dư có thể được thay thế bằng cách giảm mô-đun đàn hồi, E, và mô-đun cắt, G, xuống còn 0,8 lần giá trị ban đầu.
- sự không chắc chắn về cường độ và độ cứng của hệ, cấu kiện và liên kết – được bao quát bằng cách sử dụng khuyết tật hình học và giảm độ cứng
Phụ lục 1.3.3b nêu rõ: "Trong mọi trường hợp, phân tích phải mô hình hóa trực tiếp các ảnh hưởng của khuyết tật ban đầu do cả các điểm giao nhau của cấu kiện bị lệch khỏi vị trí danh nghĩa (khuyết tật hệ thống), và độ không thẳng ban đầu hoặc độ lệch của cấu kiện dọc theo chiều dài của chúng (khuyết tật cấu kiện). Độ lớn của các chuyển vị ban đầu phải là giá trị tối đa được xem xét trong thiết kế; dạng của các chuyển vị ban đầu phải sao cho tạo ra ảnh hưởng mất ổn định lớn nhất."
Khuyết tật hình học được mô tả trong Comm. C2.2: "Khuyết tật hình học ban đầu được giả định một cách thiên về an toàn bằng với dung sai tối đa về vật liệu, chế tạo và lắp dựng được cho phép trong AISC Code of Standard Practice (AISC, 2016a): độ không thẳng của cấu kiện bằng L / 1000, trong đó L là chiều dài cấu kiện giữa các điểm giằng hoặc điểm khung, và độ nghiêng của khung bằng H / 500, trong đó H là chiều cao tầng."
Nên áp dụng độ nghiêng (out-of-plumbness) trong phần mềm FEA 3D và độ không thẳng (out-of-straightness) trong ứng dụng IDEA StatiCa Member.
Tóm tắt:
Nếu quyết định sử dụng phương pháp AISC, hãy áp dụng độ nghiêng H / 500 trong phần mềm FEA 3D, độ không thẳng L / 1000 trong Member và giảm mô-đun đàn hồi khi kéo/nén và mô-đun cắt xuống theo hệ số 0,8. Lưu ý rằng quy trình này không bao quát các vấn đề phức tạp với nhiều hệ số dạng oằn gần nhau.
- Steel
- Member design
- Bài đăng trên blog
Oằn xoắn ngang
Đọc thêm
- Steel
- Knowledge base
Chiều dài cấu kiện
Đọc thêm
- Steel
- Member design
- Hội thảo trực tuyến
IDEA StatiCa Member – Giải pháp cho oằn
Đọc thêm- Steel
- Member design
- Verifications