Giới thiệu về dự án
Trung tâm giáo dục tại Tallinn là một công trình bốn tầng được thiết kế để thay thế một cơ sở lỗi thời bằng một tòa nhà hiện đại, đa chức năng. Với tổng diện tích sàn 13.566 m², tòa nhà cao 18 mét và sử dụng kết hợp bê tông, thép và gạch xây làm vật liệu chính. Hệ thống chịu tải trọng đứng chủ yếu gồm các cột bê tông và tường gạch, không chỉ cung cấp khả năng chịu lực cần thiết mà còn góp phần vào độ cứng tổng thể của công trình. Các cấu kiện chịu tải trọng ngang chủ yếu gồm sàn rỗng được đỡ bởi các dầm đúc sẵn, với một số khu vực sử dụng sàn phẳng đổ tại chỗ để tăng cường khả năng chịu lực kết cấu.
Tầng bốn và kết cấu mái thể hiện sự chuyển dịch sang thi công thép, sử dụng cột và dầm thép để tăng tính linh hoạt và giảm trọng lượng. Công trình được đỡ bởi 831 cọc với tổng chiều dài 21.000 mét, đảm bảo móng vững chắc dù điều kiện đất nền phức tạp. Tổng thể tích bê tông sử dụng trong kết cấu, không tính cọc, là 3.560 m³, và các cấu kiện thép nặng khoảng 430.000 kg.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Architectural visualization of the Educational center}}}\]
Thách thức kỹ thuật
Một trong những thách thức chính của dự án này là thiết kế dầm castellated dài 80,70 mét. Dầm này cần vượt qua các nhịp lớn ở tầng ba, đảm bảo không gian mở không có cột theo yêu cầu kiến trúc. Ngoài việc đảm bảo tính toàn vẹn kết cấu của các không gian mở lớn, dầm còn phải cho phép hệ thống ống thông gió đi xuyên qua kết cấu của nó.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Section view on the castellated beam in IFC reader software}}}\]
Độ phức tạp kỹ thuật càng tăng cao do yêu cầu đỡ sáu nhịp trên toàn bộ tầng trên cùng, với nhịp dài nhất đạt 27,49 mét. Ngoài ra, nhịp cuối cùng của dầm được thiết kế dạng công xôn, không chỉ vươn ra ngoài mà còn đỡ một phần sàn bên dưới, tạo thêm tải trọng đáng kể và đòi hỏi phân tích và thiết kế kết cấu tỉ mỉ.
Sau khi đánh giá tất cả các thông số đầu vào, các kỹ sư dự án Martin Truuts và Karl Kimmel xác định rằng dầm castellated là giải pháp tối ưu. Thiết kế dầm castellated tự nhiên tạo ra các lỗ hở cho hệ thống ống đi qua, trong khi chiều cao hiệu dụng lớn cho phép khả năng chịu tải đáng kể với lượng vật liệu tương đối tối thiểu.
Việc lựa chọn dầm castellated rõ ràng là phương án tốt nhất nhưng cũng đặt ra những thách thức bổ sung, đặc biệt là đảm bảo sự ổn định của kết cấu chống lại oằn xoắn ngang và các dạng oằn khác. Là một dầm liên tục, việc ổn định cánh dưới tại các vùng được đỡ là điều cần thiết. Thông thường, các thanh giằng chéo sẽ được sử dụng để giải quyết vấn đề này, nhưng giải pháp này không khả thi do vị trí đặt ống thông gió và yêu cầu kiến trúc đối với không gian liền kề với dầm. Do đó, các "dầm phụ" vuông góc với dầm castellated được sử dụng để cung cấp sự ổn định cần thiết.
Giải pháp và kết quả
Lưu ý:
Như đã đề cập trước đó, các vấn đề ổn định được giải quyết bằng cách kết nối các "dầm phụ" vào hai bên của dầm castellated. Thiết kế tận dụng độ cứng uốn của các dầm phụ, truyền độ cứng này đến cánh dưới của dầm castellated thông qua thiết kế liên kết vững chắc. Phương pháp này ổn định hiệu quả cánh dưới. Về bản chất, liên kết giữa dầm phụ và dầm castellated vững chắc và cứng đến mức khiến các dầm phụ ở các nhịp liền kề hoạt động như dầm liên tục, từ đó ảnh hưởng đến sự phân bố tải trọng và nội lực, trong trường hợp này cũng có nghĩa là truyền thêm tải trọng sang các dầm castellated.
Thiết kế dầm lỗ khoét đặt ra những thách thức đáng kể, nhưng với IDEA StatiCa, chúng tôi đã có thể mô hình hóa và phân tích toàn bộ kết cấu một cách hiệu quả. Các tính năng của phần mềm cho phép chúng tôi đảm bảo sự ổn định và khả năng vận hành, đồng thời bố trí các hệ thống kỹ thuật cần thiết trong dầm.
Karl Kimmel
Kỹ sư kết cấu – EstKONSULT
Estonia
Để giải quyết các vấn đề ổn định và tích hợp độ cứng liên kết vào thiết kế, các kỹ sư đã tích hợp bộ ứng dụng của IDEA StatiCa—Checkbot, Member và Connection—vào quy trình làm việc của họ. Các kỹ sư Karl Kimmel và Martin Truuts đã thực hiện theo một quy trình có cấu trúc:
Tạo mô hình tổng thể: Quá trình bắt đầu bằng việc tạo mô hình tổng thể trong phần mềm Robot Structural Analysis (RSA), nơi các tải trọng và tổ hợp tải trọng được nhập vào.
Tích hợp liên kết BIM: Karl sau đó sử dụng liên kết BIM để nhập toàn bộ kết cấu, bao gồm nội lực của tất cả các tổ hợp tải trọng, vào IDEA StatiCa Checkbot.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{The model imported into Checkbot with internal forces}}}\]
Thiết kế liên kết và tính toán độ cứng: Trong IDEA StatiCa Connection, các nút liên kết riêng lẻ được thiết kế và độ cứng của các liên kết này được tính toán. Độ cứng này sau đó được đưa trở lại vào mô hình RSA, ảnh hưởng đến biểu đồ mô men uốn của dầm castellated và ứng xử của các cột liên quan.
Liên kết hai dầm "phụ" với dầm lỗ khoét
Liên kết hai dầm "phụ" với dầm lỗ khoét
Liên kết của dầm "phụ" với dầm lỗ khoét
Liên kết hai dầm "phụ" với dầm lỗ khoét
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Connection designs used in the model in Member application}}}\]
Mô hình hóa cấu kiện: Mô hình sau đó được tạo lại từ đầu trong IDEA StatiCa Member. Tất cả các dầm được mô hình hóa là "cấu kiện được phân tích", sử dụng phần tử vỏ để biểu diễn chi tiết. Các liên kết được mô hình hóa và gán cho các nút liên kết phù hợp, và các tải trọng tới hạn được áp dụng vào mô hình để phân tích cuối cùng.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Various views on the model in Member application}}}\]
Phân tích cấu kiện: Trong IDEA StatiCa Member, dạng oằn và các hệ số oằn tới hạn tương ứng được xác định thông qua Phân tích oằn tuyến tính. Các dạng oằn tới hạn sau đó được gán các sai lệch ban đầu và tiếp tục được phân tích bằng Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến sai lệch (GMNIA). Quá trình này giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế, cho phép thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Các bước này được lặp đi lặp lại, với mỗi chu kỳ tinh chỉnh thiết kế để nâng cao độ ổn định và hiệu suất.
Karl và Martin đã phân tích khoảng sáu dạng oằn, tập trung chủ yếu vào dạng oằn tổng thể, vì có rất ít dạng oằn cục bộ. Họ giải quyết các vấn đề oằn cục bộ tiềm ẩn trong thiết kế bằng cách bổ sung các sườn tăng cứng để loại bỏ chúng.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Deflections on members from GMNIA analysis}}}\]
Kết quả: Sau khi thiết kế được tinh chỉnh đến mức thỏa mãn, phân tích GMNIA đã xác nhận biến dạng, ứng suất và biến dạng dẻo của thiết kế cuối cùng là chấp nhận được.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualization of the deformation under load}}}\]
Kiểm tra kép và xác minh: Để đảm bảo độ chính xác, nội lực được so sánh giữa RSA và IDEA StatiCa Member, cung cấp sự kiểm tra kép kết quả.
Chúng tôi đã sử dụng kết hợp IDEA StatiCa Connection và Member để xác định độ cứng của các liên kết và sự ổn định của dầm lỗ khoét. Ngoài ra, chúng tôi đã sử dụng Connection application để thiết kế các liên kết thép khác trong toàn bộ công trình và mô-đun bê tông của Member application để phân tích các cột bê tông cốt thép mảnh.
Martin Truuts
Kỹ sư kết cấu cao cấp – EstKONSULT
Estonia
Các kỹ sư đã khai thác các khả năng của ứng dụng IDEA StatiCa Member, bắt đầu với Phân tích oằn tuyến tính (LBA) và tiến đến Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến sai lệch (GMNIA), loại phân tích tiên tiến nhất cho tải trọng tĩnh. Trong GMNIA, tất cả các sai lệch tiềm ẩn—như độ dày bản biến đổi, độ cong ban đầu, ứng suất dư, tính không đồng nhất của vật liệu và sai lệch gối tựa—được biểu diễn bằng các sai lệch hình học tương đương. Các sai lệch này được thiết lập bằng cách sử dụng các dạng oằn được tính toán bởi LBA, với người dùng chọn biên độ tối đa của dạng oằn cho sai lệch.
Ngoài ra, kỹ sư Karl Kimmel đã sử dụng ứng dụng IDEA StatiCa Member cho Phân tích thiết kế chịu lửa của các dầm, tận dụng toàn bộ khả năng của công cụ để đảm bảo kết cấu đáp ứng tất cả các yêu cầu an toàn phòng cháy. Phân tích toàn diện này giúp xác nhận hiệu suất của các dầm trong điều kiện cháy, tăng cường thêm cho thiết kế tổng thể.
Kết luận
Dự án trung tâm giáo dục mới tại Tallinn là minh chứng cho sức mạnh của kỹ thuật kết cấu tiên tiến và thiết kế sáng tạo. Bằng cách tận dụng các khả năng của IDEA StatiCa, nhóm kỹ sư tại EstKonsult đã có thể vượt qua những thách thức đáng kể và cung cấp một cơ sở vững chắc, linh hoạt và hiện đại đáp ứng nhu cầu của cộng đồng. Dự án này thể hiện tầm quan trọng của việc sử dụng các công cụ và kỹ thuật tiên tiến kết hợp với tư duy kỹ thuật sáng tạo trong kỹ thuật kết cấu để đạt được các tầm nhìn kiến trúc đầy tham vọng và đảm bảo sự an toàn và chức năng của các kết cấu phức tạp.
Bắt đầu dùng thử ngay hôm nay và tận hưởng 14 ngày truy cập đầy đủ cùng các dịch vụ miễn phí.
Bắt đầu dùng thử miễn phí
