Để hiểu đầy đủ bài viết này, nên đọc trước bài viết Nguyên tắc tải trọng trong Connection, trong đó giải thích chi tiết về cấu trúc mô hình tính toán CBFEM, điều kiện biên và nguyên tắc đặt tải.
Chức năng Loại mô hình trong Connection được sử dụng, ví dụ, khi cần ngăn chặn sự kỳ dị của mô hình trong liên kết một bu-lông. Chức năng này cũng được dùng cho các liên kết với tiết diện chữ U liên kết với cột khi cần hạn chế sự xoắn của cấu kiện được liên kết, cũng như để phân tích các liên kết lệch tâm.
Connection application cho phép đặt cái gọi là Loại mô hình cho cấu kiện được liên kết theo các biến thể sau:
- N-Vy-Vz-Mx-My-Mz
- N-Vy-Vz
- N-Vz-My
- N-Vy-Mz
Theo mặc định, Loại mô hình của cấu kiện được liên kết luôn được đặt là N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Điều này có nghĩa là tất cả sáu nội lực đều có thể được gán cho cấu kiện và sẽ được đưa vào mô hình tính toán. Khi kích hoạt Loại mô hình N-Vy-Vz, N-Vz-My hoặc N-Vy-Mz, các điều kiện biên bổ sung (gối tựa) sẽ được thêm vào mô hình tính toán CBFEM trên cấu kiện được liên kết đang chỉnh sửa. Chúng tôi sẽ giải thích chi tiết mục đích sử dụng, ý nghĩa chính xác của điều kiện biên bổ sung, ảnh hưởng của nó đến mô hình tính toán, kết quả tính toán và các hạn chế. Chúng tôi sẽ minh họa qua hai ví dụ. Chương đầu tiên tập trung vào loại mô hình N–Vy–Vz, trong khi chương thứ hai đề cập đến loại mô hình N–Vz–My.
1. Loại mô hình N-Vy-Vz để giải quyết sự kỳ dị trong mô hình
Xét liên kết đơn giản sau đây gồm cột M1 tiết diện HEA và cấu kiện nằm ngang M2 tiết diện ống. M2 được liên kết với cột M1 qua bản mã nút ở phía cột và hai lưỡi với một bu-lông ở phía cấu kiện M2. Liên kết hoàn toàn đối xứng và không có độ lệch tâm. Cấu kiện M2 chỉ chịu lực dọc trục - do đó đây là thanh kéo hoặc thanh chống đơn giản liên kết khớp.
Hình dưới đây thể hiện sơ đồ mô hình tính toán của liên kết, với tùy chọn Tải trọng cân bằng được bật. Điều này có nghĩa là cấu kiện chịu lực (cột M1) trong mô hình chỉ có gối tựa ở đầu dưới, được biểu diễn bằng hình chữ nhật màu đỏ trong khung cảnh 3D.
Như đã mô tả chi tiết trong bài viết đã đề cập, tải trọng và gối tựa (điều kiện biên) được áp dụng tại điểm bắt đầu của các liên kết cứng ngược tại tâm nút liên kết trong mô hình CBFEM. Các cánh tay cứng này thực hiện biến đổi tự động tải trọng (mô men uốn) từ tâm nút liên kết đến các đầu của siêu phần tử rút gọn (được biểu diễn bằng các đường màu cam trong hình). Tuy nhiên, việc đưa các liên kết cứng ngược vào phần giải thích sau đây sẽ làm phức tạp không cần thiết việc trình bày nguyên tắc của chức năng Loại mô hình trên cấu kiện được liên kết. Do đó, các liên kết cứng ngược được bỏ qua trong phần giải thích sau. Trong sơ đồ mô hình tính toán, tải trọng được thể hiện tại các đầu của siêu phần tử rút gọn. Ngoài ra, các điều kiện biên và các "gối tựa loại mô hình" bổ sung cũng được thể hiện (xem bên dưới). Sự đơn giản hóa này không ảnh hưởng đến độ chính xác của mô tả chức năng mô hình tính toán, vì ứng suất tính toán sẽ giống nhau bất kể gối tựa được áp dụng tại điểm bắt đầu hay cuối của các liên kết cứng ngược.
Rõ ràng là ống M2 được liên kết với cột bằng khớp, do đó hoạt động như một cơ cấu. Khi đó, quá trình tính toán trong Connection application bị dừng do sự kỳ dị, dẫn đến hệ số truyền tải 0%.
1.1 Loại mô hình N-Vy-Vz - tải trọng cân bằng BẬT
Để loại bỏ sự kỳ dị, trong Connection có tùy chọn chọn loại mô hình N-Vy-Vz cho cấu kiện được liên kết M2. Khi đó, ba gối tựa xoay được thêm vào đầu cấu kiện M2 - lưu ý sự vắng mặt của các mô men Mx, My và Mz trong mô tả loại mô hình. Các gối tựa bổ sung này được xác định trong hệ tọa độ địa phương của cấu kiện được liên kết. Trong phần tiếp theo, thuật ngữ gối tựa loại mô hình được dùng như tên gọi tắt cho các gối tựa bổ sung này được xác định thông qua chức năng Loại mô hình. Mô hình tính toán có thể được biểu diễn như sau.
Gối tựa loại mô hình bổ sung cho xoay quanh trục Y giúp tránh sự kỳ dị trong mô hình tính toán, và quá trình phân tích diễn ra bình thường. Cũng cần lưu ý rằng việc chỉ định các mô men uốn Mx, My và Mz không được phép cho cấu kiện M2 trong bảng hiệu ứng tải trọng, vì các mô men này sẽ được truyền trực tiếp qua các gối tựa loại mô hình và do đó không được áp dụng vào mô hình tính toán.
Hình và hoạt ảnh dưới đây thể hiện kết quả tính toán với gối tựa loại mô hình bổ sung. Mô hình đã truyền được 100% tải trọng. Các gối tựa mô hình và siêu phần tử rút gọn (đường màu cam) được vẽ vào hình, nhưng ứng dụng hiện tại chưa cho phép hiển thị chúng.
Biến dạng cho thấy gối tựa loại mô hình Ry giữ cấu kiện M2 tại chỗ, với sự xoay xảy ra tại liên kết một bu-lông. Trong trường hợp này, gối tựa loại mô hình chỉ đóng vai trò ổn định (ngăn chặn sự kỳ dị), và với cấu hình và tải trọng này, không có phản lực nào xuất hiện trong các gối tựa loại mô hình bổ sung. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng.
Đối với mô hình tính toán nút liên kết trong Connection không sử dụng chức năng Loại mô hình, mô hình là tĩnh định. Sáu bậc tự do bị ràng buộc, và các gối tựa của mô hình không cản trở biến dạng của nó cũng như không ảnh hưởng đến phân bố ứng suất cuối cùng. Tuy nhiên, khi các gối tựa bổ sung được đưa vào thông qua loại mô hình, mô hình trở nên siêu tĩnh. Do đó, biến dạng tự do có thể bị ràng buộc, dẫn đến các phản lực dư trong các gối tựa loại mô hình. Các phản lực này có thể, nhưng không nhất thiết, ảnh hưởng đến độ chính xác của tính toán ứng suất. Giải thích chi tiết về vấn đề này được trình bày trong phần tiếp theo.
Hãy xét một liên kết giống hệt nhưng với loại tải trọng khác, trong đó chỉ có cột chịu tải, cụ thể là các mô men quanh trục yếu của tiết diện HEB được áp dụng. Các mô men làm cột uốn ra ngoài mặt phẳng XZ. Không có tải trọng nào được chỉ định trên cấu kiện được liên kết M2! Ứng suất và biến dạng của mô hình được minh họa trong hình và hoạt ảnh dưới đây.
Tâm danh nghĩa của liên kết (giao điểm của các cấu kiện M1 và M2), và do đó các bản mã liên kết (bản mã nút và lưỡi) của liên kết, đang dịch chuyển theo phương Y trong khi xoay quanh trục X. Tuy nhiên, cấu kiện được liên kết M2 được giữ chống xoay quanh trục X (lưu ý rằng hệ tọa độ địa phương của cấu kiện M2 trùng với hệ tọa độ tổng thể), do đó phản lực mô men RMx khác không phải xuất hiện trong gối tựa loại mô hình bổ sung. Các bản mã liên kết bị xoắn, mặc dù cấu kiện được liên kết M2 hoàn toàn không chịu tải.
Các phản lực dư trong các gối tựa loại mô hình được liệt kê trong bảng Phân tích sau khi tính toán. Các gối tựa loại mô hình bổ sung được nhập trong hệ tọa độ địa phương của cấu kiện được liên kết. Tổng tất cả các phản lực dư từ tất cả các cấu kiện, tại tâm nút liên kết và trong hệ tọa độ tổng thể, sau đó được liệt kê trong bảng phân tích.
Độ cứng xoắn của bản mã liên kết tương đối nhỏ và do đó, phản lực tính toán là nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất uốn không thể bỏ qua đã được tạo ra trong bản mã liên kết do gối tựa loại mô hình. Chi tiết hơn trong phần tiếp theo.
1.2 Ảnh hưởng của phản lực dư đến kết quả
Rõ ràng là các phản lực dư trong các gối tựa loại mô hình gây ra sai lệch trong phân tích ứng suất của liên kết. Ví dụ, ứng suất trong các bản mã liên kết (bản mã nút và lưỡi) trong ví dụ của chúng ta là tổng hợp của các hiệu ứng:
- tải trọng được chỉ định trong liên kết
- ứng suất được đưa vào liên kết bởi gối tựa loại mô hình bổ sung - phản lực dư.
Mức độ sai lệch so với thực tế trong kết quả phụ thuộc vào độ lớn của các phản lực dư. Sai lệch nào là có thể bỏ qua và sai lệch nào thì không? Ở đây, cần có phán đoán kỹ thuật và phải tính đến độ lớn của các phản lực dư so với kích thước của bản mã liên kết và kích thước tiết diện của cấu kiện M2. Nói chung, do đó, phụ thuộc vào cấu hình liên kết.
Sử dụng ví dụ về liên kết đã nghiên cứu ở trên, nhưng cột chịu uốn quanh cả hai trục.
Trong trường hợp ví dụ này, rõ ràng là sai lệch của tính toán ứng suất là chấp nhận được vì:
- Phản lực dư RMx = 0,2 kN.m là không đáng kể so với kích thước của cột M1 - HEA 100 và do đó có ảnh hưởng tối thiểu đến ứng suất trong cột
- Từ góc độ của các bản mã liên kết, tính toán bị sai lệch đáng kể hơn, có sự xoắn do gối tựa bổ sung. Ứng suất bổ sung được tạo ra, do đó kết quả nghiêng về phía an toàn cho các cấu kiện này.
Nếu có bất kỳ nghi ngờ nào về mức độ chính xác trong phân tích liên kết, hoặc nếu cần phân tích chính xác hơn, việc thiết kế thanh kéo có thể được thực hiện riêng trên mô hình với chức năng tải trọng cân bằng tắt. Trong mô hình này, cấu kiện chịu lực có gối tựa ở cả hai đầu. Chuyển vị và góc xoay của tâm cấu kiện được liên kết do đó được giảm thiểu và các phản lực dư không đáng kể sẽ được tạo ra trong các gối tựa xoay của mô hình. Việc đánh giá các bản mã liên kết (bản mã nút và lưỡi), bu-lông, nắp và mối hàn khi đó không bị sai lệch bởi các phản lực dư.
Liên kết chỉ mang tính minh họa, nhưng đây là nguyên tắc chung. Cách tiếp cận tương tự có thể được áp dụng cho các liên kết phức tạp hơn khi nhiều cấu kiện gặp nhau tại một nút. Liên kết như một nút phức tạp trong trạng thái cân bằng có thể được đánh giá bằng cách sử dụng mô hình tổng thể với tải trọng cân bằng được bật và với tất cả các liên kết được mô hình hóa sao cho không cần gối tựa loại mô hình bổ sung N-Vy-Vz. Ví dụ, liên kết một bu-lông được thay thế bằng liên kết hàn. Mục tiêu là đưa tải trọng cân bằng chính xác vào nút liên kết như một tổng thể, không phải mô hình hóa chi tiết liên kết của từng cấu kiện con. Việc đánh giá chi tiết liên kết con của cấu kiện với Loại mô hình N-Vy-Vz sau đó được thực hiện riêng trên mô hình với chức năng Tải trọng cân bằng tắt.
2. Loại mô hình N-Vz-My cho liên kết cắt tiết diện chữ U
Một ví dụ về việc sử dụng biến thể Loại mô hình N-Vz-My cho thiết kế liên kết cắt của dầm và tiết diện chữ U sẽ được trình bày.
Xét liên kết sau đây trong đó cấu kiện nằm ngang M2 với tiết diện UPE được liên kết với cấu kiện liên tục M1 với tiết diện IPE. Cấu kiện M2 được liên kết bu-lông với M1 qua một bản mã nút đơn.
Loại liên kết này tập trung chủ yếu vào việc đánh giá các thành phần liên kết (bản mã nút, bu-lông và mối hàn), hơn là cân bằng tổng thể của toàn bộ nút. Do đó, trong phần giải thích sau đây, biến thể tính toán với chức năng Tải trọng cân bằng tắt được sử dụng. Cấu kiện chịu lực được đỡ ở cả hai đầu và không có tải trọng nào được áp dụng cho cấu kiện. Do đó, chỉ có cấu kiện được liên kết M2 chịu lực cắt Vz = -15 kN. Mô men uốn My bằng không tại nút (thêm về vấn đề liên kết cắt trong bài viết này).
Như đã biết, nếu tiết diện chữ U không đối xứng chịu tải trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trọng tâm, sự xoắn của dầm xảy ra. Khi tải trọng cắt tác dụng trong mặt phẳng đi qua tâm cắt, dầm M2 chỉ biến dạng trong mặt phẳng và không có sự xoắn nào xảy ra.
Trong IDEA StatiCa Connection, đối với tất cả các tiết diện, tải trọng được chỉ định trên cấu kiện luôn được áp dụng tại trọng tâm của tiết diện. Khi cấu kiện M2 chỉ chịu lực cắt, biến dạng của liên kết như sau.
Sự xoắn đáng kể của dầm UPE được liên kết xảy ra vì tải trọng không được áp dụng tại tâm cắt.
Tuy nhiên, hành vi này của liên kết thường có thể không tương ứng với tác động thực tế của dầm chữ U trong kết cấu. Sự xoắn có thể bị hạn chế, khiến cấu kiện có tiết diện chữ U bị 'buộc' phải biến dạng chủ yếu bằng uốn trong mặt phẳng thẳng đứng. Điều này xảy ra, ví dụ, khi:
- sự xoắn của cấu kiện chữ U bị ngăn chặn, ví dụ, bởi sàn bê tông cốt thép cứng,
- tiết diện chữ U được ổn định bởi một cấu kiện khác chống xoay.
Trong những trường hợp này, có hai khả năng để điều chỉnh mô hình liên kết trong Connection sao cho dầm được liên kết biến dạng mà không bị xoắn.
Điều chỉnh tải trọng - tính toán mô men xoắn
Như đã đề cập ở trên, sự xoắn của tiết diện chữ U được liên kết được gây ra bởi mô men xoắn Mx, được xác định bởi lực cắt Vz và cánh tay đòn bằng khoảng cách giữa trọng tâm và tâm cắt của tiết diện chữ U. Bằng cách tính toán thủ công và thêm mô men xoắn này vào tải trọng của cấu kiện được liên kết, chúng ta loại bỏ sự xoắn của cấu kiện và đạt được biến dạng uốn trong mặt phẳng thẳng đứng.
Gối tựa bổ sung chống xoay - loại mô hình N-Vz-My
Cách thứ hai để đảm bảo biến dạng uốn của cấu kiện mà không bị xoắn là sử dụng Loại N-Vz-My cho cấu kiện M2 được liên kết. Điều này sẽ thêm các gối tựa chuyển vị theo phương Y và các gối tựa xoay quanh trục Z và X của cấu kiện. Chính gối tựa xoay quanh trục X ngăn cấu kiện bị xoắn và đạt được hiệu ứng tương tự như khi mô men xoắn được thêm thủ công. Mô hình khi đó trông như sau.
Biến dạng như sau. Mô men xoắn được giữ trong gối tựa bổ sung được liệt kê trong kết quả phân tích.
- Steel
- Connection design
- Knowledge base
Nguyên tắc đặt tải trọng trong một Liên kết: Cân bằng, cấu kiện chịu lực, v.v.
Đọc thêm
- Steel
- Connection design
- Bài đăng trên blog
Khi một liên kết chịu cắt truyền mô men uốn
Đọc thêm
- Steel
- Connection design
- Member design
- Knowledge base
Những hiểu biết quan trọng về ràng buộc, chiều dài cấu kiện và phân tích GMNA so với MNA
Đọc thêm
- Steel
- Connection design
- Knowledge base