Trong IDEA StatiCa Beam, ngoài đánh giá ổn định ngang đơn giản hóa theo EN 1992-1-1 Điều 5.9, có thể thực hiện phân tích phi tuyến vật liệu và hình học phức tạp để xác định nội lực thiết kế cho một số tình huống thiết kế – cẩu lắp, vận chuyển, gối đỡ cuối cùng và cuối tuổi thọ thiết kế. Tuy nhiên, loại phân tích này đòi hỏi một lượng đầu vào đáng kể, mà chúng tôi sẽ giải thích trong bài viết sau đây.
Chuẩn bị mô hình
Trước tiên, chúng ta sẽ xem loại dầm nào có thể thực hiện phân tích nâng cao này. Khi bạn bắt đầu một dự án mới, bạn luôn được hỏi loại dầm bạn định mô hình. Hình 1 là trình hướng dẫn giới thiệu cho thấy màu đỏ (không được hỗ trợ) và màu xanh lá (được hỗ trợ) cho biết dầm nào được hỗ trợ phân tích.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Supported and not-supported types of beam for advanced lateral stability analysis}}}\]
Do đó, tất cả các dầm đúc sẵn đều được hỗ trợ, có thể là một nhịp hoặc nhiều nhịp. Đối với mô hình nhiều nhịp, bạn sẽ phân tích từng dầm đúc sẵn riêng biệt cho tất cả các giai đoạn thi công trước khi đổ bản sàn trên.
Sau khi tạo dầm, bạn có thể thay đổi loại dầm bê tông đúc sẵn trong phần Dữ liệu dự án (bản thân Loại dầm không thể thay đổi). Một cài đặt quan trọng ở đây là Hình học và tải trọng, nơi bạn có thể quyết định mô hình Dầm thẳng chịu tải trong mặt phẳng đứng hay Dầm thẳng hoặc đa giác chịu tải trong không gian 3D.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2\qquad Project data – activation of loading in 3D allowing input of eccentricity}}}\]
Nếu bạn không chọn tùy chọn 3D, bạn sẽ không thể nhập tải trọng với độ lệch tâm ngang và đứng, điều này rất cần thiết cho đánh giá mất ổn định.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3\qquad Example of specifying a linear load on the top surface of a beam}}}\]
Sau khi bạn hoàn thành việc mô hình hóa hình học, ứng suất trước, cốt thép và tải trọng trong ứng dụng, bạn có thể tính toán mô hình và tiến hành kiểm tra thực tế. Bước đầu tiên là chọn những gì bạn muốn đánh giá. Điều này được thực hiện trong phần Thiết kế Bê tông 1D – Dữ liệu. Tại đây, bạn cũng có thể chọn xem có muốn thực hiện kiểm tra ổn định ngang hay không và loại tính toán nào sẽ được sử dụng – đơn giản hóa theo EN 1992-1-1 Điều 5.9 hoặc nâng cao.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4\qquad Turning on the advanced lateral stability analysis}}}\]
Đầu vào – Dữ liệu
Như đã đề cập, đối với các mô-đun nhiều nhịp, mỗi dầm đúc sẵn có thể được đánh giá độc lập. Bạn có thể chuyển đổi giữa các dầm bằng menu thả xuống Cấu kiện thiết kế.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5\qquad Selection of the design member from the list of prefabricated beams}}}\]
Bạn có thể thực hiện phân tích phi tuyến vật liệu và hình học nâng cao cho tổng cộng năm tình huống thiết kế tại các thời điểm khác nhau:
- Cẩu lắp 1
- Vận chuyển
- Cẩu lắp 2
- Gối đỡ cuối cùng
- Cuối tuổi thọ thiết kế – không áp dụng cho dầm liên hợp
Các tình huống thiết kế này độc lập với các giai đoạn thi công cho TDA. Nói cách khác, TDA và ổn định ngang được tính toán độc lập.
Đối với mỗi tình huống thiết kế, tuổi bê tông để tính fck và Ecm được nhập vào. Ngoài ra, cả hai giá trị có thể được xác định bằng giá trị do người dùng định nghĩa, ví dụ theo kết quả thử nghiệm của bê tông được sử dụng.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6\qquad Input of age, concrete strength, and modulus of elasticity}}}\]
Lưu ý rằng biểu đồ ứng suất - biến dạng thiết kế cho bê tông được sử dụng cho tính toán ULS và chỉ dựa trên cường độ chịu nén của bê tông fck. Do đó, sự thay đổi của Ecm sẽ không được phản ánh trong các tính toán này.
Đầu vào chung khác cho tất cả các tình huống thiết kế là sai lệch ban đầu theo phương ngang. Ở đây, chúng ta có một số tùy chọn:
- Sai lệch hình học – biến dạng do từ biến được tự động thêm vào như một tải trọng
- Theo tiêu chuẩn – sai lệch được giả định theo EN 1992-1-1, mục 5.9 (2), là L/300
- Do người dùng định nghĩa – nhập trực tiếp một giá trị
- Sai lệch tổng thể – giá trị nhập là Sai lệch hình học + biến dạng do từ biến
- Do người dùng định nghĩa – nhập trực tiếp một giá trị
Sự khác biệt giữa Sai lệch hình học và Sai lệch tổng thể là biến dạng do co ngót được tính từ thời điểm chế tạo dầm đến thời điểm được đặt cho từng tình huống thiết kế sẽ được tự động cộng vào sai lệch hình học. Mặt khác, giá trị của Sai lệch tổng thể được đưa trực tiếp vào tính toán mà không có điều chỉnh thêm.
Cẩu lắp
Có hai tình huống thiết kế dành cho cẩu lắp, giống nhau về đầu vào và tính toán. Người dùng có thể chọn hai phương pháp cẩu lắp:
- Dây cẩu nghiêng
- Dây cẩu thẳng đứng
Đối với cả hai, có thể đặt Chiều dài móc cẩu, kiểm soát khoảng cách đứng của điểm cẩu (tâm quay) từ mặt trên của dầm. Điểm cẩu là điểm mà gối đỡ linh hoạt nối với vật thể cứng. Một đường đi qua điểm cẩu tại mỗi gối đỡ tạo thành trục lăn. Khoảng cách ngang cũng có thể được đặt bằng Độ lệch tâm ngang và Khoảng cách từ đầu dầm. Cả hai điểm cẩu có thể được đặt độc lập (không đối xứng), do đó trục lăn có thể không song song với trục dầm.
Đối với dây cẩu nghiêng, cũng cần chỉ định Chiều cao móc cần cẩu để xác định góc cẩu và lực dọc trục bổ sung từ dây cẩu.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7\qquad Example of input for a lifting design situation}}}\]
Để biết thêm lý thuyết về cẩu lắp và đảm bảo tính toán chính xác, bạn có thể xem bài viết kiểm chứng sau, Ổn định ngang của dầm bê tông dự ứng lực dài trong quá trình cẩu lắp
Vận chuyển
Dầm được vận chuyển sao cho một đầu nằm trên xe tải và đầu kia nằm trên rơ-moóc. Về mặt tính toán, điều này có nghĩa là một phía (phía xe tải) được đỡ bằng khớp hoàn hảo – tự do lăn – và phía kia (phía rơ-moóc) được đỡ bằng khớp có độ cứng xoay xác định quanh trục x.
Xe tải
Tất nhiên, bạn có thể nhập Vị trí xe tải để xác định khoảng cách từ đầu dầm. Ngoài ra, bạn cũng có thể chỉ định Chiều cao gối đỡ, là khoảng cách đứng của trục lăn từ mặt dưới của dầm.
Rơ-moóc
Gối đỡ rơ-moóc cũng là gối đỡ điểm (nhưng có độ cứng xoay xác định). Vị trí rơ-moóc xác định khoảng cách của gối đỡ từ đầu dầm và Chiều cao gối đỡ lại xác định khoảng cách của trục lăn từ mặt dưới của dầm. Độ cứng xoay của gối đỡ rơ-moóc được xác định bởi độ cứng của chính các trục, trong đó tổng độ cứng của gối đỡ rơ-moóc là Số trục nhân với Độ cứng xoay của 1 trục.
Các giá trị khuyến nghị cho độ cứng trục được xác định, ví dụ trong [2] - 340 đến 680 kNm/rad cho mỗi trục lốp đôi. Các giá trị cao hơn áp dụng cho xe không có nhíp lá, trong đó lò xo chủ yếu nằm trong lốp xe. Đối với trục đơn, có thể lấy một nửa giá trị.
Đầu vào cuối cùng là Góc nghiêng ngang ban đầu α. Điều này thể hiện độ nghiêng của đường. Độ nghiêng đường tiêu chuẩn là khoảng 1,5°, với khả năng lên đến 5° trong các đường cong trên đường tiêu chuẩn.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8\qquad Example of input for a transport design situation}}}\]
Gối đỡ cuối cùng
Đối với tình huống thiết kế này, người dùng có thể chọn ba loại gối đỡ:
- Gối đàn hồi
- Gối chạc
- Bản chịu lực với chốt
Gối đàn hồi
Ở đây, cần xác định hình học của các gối đỡ về khoảng cách từ đầu và cuối dầm, độ lệch tâm ngang và kích thước bản thân gối đỡ. Tiếp theo, Độ cứng của gối đỡ tính bằng MPa được nhập vào, về cơ bản là mô đun đàn hồi của vật liệu gối đỡ phải được đọc từ tờ kỹ thuật của nhà sản xuất. Độ cứng của các gối đỡ theo cả ba phương, bao gồm độ cứng xoay, sau đó được tính từ kích thước gối đỡ và mô đun đàn hồi của vật liệu. Gối đỡ trái và phải có thể được chỉ định độc lập, do đó trục lăn một lần nữa không cần phải song song với trục dầm.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9\qquad Example of input for a final supports design situation – elastomeric bearings}}}\]
Gối chạc và Bản chịu lực với chốt
Về mặt mô hình, hai loại này giống nhau. Một gối đỡ được đặt trên mặt dưới của đầu dầm, cứng xoay quanh trục x. Tuy nhiên, có thể chỉ định độ cứng xoay do người dùng định nghĩa tính bằng MNm/rad.
Một tính năng khác của các loại gối đỡ này là khả năng chèn gối đỡ trung gian vào mô hình, trong đó số lượng và có thể là độ cứng dọc trục (mặc định là cứng) được xác định.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 10\qquad Example of input for a final supports design situation – Bearing pad with dowel with intermediate supports}}}\]
Cuối tuổi thọ thiết kế
Các cài đặt cho tình huống thiết kế cuối cùng được lấy từ Gối đỡ cuối cùng. Điều này có nghĩa là một mô hình được tính toán trong đó chỉ các đặc tính phụ thuộc vào tuổi là khác nhau.
Đầu vào – Tổ hợp
Trong tab Tổ hợp, người dùng có thể nhập bất kỳ số lượng tổ hợp nào theo cách tương tự như các tổ hợp được nhập cho tính toán cơ bản trong ứng dụng. Các trường hợp tải trọng liên quan đến từng tình huống thiết kế luôn có sẵn. Tuy nhiên, có một số hạn chế.
- Cẩu lắp chỉ có thể thực hiện với trọng lượng bản thân và ứng suất trước
- Các trường hợp tải trọng biến đổi chỉ có thể được đưa vào Cuối tuổi thọ thiết kế
- Tải trọng bổ sung có thể được thêm vào tình huống thiết kế Vận chuyển và Gối đỡ cuối cùng bằng cách chèn chúng vào các trường hợp tải trọng thường xuyên được xác định trước, được gọi là G trong ứng dụng
- Trong phiên bản hiện tại, chỉ hỗ trợ tổ hợp ULS
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 11\qquad Specifying combinations and the dynamic factor}}}\]
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, hệ số động cho tải trọng thường xuyên được thêm vào các tổ hợp cho cẩu lắp và vận chuyển. Để có ý tưởng, đây là bảng các giá trị khuyến nghị. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn quốc gia và các giá trị được khuyến nghị cho các neo được sử dụng phải luôn được tuân theo.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 12\qquad Recommended dynamic factors}}}\]
Phân tích và kết quả
Như đã đề cập, đây là phân tích phi tuyến vật liệu và hình học hoàn toàn. Cả bê tông và cốt thép ứng suất trước đều được xem xét trong mô hình. Bê tông chịu kéo được tự động loại trừ khỏi tính toán, tức là các đặc tính tiết diện được điều chỉnh trong quá trình tính toán theo sự nứt thực tế.
Gối đỡ
Nhiều điều đã được viết trong bài viết này về cách mô hình được đỡ cho các tình huống thiết kế khác nhau và nơi đặt độ cứng gối đỡ. Hãy kết thúc chủ đề này bằng bảng tóm tắt cho tất cả các loại gối đỡ.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 13\qquad Supports for all types of model}}}\]
Lưu ý: Một số mô hình sẽ là kỳ dị với các gối đỡ được liệt kê. Tuy nhiên, có một số biện pháp được đưa vào bộ giải để đảm bảo tính toán hội tụ.
Mô hình vật liệu cho ULS
Mô hình vật liệu bê tông
Biểu đồ parabol-hình chữ nhật cho bê tông chịu nén theo EN 1992-1-1 mục 3.1.7 (1) được sử dụng cho mô hình kết cấu cũng như cho đánh giá RCS. Đối với ULS, bê tông chịu kéo luôn được loại trừ.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 14\qquad Parabola-rectangle diagram for concrete under compression}}}\]
Biểu đồ ứng suất - biến dạng thiết kế chỉ dựa trên cường độ chịu nén của bê tông fck. Do đó, sự thay đổi của Ecm sẽ không được phản ánh trong các tính toán ULS.
Mô hình vật liệu cốt thép
Đối với thép cốt thép, biểu đồ ứng suất - biến dạng theo EN 1992-1-1 Điều 3.2.7 (2) được sử dụng. Người dùng có thể chọn sử dụng biểu đồ với nhánh trên nằm ngang hay nghiêng.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 15\qquad Idealized and design stress-strain diagrams for reinforcing steel (for tension and compression)}}}\]
Mô hình vật liệu ứng suất trước
Đối với thép ứng suất trước, biểu đồ ứng suất - biến dạng theo EN 1992-1-1 Điều 3.2.6 (7) được sử dụng. Người dùng có thể chọn sử dụng biểu đồ với nhánh trên nằm ngang hay nghiêng.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 16\qquad Idealized and design stress-strain diagrams for prestressing steel (absolute values are shown for tensile stress and strain)}}}\]
Ứng suất trong cáp và cáp DƯL
Lực căng được áp dụng cho các cáp và cáp DƯL với giá trị được tính từ TDA (Phân tích phụ thuộc thời gian), theo tuổi được chỉ định cho mỗi tình huống thiết kế. Tuy nhiên, lưu ý rằng mô hình tính toán ổn định ngang và mô hình tính toán cơ bản trong ứng dụng IDEA StatiCa Beam là khác nhau, do đó có thể có sự khác biệt nhỏ trong nội lực được tính toán.
Kết quả phân tích
Trong tab Kết quả phân tích, bạn có thể nhận được hai loại kết quả. Loại đầu tiên là trạng thái cảnh báo – Tính toán đã dừng do phân kỳ của tính toán phi tuyến. Điều này có nghĩa là dầm đã mất ổn định. Loại kết quả thứ hai là tập hợp các phản lực, nội lực và biến dạng. Tất cả chúng có thể được hiển thị cho mỗi tình huống thiết kế và tổ hợp. Kết quả luôn được hiển thị theo đường trục dầm (trục trọng tâm). Đáng giải thích là thanh công cụ Loại biến dạng, nơi người dùng có thể xem ba loại biến dạng:
- Ban đầu
- Gia số
- Tổng
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 17\qquad Selection of the Deformation type}}}\]
Để hiểu đầy đủ, trước tiên cần xem xét cách các mô hình được xây dựng cho mỗi tình huống thiết kế.
Hãy bắt đầu với cẩu lắp.
- Dầm được biến dạng thành hình parabol theo giá trị sai lệch ban đầu
- Sau đó nó được gắn lên các khớp. Điều này gây ra một góc xoay ban đầu sao cho trọng tâm nằm dưới trục lăn – biến dạng Ban đầu
- Tải trọng được áp dụng (bao gồm biến dạng tỷ lệ từ co ngót). Tính toán phi tuyến được chạy để xác định góc xoay và biến dạng bổ sung – Gia số biến dạng
Điều này ngụ ý rằng biến dạng ban đầu được đọc sau khi dầm được treo lên, khi góc xoay ban đầu đã xảy ra, nhưng trước khi tính toán phi tuyến thực tế. Gia số là biến dạng kết quả từ tính toán phi tuyến với tất cả tải trọng và tổng là tổng của hai giá trị đầu tiên.
Đối với Vận chuyển, tình huống rất tương tự: Đầu tiên, dầm bị biến dạng với sai lệch ban đầu được xoay theo góc α, và đặt lên các gối đỡ (được xác định trong bài viết trên). Ở đây biến dạng ban đầu được đọc. Sau đó tính toán phi tuyến được chạy với tải trọng được áp dụng (bao gồm co ngót nếu người dùng chỉ định Sai lệch hình học, xem ở trên). Biến dạng kết quả từ tính toán phi tuyến lại được hiển thị là gia số. Tổng là tổng của Ban đầu và Gia số.
Quy trình tương tự áp dụng cho Gối đỡ cuối cùng và Cuối tuổi thọ thiết kế.
Các hạn chế đã biết
Phiên bản hiện tại của chương trình bị giới hạn như sau.
- Chỉ có tính toán ULS.
- Tính toán tự động từ biến chưa được triển khai.
- Kết nối trực tiếp với ứng dụng kiểm tra tiết diện chưa được triển khai
Tất cả các tính năng đã đề cập hiện đang được phát triển và sẽ được thêm vào trong các phiên bản sắp tới.
Tài liệu tham khảo
[1] Mast, R. F. (1989). "Lateral Stability of Long Prestressed Concrete Beams, Part 1." PCI J. 34(1), 34–53.
[2] Mast, R. F. (1993). "Lateral Stability of Long Prestressed Concrete Beams, Part 2." PCI J., 38(1), 70–88.