Giới thiệu chung
IDEA StatiCa Member là phần mềm kỹ thuật kết cấu dùng để thiết kế và kiểm tra tiêu chuẩn các cấu kiện thép, bao gồm các liên kết và các dầm, cột xung quanh liên quan.
Các ví dụ điển hình về cấu kiện thép không thông thường
Có nhiều công cụ tuyệt vời để thiết kế khung thép 3D – SAP2000, Robot Structural Analysis, SCIA Engineer, v.v.
Chúng đáp ứng hầu hết các yêu cầu của kỹ sư thiết kế kết cấu thép. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết. Chủ yếu trong:
- 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 các nút và liên kết với mọi cấu hình
- 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 phân tích phần tử hữu hạn 3D nào đó. Sau đó, cần lấy từng cấu kiện thép và thực hiện hai kiểm tra chính:
- 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 trong tiêu chuẩn thiết kế quốc gia.
Cách tiếp cận tương tự được áp dụng trong Member cho kết cấu thép.
Kỹ sư kết cấu tính toán kết cấu thép (khung) trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D. Cấu kiện được phân tích và tất cả các cấu kiện liên quan được tách ra khỏi mô hình kết cấu 3D và được giải quyết bằng CBFEM.
- Phân tích tổng thể khung thép được thực hiện trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D.
- Tất cả các cấu kiện được phân tích được mô hình hóa bằng CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện).
- Mô hình đơn giản hơn được sử dụng cho tất cả các cấu kiện liên quan (kết nối tại các nút). Các cấu kiện liên quan có thể được gối đỡ tại đầu.
- Các nút và liên kết được thiết kế trong giao diện IDEA StatiCa Connection.
- Các thao tác gia công đặc biệt có thể được áp dụng cho cấu kiện – sườn tăng cứng ngang hoặc dọc, lỗ khoét, cắt...
- Tải trọng có thể được áp dụng lên cấu kiện và tại đầu các cấu kiện liên quan (nguyên tắc cân bằng 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 cấu kiện.
CBFEM mô hình của một cột. Một cột được phân tích, bốn cấu kiện liên quan và mô hình neo chính xác
Mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) của dầm lỗ lục giác giữa hai cột
Mô hình phân tích của Member được tạo bằng CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện). 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
Kỹ sư kết cấu có thể thực hiện trong Member ở mức độ cao hơn nhiều các kiểm tra tương tự 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 mất ổn định và hướng dẫn cách xác định khuyết tật. Sau đó sử dụng GMNIA. Áp dụng kiểm tra biến dạng 5 % hoặc đạt tải trọng tối đa (kết thúc hội tụ).
Mô hình tương tự như trong IDEA StatiCa Connection – Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện – được sử dụng:
Cơ sở lý thuyết IDEA StatiCa Connection
Mô tả mô hình
Ứng dụng IDEA StatiCa Member làm việc với mô hình kết cấu đa cấp kết hợp với tải trọng tổ hợp. Mục tiêu là khảo sát và kiểm tra đúng đắn các cấu kiện được chọn trong kết cấu – các cấu kiện "được phân tích".
Các phần khác của mô hình bao gồm:
- Cấu kiện liên quan – tất cả các cấu kiện kết nối với cấu kiện được phân tích
- Liên kết – liên kết CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) của các cấu kiện được phân tích và cấu kiện liên quan
- Gối đỡ đầu trên các cấu kiện liên quan
- Tải trọng trên cấu kiện được phân tích
- Tải trọng trên các cấu kiện liên quan
- Lực đầu trên các cấu kiện liên quan
Mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) của cấu kiện là một phần của hệ giằng chống động đất
Cấu kiện được phân tích được "cắt ra" khỏi kết cấu và khảo sát riêng biệt. Tất cả tải trọng trên cấu kiện được phân tích và các cấu kiện liên quan phải được áp dụng như trong mô hình 3D của toàn bộ kết cấu. Tại các vị trí "cắt", được thực hiện tại đầu các cấu kiện liên quan, nội lực được áp dụng như tác động lên các cấu kiện. Kết cấu được cắt ra và chịu tải theo cách này ở trạng thái cân bằng. Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết, mô hình phân tích không cần gối đỡ. Mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) chính xác hơn mô hình cấu kiện tiêu chuẩn. Đây là ưu điểm nhưng cũng gây ra sự vi phạm cân bằng cục bộ. Do đó, việc áp dụng gối đỡ tại đầu các dầm liên quan là hữu ích. Gối đỡ cần được xác định để cho phép kết cấu được cắt ra có ứng xử tương tự như trong toàn bộ kết cấu. Chương trình để lại điều này cho sự phán đoán của kỹ sư kết cấu.
Cấu kiện được phân tích
Cấu kiện được phân tích là cấu kiện được khảo sát mà tải trọng được áp dụng trực tiếp lên đó. Tải trọng trên cấu kiện được phân tích có thể được áp dụng lên trục trung tâm của cấu kiện hoặc trực tiếp lên các bản thép riêng lẻ 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 tấm.
Mô hình cấu kiện được phân tích
Các cấu kiện liên quan
Các cấu kiện liên quan được chia thành phần đoạn nhô liền 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 tấm (mô hình CBFEM đầy đủ) và các phần đơn giản hóa bằng phần tử dầm 1D đơn giản với sáu bậc tự do. Chỉ phần cần thiết gần nút liên kết với cấu kiện được phân tích (đoạn nhô) được mô hình hóa bằng phần tử tấm để tăng tốc độ tính toán. Đầu các cấu kiện liên quan được gối đỡ bằng ràng buộc chuyển vị hoặc xoay do người dùng xác định theo phương tùy ý trong hệ tọa độ cục bộ của cấu kiện liên quan.
Mô hình các 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 tới hạn cho cấu kiện, không phải cho liên kết. Việc kiểm tra đúng đắn các liên kết phải được thực hiện trong IDEA StatiCa Connection.
Gối đỡ
IDEA StatiCa Member bổ sung cấp thứ hai của phân tích phần tử hữu hạn cho các cấu kiện được chọn. Cấp thứ nhất được thực hiện trong chương trình phân tích phần tử hữu hạn 3D tiêu chuẩn. Cấp thứ hai sử dụng nội lực được tính toán ở cấp thứ nhất. 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 các cấu kiện, chiều dài thực của các cấu kiện...) và đặc biệt là các khuyết tật được áp đặt cho phân tích GMNIA khiến cân bằng không được duy trì. Nên áp dụng gối đỡ hợp lý dựa trên phán đoán của kỹ sư kết cấu.
Gối đỡ tiêu chuẩn có thể được xác định tại đầu các cấu kiện liên quan. Cả ba chuyển vị và ba xoay đều có thể được khống chế bởi gối đỡ. Gối đỡ được xác định trong hệ tọa độ cục bộ của cấu kiện.
Gối đỡ đầu trên cấu kiện liên quan – xà gồ; phương x và cả 3 xoay được gối đỡ
Tải trọng
Cấu kiện được phân tích (hoặc một phần của kết cấu) phải được chịu tải như trong toàn bộ kết cấu. Trọng lượng bản thân không được áp dụng tự động; chỉ các tải trọng do người dùng xác định mới được xét đến. Các tải trọng sau đây được áp dụng:
- Tải trọng 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 trọng phân bố
Kỹ sư kết cấu rất quen thuộc với tải trọng phân bố và tải trọng tập trung từ phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D. Các tải trọng như vậy 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 trọng mặt phẳng, hoặc tải trọng bề mặt, hoặc các cấu kiện được chịu tải thông qua các liên kết của các cấu kiện khác.
Người dùng có thể áp dụng tải trọng phân bố lên cấu kiện được phân tích, nhưng phải bổ sung thêm chi tiết – tải trọng được áp dụng lên cánh nào hoặc bụng dầm, chiều rộng vùng chịu tải, v.v. Ngoài ra, tải trọng tập trung nên được nhập dưới dạng tải trọng mặt phẳng với chiều dài và chiều rộng cụ thể.
Tải trọng phân bố trên các cấu kiện liên quan được áp dụng theo cách tiêu chuẩn như trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D.
Tải trọng tập trung được nhập dưới dạng tải trọng phân bố với chiều rộng cụ thể
Lực đầu cấu kiện
Nội lực tại các tiết diện đầu của cấu kiện liên quan. Chúng được áp dụng như tác động lên các cấu kiện liên quan. Điều này rất giống với việc chất tải lên các cấu kiện trong mô hình liên kết trong IDEA StatiCa Connection.
Nội lực như tác động tải trọng tại đầu cấu kiện liên quan
Ví dụ thực tế
Quá trình lắp ráp mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) được trình bày qua ví dụ sau.
Kỹ sư thiết kế cần kiểm tra khả năng chịu lực oằn xoắn ngang của dầm chính trong một khung. Nếu sử dụng phương pháp tiêu chuẩn, toàn bộ khung được tính toán trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 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 đỡ ngàm cứng hoặc khớp. Nhìn chung, thậm chí có thể chọn lò xo của nút liên kết bán cứng. Quyết định này là yếu tố then chốt trong việc đánh giá khả năng chịu lực oằn xoắn ngang và hoàn toàn phụ thuộc vào ước tính của kỹ sư thiết kế. Nội lực đã tính toán được so sánh với khả năng chịu lực oằn xoắn ngang được xác định bằng các công thức giải tích.
Ứng dụng Member sử dụng hoàn toàn các nguyên tắc tương tự. Cấu kiện được phân tích được cắt ra từ mô hình đầy đủ của kết cấu. Điều kiện biên không được ước tính, mà tất cả các phần kết nối được mô hình hóa chính xác. Vấn đề điều kiện biên không được giải quyết hoàn toàn do cần phải gối đỡ đầu các cấu kiện liên quan. Gối đỡ của các cấu kiện liên quan phụ thuộc vào quyết định của kỹ sư thiết kế, nhưng ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu tải của cấu kiện được phân tích nhỏ hơn nhiều bậc so với phương pháp tiêu chuẩn.
Ví dụ về mô hình dầm chính với các nút liên kết, cấu kiện liên quan và tải trọng
Cấu kiện được phân tích AM1 – dầm chính – chịu tải trọng phân bố liên tục tác dụng 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 ở đáy. Ở đỉnh, chúng chỉ được gối đỡ theo phương ngang (y, z). Điều này cho phép chất tải lên các cột bằng trọng lượng của phần còn lại của kết cấu – bằng lực dọc và mô men uốn trong ví dụ này. Độ lớn của chúng tương ứng với nội lực được giải trên mô hình 3D trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn. Không có tải trọng nào khác tác dụng lên các cột.
Các cấu kiện liên quan khác là các dầm phụ. Chúng được gối đơn giản và tải trọng thực tế được áp dụng lên chúng dọc theo toàn bộ chiều dài. Tại đầu của chúng, gối đỡ đơn giản được áp dụng với ràng buộc bổ sung về xoay quanh trục dọc x.
Tất nhiên, mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) cũng được đơn giản hóa ở một mức độ nào đó. Tuy nhiên, nó mô tả ứng xử của cấu kiện được phân tích chính xác hơn so với phương pháp tiêu chuẩn dựa trên các công thức giải tích và ước tính điều kiện biên và biểu đồ mô men uốn.
Các hình sau đây cho thấy ứng xử dự kiến của dầm chính.
Biến dạng của dầm chính được xác định bằng MNA
Dạng oằn được 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
Hai phân tích đầu tiên có thể được sử dụng để kiểm tra tiêu chuẩn các 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 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 cho các cấu kiện chắc không có vấn đề 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 toàn diện. Phân tích này là bắt buộc để thực hiện các loại phân tích khác.
Biểu đồ ứng suất - biến dạng của thép trong các mô hình số
Phân tích oằn tuyến tính (LBA)
Kết cấu được coi là hoàn hảo không có bất kỳ khuyết tật hình học hay vật liệu nào, và vật liệu là đàn hồi trong loại phân tích này. 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 đến tải trọng oằn tới hạn Euler. Tải trọng oằn thực tế của kết cấu thực, có khuyết tật có thể thấp hơn nhiều, do đó nên có hệ số an toàn cao:
- αcr > 15 – sử dụng MNA
- αcr < 15 – sử dụng GMNIA
Kết quả quan trọng khác của LBA với 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 những dạng quan trọng để áp dụng khuyết tật. Các dạng oằn quan trọng thường gây ra độ võng nửa sóng hình sin của cấu kiện được phân tích hoặc oằn cục bộ của các bản mỏng.
Các dạng oằn
Dạng oằn cũng cung cấp thông tin về việc cấu kiện bị phá hoại do oằn uốn quanh trục yếu hay trục mạnh, oằn xoắn (cột chịu tải dọc trục) hay oằn xoắn ngang (dầm chịu uốn) hay oằn cục bộ (cấu kiện có bản mỏng). Lưu ý rằng đối với các kết cấu phức tạp, các dạng oằn có thể kết hợp oằn của nhiều cấu kiện với các dạng khác nhau. Ngoài ra, nếu toàn bộ khung được mô hình hóa, khung sẽ oằn như một tổng thể chứ không phải các 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 nhiều dạng oằn tồn tại với cùng hệ số oằn hoặc hệ số oằn rất gần nhau, phương pháp chỉ có thể 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 thức, vì vậy người dùng cần lưu ý hạn chế này.
Đối với mỗi dạng oằn, luôn tồn tại một dạng oằn thứ hai với cùng hệ số oằn nhưng biến dạng ngược chiều. Điều này cần được ghi nhớ khi kết hợp các dạng để tạo thành khuyết tật 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 trong loại phân tích tinh vi nhất – GMNIA.
Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật (GMNIA)
Phân tích phi tuyến hình học và vật liệu có xét đến khuyết tật là loại phân tích tinh vi nhất cho tải trọng tĩnh. Tất cả các khuyết tật (chiều dày bản thay đổi, độ không thẳng, ứng suất dư, tính không đồng nhất của vật liệu, lệch tâm gối đỡ...) được thay thế bằng các khuyết tật hình học tương đương và có thể được thiết lập bằng cách sử dụng các dạng oằn được tính toán bởi LBA. Người dùng chọn biên độ tối đa của dạng oằn được sử dụng cho khuyết tật. Mô tả về khuyết tật được trình bày trong chương tiếp theo.
Diễn giải kết quả
Hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế nhận biết hai trạng thái giới hạn – sử dụng và cực hạn.
Trạng thái giới hạn sử dụng
Các tiêu chuẩn thiết kế quy định giới hạn độ võng của cấu kiện. Chúng có thể được kiểm tra bằng cách so sánh độ võng của cấu kiện được phân tích với các giới hạn.
Trạng thái giới hạn cực hạn
Trạng thái giới hạn cực hạn có thể đạt được khi đạt đến giá trị giới hạn của biến dạng màng chính – được khuyến nghị là 5% hoặc đạt đến tải trọng tối đa đối với các cấu kiện dễ bị oằn. Tải trọng tối đa đạt được khi bộ giải không còn hội tụ (vì mô hình được chất tải bằng lực chứ không phải bằng chuyển vị). Kết thúc hội tụ có nghĩa là không thể áp dụng thêm gia số tải trọng nào cho mô hình, và phân tích có thể dừng lại dưới 100 % tải trọng đã xác định. Nhánh giảm của biểu đồ tải trọng - biến dạng không thể được nắm bắt.
Kết thúc hội tụ trong GMNIA
Khuyết tật
Các khuyết tật là sự không chính xác trong gối đỡ, 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. Có thể xét ba loại khuyết tật hình học:
- Khuyết tật tổng thể của kết cấu
- Khuyết tật cục bộ của cấu kiện
- Khuyết tật cục bộ của bản cấu kiện mỏng
Có các hướng dẫn trong ví dụ EN 1993-1-1 và EN 1993-1-5 cho từng loại khuyết tật.
Lưu ý rằng nhìn chung, các dạng khuyết tật với dấu dương và âm (các hướng khác nhau) cần được khảo sát. Chỉ khi hình học đối xứng, cả hai hướng khuyết tật mới cho kết quả như nhau, và chỉ cần khảo sát một hướng.
Khuyết tật tổng thể của kết cấu
Khuyết tật tổng thể của kết cấu được mô tả trong EN 1993-1-1, Điều 5.3.2 (3). Kết cấu cần được nghiêng theo dạng khuyết tật lắc tương đương theo hình dưới đây.
Khuyết tật lắc tương đương (từ EN 1993-1-1 – Hình 5.2)
Góc khuyết tật là:
\[ \phi = \phi_0 α_h α_m \]
trong đó:
- ϕ0 = 1/200 – giá trị cơ bản của khuyết tật
- \( 2/3 \le α_h = \frac{2}{\sqrt{h}} \le 1.0 \) – hệ số giảm theo chiều cao h áp dụng cho cột
- h – chiều cao của kết cấu tính bằng mét
- \( \alpha_m = \sqrt{0.5 \left ( 1+\frac{1}{m} \right )} \) – 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 được xét
Các khuyết tật tổng thể cần được áp dụng cho kết cấu trong mô hình phân tích tổng thể để thu được tải trọng chính xác. Các khuyết tật tổng thể không nhất thiết phải áp dụng cho mô hình trong ứng dụng IDEA StatiCa Member nếu ví dụ chỉ phân tích một dầm.
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 xét theo dạng khuyết tật cong cục bộ với biên độ e0/L, trong đó L là chiều dài lý thuyết của cấu kiện (khoảng cách từ nút đến nút).
Giá trị thiết kế của khuyết tật cong cục bộ ban đầu (từ EN 1993-1-1 – Bảng 5.1)
Phân tích dẻo được sử dụng nên cần dùng cột bên phải của bảng. Biên độ e0 cần được chọn theo bảng trên cho các cấu kiện chủ yếu chịu nén mà oằn uốn, oằn xoắn hoặc oằn xoắn-uốn được dự kiến. Nếu cấu kiện chủ yếu chịu uốn và dạng phá hoại chính là oằn xoắn ngang, biên độ e0 có thể được giảm theo 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 cho oằn quanh trục mạnh và αcr = 1,5 quanh 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 cho 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 cho 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 tối thiểu cần 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 có nhịp lý thuyết (khoảng cách từ nút đến nút) 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 được khảo sát, 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 bản cấu kiện mỏng
Nếu các cấu kiện thuộc loại 4, khuyết tật cục bộ của bản cũng cần được áp dụng. Biên độ khuyết tật của ô bản cần là a / 200, trong đó a là nhịp ngắn hơn của ô bản theo EN 1993-1-5, Điều C.5.
Oằn cục bộ của bản mỏng
Mặc dù GMNIA là phân tích phù hợp để đánh giá các cấu kiện mỏng, hiện tại chưa có đủ các kiểm chứng và xác nhận để khẳng định rằng mô hình là an toàn. Do đó, hiện tại không khuyến nghị sử dụng IDEA StatiCa Member cho các cấu kiện mỏng (loại 4).
Ảnh hưởng của khuyết tật đến phân tích số của bản mỏng
Áp dụng khuyết tật trong IDEA StatiCa Member
IDEA StatiCa Member cho phép áp dụng khuyết tật theo các dạng oằn với biên độ tối đa do 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 các cấu kiện có tiết diện loại 4, cần xét nhiều dạng oằn hơn và sử dụng tổ hợp của ít nhất hai dạng oằn. Đặc biệt đối với mô hình có nhiều cấu kiện được phân tích, cần chọn nhiều dạng oằn.
Các khuyết tật hình học là tương đương và không nên được đưa vào đánh giá kết quả, ví dụ độ võng ở trạng thái giới hạn sử dụng. Do đó, khi hiển thị kết quả, chỉ các độ võng do tải trọng gây ra mới được hiển thị trên kết cấu chưa bị biến dạng bởi khuyết tật.
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 tấm, vì vậy nên sử dụng hướng dẫn chi tiết hơn 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. 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, và tất cả các biến dạng cấu kiện và liên kết khác góp phần vào chuyển vị của kết cấu – được đáp ứng bằng cách sử dụng GMNIA và cấu kiện gồm các phần tử tấm
- hiệu ứng bậc hai (bao gồm P-Δ, P-δ và hiệu ứng xoắn) – được đáp ứng 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 một phần của tiết diện có thể được nhấn mạnh bởi sự hiện diện của ứng suất dư – không thể thiết lập ứng suất dư trong cấu kiện. Tuy nhiên, sử dụng Phụ lục 1.3.3c, mô hình hóa ứng suất dư có thể được thay thế bằng cách giảm mô đun đàn hồi E và mô đun cắt G đi 0,8.
- sự không chắc chắn về độ bền và độ cứng của hệ kết cấu, cấu kiện và liên kết – được đáp ứng bằng cách sử dụng khuyết tật hình học và giảm độ cứng
Phụ lục 1.3.3b quy định: "Trong mọi trường hợp, phân tích phải mô hình hóa trực tiếp ảnh hưởng của khuyết tật ban đầu do cả hai điểm giao nhau của các cấu kiện bị dịch chuyển khỏi vị trí danh nghĩa (khuyết tật hệ kết cấu) và độ không thẳng ban đầu hoặc độ lệch của cấu kiện dọc theo chiều dài (khuyết tật cấu kiện). Độ lớn của chuyển vị ban đầu phải là lượng tối đa được xét trong thiết kế; dạng chuyển vị ban đầu phải sao cho tạo ra hiệu ứng gây 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 bảo thủ bằng dung sai vật liệu, gia công và lắp dựng tối đa được phép trong Quy tắc Thực hành Tiêu chuẩn AISC (AISC, 2016a): độ không thẳng của cấu kiện bằng L / 1000, trong đó L là chiều dài cấu kiện giữa các điểm giằng hoặc khung, và độ không thẳng đứng của khung bằng H / 500, trong đó H là chiều cao tầng."
Nên áp dụng độ không thẳng đứng trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D và độ không thẳng trong ứng dụng IDEA StatiCa Member.
Tóm tắt:
Nếu quyết định sử dụng phương pháp AISC, áp dụng độ không thẳng đứng H / 500 trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D, độ không thẳng L / 1000 trong Member và giảm mô đun đàn hồi kéo/nén và cắt theo hệ số 0,8. Lưu ý rằng quy trình này không bao gồm các vấn đề phức tạp với nhiều hệ số dạng oằn gần nhau.