MNA xem xét tính phi tuyến vật liệu, tập trung vào cách vật liệu ứng xử dưới tác dụng của ứng suất mà không tính đến sự thay đổi hình học của kết cấu. Ngược lại, GMNA kết hợp cả tính phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học, cung cấp phân tích toàn diện hơn bằng cách xem xét các biến dạng làm thay đổi hình học của kết cấu.
Việc lựa chọn loại phân tích phù hợp phụ thuộc vào các ràng buộc cụ thể và chiều dài cấu kiện. Thiết lập đúng các điều kiện này đảm bảo rằng phân tích phù hợp với hiệu năng thực tế của kết cấu. Các ràng buộc không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và ứng xử của liên kết đối với GMNA và MNA đối với các liên kết đối xứng và chịu tải trọng dọc trục, nhưng trong trường hợp liên kết không đối xứng, ứng xử sẽ khác. Liên kết không đối xứng tạo ra sự sai lệch đối với các liên kết chịu tải trọng dọc trục do độ lệch tâm, dẫn đến sự không an toàn đáng kể trong quá trình mô hình hóa. Các ràng buộc là yếu tố then chốt và tạo ra sự phân kỳ lớn giữa các kết quả ứng suất. Loại phân tích và ràng buộc ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của cấu kiện/liên kết. Đối với GMNA, các hiệu ứng bậc hai phụ thuộc vào chiều dài và các liên kết ở cả hai phía của cấu kiện. Việc khảo sát các ứng xử khác nhau có thể được tìm thấy trong Chương 03. MNA vs GMNA - Khả năng chịu lực của nút liên kết.
Điều quan trọng là phải giữ chiều dài cấu kiện theo cài đặt mặc định, vốn dựa trên nhiều thập kỷ nghiên cứu và khảo sát. Nếu cấu kiện dài hơn, phá hoại có thể xảy ra ở các vùng khác ngoài vùng lân cận liên kết do nội lực ở xa nút, dẫn đến xu hướng lực có thể khác nhau. Sự gần kề của liên kết và chiều dài mặc định giúp giảm thiểu sai số trong nội lực.
Bài viết cũng tập trung vào các liên kết được lắp ráp không đối xứng như bản mã nút và tác động của chúng đến các lực thứ cấp, cần được kiểm tra bằng IDEA StatiCa Member. Các ràng buộc của cấu kiện được kết nối với nút trong IDEA StatiCa Connection phải tương ứng với ứng xử của các nút trong IDEA StatiCa Member. Quy trình tìm các ràng buộc đúng được mô tả trong Chương 07. Ví dụ: Bản mã nút không đối xứng trong IDEA StatiCa Member & Connection. Lưu ý rằng IDEA StatiCa Connection chỉ xử lý mất ổn định oằn cục bộ. Oằn tổng thể là yếu tố chi phối và cần được kiểm tra bằng phần mềm FEA tổng thể hoặc tốt nhất là trong IDEA StatiCa Member, có xét đến độ cứng liên kết. Sai lệch hình học tổng thể trước tiên cần được xác định và phân tích trong FEA tổng thể, được chiếu thành tải trọng hoặc sai lệch hình học bổ sung vào mô hình cấu kiện. Bỏ qua sai lệch hình học này có thể dẫn đến đánh giá thấp thiết kế kết cấu.
01. MNA vs GMNA nói chung
Phân tích Phi tuyến Vật liệu (MNA):
- Trọng tâm: Chỉ xem xét tính phi tuyến vật liệu của kết cấu.
- Phi tuyến vật liệu: Đây là ứng xử phi tuyến của vật liệu khi chịu tải trọng vượt quá giới hạn đàn hồi. Đối với các vật liệu như thép hoặc bê tông, khi ứng suất vượt quá một ngưỡng nhất định (giới hạn chảy), mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không còn tuyến tính. Đây được gọi là tính dẻo, và kết cấu có thể bị biến dạng vĩnh viễn.
- Giả định chính:
- Hình học của kết cấu không thay đổi trong quá trình chất tải (ứng xử hình học tuyến tính), và các biến dạng được tính toán dựa trên hình dạng ban đầu.
- Kết cấu được phân tích theo sự thay đổi trong tính chất vật liệu, nhưng không xét đến sự thay đổi hình dạng hoặc cấu hình.
Phân tích Phi tuyến Hình học và Vật liệu (GMNA):
- Trọng tâm: Xem xét cả tính phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học.
- Phi tuyến vật liệu: Như trong MNA, GMNA xem xét mối quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến của vật liệu vượt quá giới hạn đàn hồi (tính dẻo, nứt, v.v.).
- Phi tuyến hình học: Đây là sự thay đổi hình học của kết cấu khi biến dạng. Khi kết cấu chịu biến dạng lớn, hình học ban đầu thay đổi đáng kể, điều này ảnh hưởng đến nội lực và phân bố ứng suất. Bản thân biến dạng ảnh hưởng đến cách kết cấu ứng xử dưới tải trọng.
- Giả định chính:
- Cả tính chất vật liệu và hình học của kết cấu đều thay đổi khi tải trọng được áp dụng.
- Phương pháp này chính xác hơn đối với các kết cấu có biến dạng lớn, nơi hình dạng mới của kết cấu dưới tải trọng phải được tính đến, chẳng hạn như cột mảnh hoặc dầm chịu oằn, hoặc màng như kết cấu vải chịu kéo.
- Trong trường hợp không có độ lệch tâm, hình học không bị xáo trộn, đòi hỏi phải có sai lệch hình học ban đầu.
Tóm tắt:
- MNA: Chỉ xem xét tính phi tuyến vật liệu (bỏ qua các hiệu ứng hình học).
- GMNA: Xem xét cả tính phi tuyến vật liệu và hình học (tính đến sự thay đổi hình học do biến dạng lớn).
Do đó, GMNA cung cấp phân tích toàn diện hơn, đặc biệt đối với các kết cấu chịu biến dạng đáng kể hoặc các liên kết được lắp ráp lệch tâm.
02. Mô hình đằng sau IDEA StatiCa Connection
Hiểu được ứng xử cơ học của mô hình đòi hỏi phải hiểu cách lực được truyền và cách các loại mô hình cho cấu kiện đơn ảnh hưởng đến ứng xử liên kết.
02.1. Mô hình số
Việc xây dựng mô hình số đảm bảo rằng nó ứng xử như mong đợi dựa trên nội lực tại các nút của từng cấu kiện. Các đầu cấu kiện được cố định bằng các phần tử cô đặc cho phép biến dạng và không làm cứng nhân tạo các đầu của mỗi cấu kiện. Các phương trình liên kết được tích hợp vào các đầu của phần tử cô đặc và phân phối lại tải trọng từ các cấu kiện riêng lẻ.
Chiều dài của phần tử cô đặc được lấy bằng 4 lần giá trị lớn nhất của chiều rộng và chiều cao tiết diện.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{01) Numerical model behind IDEA StatiCa Connection}}}\]
Loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz
Loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz được thiết lập là mặc định cho tất cả các mô hình. Nút với các ràng buộc phù hợp không bị khóa, và tất cả sáu bậc tự do đều không bị hạn chế, nghĩa là tất cả các lực đều có thể được áp dụng. Độ cứng khác nhau dẫn đến các biến dạng khác nhau của cấu kiện và toàn bộ liên kết. Điểm chính cần ghi nhớ là:
- Sáu bậc tự do được giải phóng tại nút.
- Tất cả sáu nội lực có thể được áp dụng.
- Độ cứng của từng phần của cấu kiện được kết nối xác định ứng xử của liên kết.
- Giữ chiều dài cấu kiện theo hướng dẫn của cài đặt mặc định.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{02) Analytical model behind IDEA StatiCa Connection for constraint in horizontal member N-Vy-Vy-Mx-My-Mz}}}\]
Loại mô hình N-Vy-Vz
Ràng buộc N-Vy-Vz hạn chế các bậc tự do tại nút cấu kiện nơi nó được áp dụng. Tất cả các bậc tự do xoay Rx-Ry-Rz đều bị hạn chế, điều này ảnh hưởng đến định nghĩa nội lực vì chỉ có N-Vy-Vz có thể được thêm vào nội lực. Các ràng buộc này thay đổi sơ đồ tĩnh học, dẫn đến các biến dạng khác nhau, các phản lực bổ sung, ứng suất và sự không phù hợp dưới dạng các phản lực thứ cấp. Các điểm chính cần ghi nhớ là:
- Loại mô hình N-Vy-Vz nên được sử dụng cho phân tích ứng suất - biến dạng trong trường hợp liên kết một bu lông để ngăn chuyển động xoay động học.
- Các ràng buộc tạo ra mô men tại các bậc tự do bị hạn chế = ứng suất bổ sung, phản lực thứ cấp.
- Không sử dụng cho các liên kết được lắp ráp lệch tâm = sử dụng IDEA StatiCa Member.
- Vị trí của tải trọng cắt không liên quan, vì bất kỳ mô men uốn nào đều được truyền qua các gối đầu.
- Lưu ý rằng ràng buộc nằm ở cuối phần tử cô đặc vô hình với chiều dài mặc định bằng 4 lần chiều rộng hoặc chiều cao tiết diện, lấy giá trị lớn hơn.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{03) Analytical model behind IDEA StatiCa Connection for constraint in horizontal member N-Vy-Vz}}}\]
GMNA trong IDEA StatiCa Connection
Trong trường hợp tiết diện rỗng, đặc biệt với tỷ lệ đường kính trên chiều dày lớn, phân tích tuyến tính hình học có thể không nắm bắt được ứng xử của nút liên kết với độ chính xác đủ, và khả năng chịu tải của nó có thể bị đánh giá thấp hoặc cao hơn thực tế. Khuyến nghị sử dụng phân tích phi tuyến hình học và vật liệu nâng cao hơn cho các nút liên kết tiết diện rỗng. Do đó, phân tích GMNA được kích hoạt khi cấu kiện chịu lực là tiết diện rỗng. Nếu không, tính phi tuyến hình học bị vô hiệu hóa cho phân tích toàn bộ mô hình liên kết bất kể cài đặt trong thiết lập tiêu chuẩn (GMNA bật hay tắt).
\[\textsf{\textit{\footnotesize{04) Sections supporting the GMNA}}}\]
Biểu đồ tải trọng - biến dạng điển hình cho các nút liên kết tiết diện rỗng; đường cong màu đỏ dành cho cấu kiện thành mỏng chịu nén, đường cong màu xanh lá dành cho cấu kiện thông thường chịu nén, đường cong màu xanh dương dành cho ví dụ nút X chịu kéo
03. MNA vs GMNA - Khả năng chịu lực thiết kế của nút liên kết
03.1. Liên kết đối xứng - N-Vy-Vz-My-Mx-Mz
Giả sử rằng hầu hết các liên kết trên kết cấu được lắp ráp đối xứng. Điều này có nghĩa là các bản mã nút được đặt ở cả hai phía, và bu lông được phân bố đều, do đó lực dọc trục không gây ra bất kỳ uốn bổ sung nào cho cấu kiện. Trong trường hợp này, sự khác biệt giữa GMNA và MNA trong thiết kế Connection sẽ không tạo ra sự khác biệt lớn. Các kỹ sư kết cấu không cho phép biến dạng lớn tại các liên kết trong hầu hết các trường hợp. Điều này là do tính phi tuyến hình học không gây ra ứng suất bổ sung do biến dạng của chính phần tử liên kết/kết cấu. Đây cũng là mục tiêu của giới hạn biến dạng dẻo 5% cho thiết kế bản thép, rất gần với các giả định đàn hồi và biến dạng nhỏ.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{05) Symmetrical gusset plate and RHS section - only axial forces, model type N-Vy-Vz-Mx-My-Mz, equilibrium on }}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{06) JDR analysis, differences between GMNA vs MNA}}}\]
Hiệu ứng tăng cứng màng do GMNA gây ra đã được tính đến. Điều này dẫn đến khả năng chịu lực thấp hơn một chút do ứng suất màng bổ sung, làm tăng trạng thái ứng suất. Ứng suất tương đương Von-Mises đạt biến dạng dẻo 5% sớm hơn. Sự khác biệt là 2,6% về lực tối đa, đây không phải là sự sai lệch đáng kể.
03.2. Liên kết đối xứng - N-Vy-Vz
Ràng buộc N-Vy-Vz hạn chế xoay (chỉ cho phép tịnh tiến) tại nút cho dầm ngang. Do tính đối xứng, các mô men rất nhỏ gần bằng không sẽ được tạo ra tại gối. Tôi kết luận rằng đối với các ràng buộc đối xứng và chỉ có lực dọc trục, không có sự thay đổi nào trong kết quả được mong đợi.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{07) Model of symmetrically assembled gusset plate and RHS section - only axial forces included and, model type N-Vy-Vz, equilibrium on}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{8) JDR analysis, differences between GMNA vs MNA}}}\]
03.3. Liên kết không đối xứng - N-Vy-Vz-My-Mx-Mz
Do độ lệch tâm, các liên kết được thiết kế không đối xứng dễ bị ảnh hưởng bởi các mô men uốn bổ sung và hiệu ứng bậc hai. Các loại liên kết này thường khó thiết kế. Trong ví dụ sau, sự khác biệt trong kết quả được minh họa:
\[\textsf{\textit{\footnotesize{09) Asymmetrical gusset plate and RHS section - only axial forces, model type N-Vy-Vz-Mx-My-Mz, equilibrium on}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{10) JDR analysis, differences between GMNA vs MNA}}}\]
Sự chênh lệch về khả năng chịu lực là đáng kể. Điều này là do trong GMNA, một hình học liên kết biến dạng mới được tạo ra với mỗi gia số tải trọng, dẫn đến ứng suất uốn bổ sung. Đối với MNA, các gia số tải trọng được tích lũy trên mô hình chưa biến dạng, ngăn chặn các ứng suất bổ sung này. Điều này có nghĩa là các liên kết lệch tâm dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bậc hai do độ cứng của liên kết. Sự chênh lệch về khả năng chịu lực cho các mô hình được trình bày là 33%, nhưng giá trị này có thể còn cao hơn đối với các cấu hình bản mã nút khác nhau.
03.4. Liên kết không đối xứng - N-Vy-Vz
Ràng buộc xoay tại nút của dầm ngang ngăn chặn biến dạng và dẫn đến tăng mô men tại gối (phản lực thứ cấp). Do các ràng buộc này, có sự khác biệt đáng kể về khả năng chịu lực của chính liên kết. Khi so sánh khả năng chịu lực dưới các ràng buộc N-Vy-Vz-Mx-My-Mz và ràng buộc N-Vy-Vz, có sự sai lệch 26,8%. Mô hình với ràng buộc N-Vy-Vz thể hiện khả năng chịu lực cao hơn. Sự sai lệch tương tự cũng được quan sát thấy đối với GMNA.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{11) Asymmetrical gusset plate and RHS section - only axial forces, model type N-Vy-Vz, equilibrium on }}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{12) JDR analysis, differences between GMNA vs MNA}}}\]
03.5. Kết luận từ GMNA vs MNA - Khả năng chịu lực thiết kế của nút liên kết
\[\textsf{\textit{\footnotesize{13) Summary of results from stress-strain analysis for default length of the members}}}\]
Chỉ dựa trên khả năng chịu lực với cài đặt mặc định trong ứng dụng IDEA StatiCa có thể tóm tắt:
- Các ràng buộc không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và ứng xử của liên kết đối với GMNA và MNA đối với các liên kết đối xứng và chịu tải trọng dọc trục.
- Nếu lực dọc trục được áp dụng cho các liên kết không đối xứng, các ràng buộc có vai trò quan trọng, dẫn đến sự khác biệt trong kết quả giữa GMNA và MNA do các lực thứ cấp.
- Liên kết không đối xứng tạo ra sự sai lệch đối với các liên kết chịu tải trọng dọc trục do độ lệch tâm, dẫn đến sự không an toàn đáng kể trong quá trình mô hình hóa. Các ràng buộc là yếu tố then chốt và tạo ra sự phân kỳ lớn giữa các kết quả ứng suất.
- Khuyến nghị đầu tiên cho các liên kết được lắp ráp lệch tâm -> chạy phân tích MNA và sử dụng các hướng dẫn trong bài viết này.
- Đối với GMNA, các hiệu ứng bậc hai phụ thuộc vào chiều dài và các liên kết ở cả hai phía của cấu kiện. Cấu hình này không thể được sử dụng trong thiết kế liên kết vì nó dẫn đến sự không an toàn đáng kể. Khuyến nghị thứ hai chúng tôi đề xuất là sử dụng IDEA StatiCa Member để biết ứng xử phù hợp của các liên kết và cấu kiện.
- Chỉ sử dụng GMNA cho hiệu ứng xuyên thủng hoặc hiệu ứng cục bộ trên tiết diện RHS, SHS hoặc ống để phát hiện hiệu ứng tăng cứng màng.
04. Tác động của chiều dài cấu kiện đến kết quả
Chiều dài cấu kiện xuất phát từ nhiều thập kỷ nghiên cứu và khảo sát. Các liên kết là các vùng cục bộ trên kết cấu, và tại IDEA StatiCa Connection, chúng tôi cố gắng hiểu ứng xử trong vùng lân cận của liên kết thay vì toàn bộ chiều dài của các dầm, nơi các công cụ FEA tổng thể đóng vai trò chủ đạo.
04.1. Liên kết bản mã nút đối xứng - chỉ chịu tải trọng dọc trục
Tải trọng dọc trục và phân tích MNA được sử dụng để xác định phản ứng của kết cấu. Như đã đề cập ở trên, GMNA sẽ không thay đổi phản ứng đối với các liên kết được lắp ráp đối xứng. Sự so sánh giữa chiều dài mặc định bằng 1,25 lần chiều dài của các cấu kiện liên quan và 10 lần chiều dài của các cấu kiện liên quan với các ràng buộc khác nhau được tóm tắt dưới đây.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{14) JDR analysis, MNA, default length of the member and axial load only}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{15) JDR analysis, MNA, 10*height of the member and axial load only}}}\]
04.2. Kết luận từ GMNA vs MNA - Khả năng chịu lực thiết kế của nút liên kết - chiều dài không tiêu chuẩn
Chỉ dựa trên khả năng chịu lực với chiều dài không tiêu chuẩn của các cấu kiện liên quan trong ứng dụng IDEA StatiCa có thể tóm tắt:
\[\textsf{\textit{\footnotesize{16) Summary of results from stress-strain analysis for a nonstandard length of the members}}}\]
- Đối với các liên kết được thiết kế đối xứng chịu tải trọng dọc trục, loại phân tích, chiều dài và ràng buộc có tác động tối thiểu đến khả năng chịu lực.
- Sự khác biệt lên đến 10%. Phần lớn sự sai lệch được gây ra bởi các ràng buộc N-Vy-Vz (chỉ đối với tải trọng dọc trục và liên kết này). Sự sai lệch được gây ra bởi vị trí phá hoại khác nhau.
- Nếu cấu kiện dài hơn, phá hoại có thể xảy ra ở các vùng khác ngoài vùng lân cận liên kết do nội lực ở xa nút, dẫn đến xu hướng lực có thể khác nhau. Sự gần kề của liên kết và chiều dài mặc định giúp giảm thiểu sai số trong nội lực.
- Giữ chiều dài cấu kiện theo cài đặt mặc định.
04.3. Cách xử lý liên kết bản mã nút không đối xứng chỉ chịu tải trọng dọc trục?
Lời khuyên đề cập ở trên rất quan trọng để mô phỏng và thiết kế các liên kết được lắp ráp không đối xứng. Loại phân tích và ràng buộc ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của cấu kiện/liên kết. Câu hỏi đặt ra là: nên sử dụng phân tích và ràng buộc nào? Đáng ngạc nhiên là không có giải pháp nào trong số đó có sẵn trong IDEA StatiCa Connection. Thay vào đó, sử dụng IDEA StatiCa Member để mô phỏng ứng xử phù hợp của cấu kiện và các liên kết mới là cách tiếp cận đúng đắn. Các ràng buộc và loại phân tích trong IDEA StatiCa Connection không thể dự đoán giải pháp chính xác vì thiếu thông tin về liên kết thứ hai và chiều dài cấu kiện. Điều này dẫn đến một phát biểu không rõ ràng cho thiết kế liên kết. Như đã thấy trong trường hợp với GMNA và ràng buộc N-Vy-Vz-Mx-My-Mz (Hình 17), khả năng chịu lực là thấp nhất do hiệu ứng bậc hai. Nếu bạn tăng chiều dài cấu kiện, độ cứng giảm nhanh chóng, như được thể hiện rõ ràng trong Hình 18. Đối với GMNA và 10 lần chiều dài mặc định, khả năng chịu lực chỉ đạt 5,9%.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{17) JDR analysis, 1.25*default length of member, N-Vy-Vz-Mx-My-Mz}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{18) JDR analysis, 10*default length of member, N-Vy-Vz-Mx-My-Mz}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{19) JDR analysis, 10*default length of member, N-Vy-Vz}}}\]
- Giữ chiều dài cấu kiện theo mặc định - cài đặt xuất phát từ nghiên cứu và nhiều thập kỷ khảo sát
- Cấu kiện dài hơn = tăng sai số về phía phân phối lại nội lực
- Cấu kiện dài hơn = vùng phá hoại khác so với vùng lân cận liên kết, bạn đang giải quyết vấn đề cục bộ, không phải vấn đề tổng thể
- Do hai ẩn số (chiều dài cấu kiện thực tế và liên kết ở phía bên kia), hiệu ứng bậc hai phụ thuộc vào chiều dài = Tăng chiều dài dẫn đến khả năng chịu lực thấp hơn. Liên kết ở phía bên kia của cấu kiện được phân tích chi phối khả năng chịu lực do độ cứng không được biết đối với IDEA StatiCa Connection.
- Đối với các liên kết được lắp ráp không đối xứng, sử dụng IDEA StatiCa Member
05. Sự không phù hợp - lực thứ cấp
Các sự không phù hợp được xác định sau phân tích cung cấp thông tin chung bổ sung về mô hình. Lực thứ cấp xuất phát từ các ràng buộc xoay tại nút.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{20) Nonconformity, secondary forces, one bolt connections}}}\]
- Loại mô hình N-Vy-Vz hạn chế xoay - lực thứ cấp sẽ xuất hiện.
- Lực thứ cấp thay đổi trạng thái ứng suất của cấu kiện liên quan.
- Tác động của lực thứ cấp cần được kiểm tra bằng IDEA StatiCa Member để đảm bảo rằng bạn đang ở trong phạm vi trạng thái ứng suất hợp lý.
06. Kết luận và lời khuyên cho thiết kế liên kết
06.1. Liên kết được lắp ráp đối xứng
- Các liên kết không dễ bị dao động đáng kể về khả năng chịu lực và dẫn đến thiết kế an toàn và kinh tế.
- Chiều dài cấu kiện không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của chính liên kết. Tuy nhiên, khi chiều dài cấu kiện thay đổi, nó có thể dẫn đến các lực không thực tế và phá hoại sớm hơn, nhưng ở vị trí khác so với vùng lân cận liên kết. Do đó, khuyến nghị giữ chiều dài cấu kiện ở cài đặt mặc định.
06.2. Liên kết được lắp ráp không đối xứng
- Cài đặt mặc định của chiều dài cấu kiện
- GMNA ảnh hưởng đến kết quả và so với MNA (đối với cấu hình trường hợp này và chiều dài mặc định) mang lại khả năng chịu lực thấp hơn đến 33% do tính phi tuyến hình học.
- Các ràng buộc ảnh hưởng rất lớn đến kết quả. Khả năng chịu lực cao hơn xuất hiện đối với ràng buộc N-Vy-Vz do hạn chế xoay và hiệu ứng biến dạng thấp hơn. Các ràng buộc có vai trò quan trọng.
- Chiều dài cấu kiện không tiêu chuẩn - 10*h
- Phân tích MNA cho thấy khả năng chịu lực tương tự như cài đặt mặc định cho chiều dài cấu kiện.
- GMNA, so với MNA, cho thấy sự khác biệt 15% đối với ràng buộc N-Vy-Vz nhưng 38% đối với N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Sự khác biệt được gây ra bởi độ cứng uốn khác nhau của cấu kiện do chiều dài và thiếu thông tin về liên kết thứ hai ở đầu cấu kiện sẽ chi phối biến dạng.
06.3. Khuyến nghị cho thiết kế liên kết
- Giữ chiều dài cấu kiện theo mặc định.
- Liên kết được lắp ráp đối xứng độc lập với loại phân tích, chiều dài cấu kiện và ràng buộc đối với các bản mã nút chịu tải trọng dọc trục.
- Đối với các bản mã nút được thiết kế không đối xứng, sử dụng:
- IDEA StatiCa Member.
- IDEA StatiCa có những hạn chế và các bản mã nút chịu tải lệch tâm là một trong những trường hợp cần thông tin bổ sung như chiều dài cấu kiện và liên kết ở đầu cấu kiện để đạt được quy trình thiết kế đúng đắn.
07. Ví dụ: Bản mã nút không đối xứng trong IDEA StatiCa Member & Connection
Mục tiêu của phần liên quan về đòn bẩy được cung cấp bởi ứng dụng cấu kiện là xác định các sai lệch và vùng nguy hiểm khi sử dụng mô hình con của kết cấu. Phần này chứa thông tin thiết yếu, chẳng hạn như chiều dài cấu kiện và cấu hình của liên kết thứ cấp nằm ở phía đối diện của cấu kiện nguy hiểm.
07.1. Mô hình trong IDEA StatiCa Member
Khoảng cách ngang giữa các cột được thiết kế là 6 mét. Thiết kế này có các bản mã nút được lắp ráp không đối xứng ở cả hai đầu của cấu kiện ngang. Các cột có điều kiện biên ngàm cứng ở cả phần trên và phần dưới của các cấu kiện liên quan. Trong khi tất cả các bậc tự do đều bị hạn chế, chuyển vị ngang được cho phép tại cột nơi lực được áp dụng.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{21) Member model, constraints, loads}}}\]
Lực tối đa 110 kN có thể được truyền qua hệ thống bao gồm các cấu kiện ngang và đứng. Nếu lực này bị vượt quá, hệ thống sẽ trở nên mất ổn định, đòi hỏi phân tích ứng xử sau tới hạn. Đây không phải là trọng tâm dự kiến của các kỹ sư kết cấu. Khả năng chịu lực đối với MNA (Phân tích Phi tuyến Vật liệu) và GMNA (Phân tích Phi tuyến Hình học và Vật liệu) là đủ, đạt giá trị biến dạng dẻo tương đương tối đa 1,1%. Điều này cho thấy giới hạn dưới là 5%, phù hợp với giới hạn biến dạng theo tiêu chuẩn cho trạng thái giới hạn cực hạn. Như bạn có thể quan sát, hệ số oằn tới hạn đạt giá trị 5,67 đối với oằn tổng thể, và dạng oằn mô phỏng hình dạng sin do độ cứng nhỏ của các bản thép theo phương ngang (ngoài mặt phẳng). Dạng oằn thứ hai vuông góc với dạng thứ nhất và cũng gợi lên hình dạng mất ổn định oằn tổng thể. Dạng thứ ba biểu thị oằn cục bộ bản thép, có thể đạt được trong IDEA StatiCa Connection.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{22) Results, Equivalent Stress, Linear Buckling - first mode shape (global buckling)}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{23)Linear Buckling - second mode shape (global buckling), third mode shape (local plate buckling)}}}\]
Xem Cách IDEA StatiCa Member hoạt động.
07.2. Bản mã nút không đối xứng: MNA vs. GMNA - N-Vy-Vz-Mx-My-Mz
Ứng suất & Biến dạng trong IDEA StatiCa Connection - MNA
Sự so sánh giữa MNA trong IDEA StatiCa Connection và IDEA StatiCa Member cho thấy những khác biệt quan trọng. Loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz có thể truyền tất cả sáu nội lực. Lực dọc trục tối đa có thể áp dụng cho cấu kiện ngang trong IDEA StatiCa Connection, và khả năng chịu lực tương ứng, là 87 kN dưới tác dụng nén. Điều này dẫn đến biến dạng dẻo 4,3%, dẫn đến dạng phá hoại trong bản thép hàn của cột do sự kết hợp của ứng suất uốn và dọc trục. Dạng biến dạng quan sát được cho thấy cấu kiện ngang hoạt động như một dầm công xôn với đầu tự do. Biến dạng này không phù hợp với dạng biến dạng được tạo ra bởi IDEA StatiCa Member. Loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz không đại diện đầy đủ cho tác động của liên kết lệch tâm trong kết cấu vì chỉ có đầu tự do được mô hình hóa, và gối đỡ của cấu kiện ở đầu kia bị thiếu. Tác động này có thể được mô phỏng bằng loại mô hình N-Vy-Vz. Các lực dư được tạo ra do sự dịch chuyển và xoay của tâm liên kết, có thể gây ra sai lệch trong các lực.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{24) Plastic strain, failure mode, deformation}}}\]
Ứng suất & Biến dạng trong IDEA StatiCa Connection - GMNA
GMNA phù hợp cho các tiết diện SHS và RHS do hiệu ứng xuyên thủng cục bộ và tăng cứng màng trên các tiết diện này. Bằng cách áp dụng phân tích nâng cao này, bạn cũng thu được mô men bậc hai, làm tăng trạng thái ứng suất trên bản thép nguy hiểm. Điều này dẫn đến mức tải trọng thấp hơn đáng kể có thể được áp dụng trước khi xảy ra phá hoại. Giải pháp cung cấp biến dạng tương đối giống như MNA. Mô hình chỉ có thể chịu tải trọng dọc trục 57 kN trên cấu kiện ngang trước khi đạt đến dạng phá hoại, đại diện cho mức giảm khoảng 35% về khả năng chịu lực so với MNA. Ngoài ra, loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz không phù hợp cho phân tích này, vì nó làm sâu thêm các sai số do sử dụng sai loại mô hình.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{25) Plastic strain, failure mode, deformation}}}\]
Ứng suất & Biến dạng trong IDEA StatiCa Member
Mô hình trong IDEA StatiCa Member đã truyền thành công tải trọng dọc trục 110 kN, trước vấn đề ổn định, trong cấu kiện ngang. Khả năng của cấu kiện để chịu tải trọng cao hơn này có thể được quy cho các đặc điểm của mô hình con, vốn có sự hiểu biết về cấu hình liên kết ở phía đối diện cũng như chiều dài của cấu kiện. Sự nhận thức này tạo điều kiện cho các biến thể trong biến dạng và phân phối lại ứng suất. Trong bối cảnh này, cấu kiện hoạt động như một cấu kiện khớp trong IDEA StatiCa Member, trong khi nó hoạt động như một cấu kiện công xôn trong IDEA StatiCa Connection. Điều này dẫn đến kết luận rằng loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz không phù hợp cho bản mã nút lệch tâm.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{26) Deformed shape comparison between the Member and Connection model}}}\]
07.3. Bản mã nút không đối xứng: MNA vs. GMNA - N-Vy-Vz
Ứng suất & Biến dạng trong IDEA StatiCa Connection - MNA
Loại mô hình đã thay đổi khả năng chịu lực của liên kết, cho phép truyền 140 kN trước khi mất tính toàn vẹn kết cấu và đạt biến dạng dẻo 5%. Có sự khác biệt đáng kể khi so sánh kết quả của mô hình MNA với loại mô hình N-Vy-Vz so với N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Mức tăng lực đối với loại mô hình N-Vy-Vz là khoảng 39% so với loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Ngoài ra, đáng lưu ý rằng các lực thứ cấp từ loại mô hình N-Vy-Vz đã được xác định, đưa thêm ứng suất vào mô hình do các xoay bị hạn chế.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{27) Plastic strain, failure mode, deformation -MNA}}}\]
Ứng suất & Biến dạng trong IDEA StatiCa Connection - GMNA
GMNA dẫn đến giảm khả năng chịu lực so với MNA, với mức giảm đáng kể khi so sánh GMNA cho loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Sự khác biệt này là do các ràng buộc khác nhau, vì các ràng buộc N-Vy-Vz cung cấp khả năng chịu lực cao hơn khoảng 49% so với N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Ngoài ra, xoay đã đưa vào mô men uốn theo phương 'Y', có nghĩa là xoay thêm sẽ xảy ra trong mô hình và dẫn đến ứng suất nhân tạo bổ sung so với mô hình IDEA StatiCa Member. Điều này là do chiều dài phần tử cô đặc và loại mô hình được gán cho vị trí hạn chế xoay tự do.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{28) Plastic strain, failure mode, deformation -GMNA}}}\]
Ứng suất & Biến dạng trong IDEA StatiCa Member
Khi bạn so sánh dạng biến dạng trong Connection, nó phù hợp hơn với ứng xử quan sát được trong mô hình con Member. Khả năng truyền lực khác nhau: 140 kN đối với MNA và 111 kN đối với GMNA. Do vấn đề ổn định tổng thể xảy ra trước tiên, IDEA StatiCa Connection không thể nắm bắt dạng phá hoại. Dạng phá hoại đối với ứng suất và biến dạng luôn là khả năng chịu lực đối với MNA; nếu chúng ta sử dụng GMNA, vấn đề ổn định cục bộ có thể được phát hiện với khả năng chịu lực đủ, nhưng không thể tìm được trạng thái cân bằng.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{29) Deformation in Member and Connection comparison}}}\]
08. Phân tích oằn tuyến tính
08.1. Cách hoạt động nói chung
Phương pháp này dự đoán tải trọng tới hạn mà tại đó kết cấu trở nên mất ổn định do oằn, giả định hình học hoàn hảo và ứng xử vật liệu đàn hồi. Nó sử dụng tính toán giá trị riêng để xác định các dạng oằn và tải trọng tới hạn, đóng vai trò là ước tính đầu tiên về ổn định. Mặc dù nhanh và lý tưởng hóa, nó không tính đến các sai lệch hình học, tính phi tuyến hoặc ứng xử sau oằn, đòi hỏi phân tích thêm cho các ứng dụng thực tế.
Tôi muốn nhấn mạnh phần giải thích và hình ảnh minh họa tuyệt vời trong hướng dẫn ANSYS. Hãy thoải mái xem tại đây.
Phân tích oằn giá trị riêng:
- phương pháp tuyến tính
- dự đoán cường độ oằn lý thuyết
- hiệu quả về mặt tính toán
- nhiều dạng oằn
08.2. Cách hoạt động nói chung trong IDEA StatiCa Connection
Quá trình tính toán oằn bao gồm hai bước. Trong bước đầu tiên, phân tích ứng suất và biến dạng được thực hiện để xác định trạng thái ứng suất ban đầu và độ cứng liên quan. Trong bước thứ hai, các loại mô hình (điều kiện biên) được thay đổi, và oằn được tính toán cho mô hình với các ràng buộc khác nhau. Sự khác biệt về cách các ràng buộc thay đổi được minh họa trong Hình 31 và 32 dưới đây.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{30) Model type N-Vy-Vz-Mx-My-Mz and buckling (just illustrational figures)}}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{31) Model type N-Vy-Vz and buckling (just illustrational figures)}}}\]
08.3. Phân tích oằn tuyến tính trong IDEA StatiCa Connection - MNA vs. GMNA - N-Vy-Vz-Mx-My-Mz
Nếu bạn so sánh và đánh giá sự khác biệt giữa MNA và GMNA là các trạng thái cơ sở cho phân tích oằn tuyến tính với xét đến loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz, bạn có thể quan sát:
- Dạng oằn đối với MNA và GMNA trùng khớp
- Hệ số oằn tới hạn là 52 đối với MNA và 79 đối với GMNA. Sự khác biệt trong các giá trị này xuất phát từ các mức tải trọng khác nhau trong trạng thái cơ sở. Bằng cách nhân hệ số tới hạn với tải trọng hiện tại cho mỗi mức phân tích, bạn sẽ thu được tải trọng tới hạn tương tự
\[\textsf{\textit{\footnotesize{32) Linear Buckling Analysis - first step MNA }}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{33) Linear Buckling Analysis - first step GMNA }}}\]
08.4. Phân tích oằn tuyến tính trong IDEA StatiCa Connection - MNA vs. GMNA - N-Vy-Vz
Nếu bạn so sánh và đánh giá sự khác biệt giữa MNA và GMNA là các trạng thái cơ sở cho phân tích oằn tuyến tính với xét đến loại mô hình N-Vy-Vz, bạn có thể quan sát:
- Dạng oằn thứ nhất rất giống với dạng oằn thứ ba từ IDEA StatiCa Member (hình 23), do các bậc tự do tịnh tiến tự do theo phương ngang và đứng
- Hệ số oằn đã giảm xuống và thấp hơn đối với MNA so với GMNA do các mức tải trọng khác nhau trong phân tích ứng suất và biến dạng.
- Một hiệu ứng có thể quan sát khác là dạng oằn thứ hai trùng với loại mô hình N-Vy-Vz-Mx-My-Mz hình 32, 33.
- Các hệ số oằn tương quan với IDEA StatiCa Member đối với oằn cục bộ bản thép, có nghĩa là dạng oằn thứ ba trong IDEA StatiCa Member bằng dạng oằn thứ nhất trong IDEA StatiCa Connection.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{34) Linear Buckling Analysis - first step MNA }}}\]
\[\textsf{\textit{\footnotesize{35) Linear Buckling Analysis - first step GMNA }}}\]
08.5. Phân tích oằn tuyến tính trong IDEA StatiCa Member
Dạng oằn trong IDEA StatiCa Member tính đến độ cứng của các liên kết và xem xét chiều dài thực tế của cấu kiện. Điều này dẫn đến giải pháp chính xác nhất vì tất cả các đầu vào đều được biết, dẫn đến các phản ứng chính xác. Một thuộc tính quan trọng cũng là hệ số tới hạn cho biết bạn đang ở gần mức mất ổn định đến mức nào. Thông tin này là cơ bản theo yêu cầu tiêu chuẩn, vì nó giúp xác định liệu bạn có cần thực hiện mức phân tích cao hơn, chẳng hạn như Phân tích Phi tuyến Hình học và Vật liệu có Sai lệch hình học (GMNIA), hay liệu bạn có thể dựa vào Phân tích Phi tuyến Vật liệu (MNA) và vẫn hoàn toàn an toàn. Hai dạng oằn đầu tiên thực hiện oằn tổng thể không thể nắm bắt được trong IDEA StatiCa Connection. Dạng oằn thứ ba trùng với dạng thứ nhất trong IDEA StatiCa Connection.
\[\textsf{\textit{\footnotesize{36) Linear Buckling Analysis - IDEA StatiCa Member }}}\]
08.6. Những điểm chính của Phân tích oằn tuyến tính trong IDEA StatiCa Member
- Khuyến nghị đầu tiên cho các liên kết được lắp ráp lệch tâm -> sử dụng loại mô hình N-Vy-Vz, chạy phân tích MNA, và sử dụng các hướng dẫn trong bài viết này cho giá trị lực cắt.
- IDEA StatiCa Connection chỉ xử lý mất ổn định oằn cục bộ. Oằn tổng thể là yếu tố chi phối và cần được kiểm tra bằng phần mềm FEA tổng thể hoặc tốt nhất là trong IDEA StatiCa Member, có xét đến độ cứng liên kết.
- IDEA StatiCa Connection chỉ tập trung vào oằn cục bộ, có nghĩa là nó có thể bỏ qua các dạng oằn tổng thể. Do đó, điều quan trọng là phải kiểm tra oằn tổng thể trước. Một cách tiếp cận tốt để hiểu các dạng oằn chi phối là mô hình hóa mô hình con trong IDEA StatiCa Member. Bằng cách sử dụng mô hình con, bạn có thể tránh sai số và nắm bắt hiệu quả cả oằn tổng thể và cục bộ tại một nơi.
- N-Vy-Vz-Mx-My-Mz là loại mô hình không phù hợp cho bản mã nút được lắp ráp không đối xứng đối với MNA và LBA.
- Sai lệch hình học tổng thể trước tiên cần được xác định và phân tích trong FEA tổng thể, được chiếu thành tải trọng hoặc sai lệch hình học bổ sung vào mô hình cấu kiện. Bỏ qua sai lệch hình học này có thể dẫn đến đánh giá thấp thiết kế kết cấu.