Thiết kế kết cấu và thiết kế liên kết cho 74 Silo chứa vật liệu tái chế dưới tải trọng cực hạn

Cốt lõi của dự án là 74 silo chứa vật liệu tái chế mới với chiều cao kết cấu lên đến 35 m. Công trình được bổ sung bởi các cầu ống, sàn bảo trì, lối đi bộ và tháp cầu thang thoát hiểm. Với khoảng 800 t thép lắp đặt, dự án trở thành một trong những dự án công nghiệp thách thức nhất mà công ty từng thực hiện. Sự kết hợp giữa tải trọng đứng lớn, chi tiết liên kết phức tạp và yêu cầu kháng chấn cao đòi hỏi lập kế hoạch kỹ thuật số chính xác cũng như kiểm tra thiết kế kết cấu minh bạch và có thể kiểm chứng.

Tổng quan dự án

Cơ sở silo mới được hình thành như một thành phần trung tâm của việc mở rộng nhà máy. Nó phục vụ việc lưu trữ khối lượng lớn vật liệu có thể tái chế để xử lý công nghiệp. Hệ thống lắp đặt bao gồm nhiều cụm silo có kích thước khác nhau, được kết nối với nhau bằng một hệ thống phức tạp gồm đường ống, lối đi bảo trì và kết cấu thép.

Phạm vi hình học của các silo rất đặc biệt. Đường kính dao động từ 2,5 m đến 4,5 m, và thể tích chứa thay đổi từ 125 m³ đến 400 m³. Ở trạng thái đầy, mỗi silo riêng lẻ đạt trọng lượng vận hành lên đến 350 t. Ngoài ra, các cầu ống, sàn và hệ thống cầu thang thoát hiểm phải được tích hợp vào hệ kết cấu tổng thể để đảm bảo vận hành an toàn cũng như lối tiếp cận bảo trì và thoát hiểm ở độ cao lên đến 35 m.

Thách thức kỹ thuật

Một thách thức quan trọng đã xuất hiện ngay trong giai đoạn thiết kế sơ bộ kết cấu đỡ silo. Các thùng chứa với chiều cao lên đến 35 m được đỡ trên các dầm vòng tròn, qua đó tải trọng đứng lớn phải được truyền đều vào kết cấu thép bên dưới. Ngay cả những sai lệch hình học nhỏ cũng có thể dẫn đến độ lệch tâm không mong muốn và ứng suất bổ sung trong vỏ silo.

Để giảm thiểu những rủi ro này, các cấu kiện kết cấu thiết yếu đã được lắp ráp sơ bộ tại xưởng chế tạo của Stahlbau Süssen. Việc lắp thử và kiểm soát chất lượng này đảm bảo rằng các dầm vòng, cấu kiện sàn và chi tiết liên kết có thể được dựng lắp tại công trường với độ chính xác cao.

Sự phức tạp tiếp theo xuất phát từ sự tương tác giữa các cấu kiện kết cấu khác nhau. Cột chính, dầm vòng, hệ giằng, cầu ống và sàn phải được phối hợp trong một hệ kết cấu tổng thể ba chiều. Đồng thời, các tác động đáng kể từ trọng lượng bản thân, hoạt tải, điều kiện vận hành và hiệu ứng động phải được xem xét.

Thiết kế kháng chấn dưới tải trọng lớn

Một thách thức đặc biệt xuất phát từ vị trí dự án tại Rheinfelden trong vùng Thung lũng Rhine Thượng. Công trường nằm trong khu vực có hoạt động địa chấn tăng cao. Kết hợp với chiều cao kết cấu đáng kể và khối lượng chuyển động lớn, điều này dẫn đến các tác động ngang đáng kể và nội lực tương ứng cao.

Toàn bộ kết cấu được mô hình hóa trong Dlubal RSTAB. Mô hình tổng thể chi tiết cho phép xác định chính xác phản lực gối và nội lực cho thiết kế tiếp theo. Tuy nhiên, các nút chịu tải lớn cũng như các liên kết chân cột lớn đòi hỏi phân tích nâng cao vượt ra ngoài các phương pháp kiểm tra đơn giản hóa thông thường (Hình 5a, 5b).

Các quy trình kiểm tra thông thường sẽ đòi hỏi nỗ lực thủ công đáng kể do số lượng liên kết lớn và sự phức tạp của các tổ hợp tải trọng. Đồng thời, có nguy cơ rằng các giả định đơn giản hóa quá mức có thể dẫn đến kết cấu nặng không cần thiết.

Giải pháp sử dụng IDEA StatiCa

Để kiểm tra các liên kết quyết định, nhóm đã sử dụng IDEA StatiCa Connection kết hợp với IDEA StatiCa Checkbot. Nhờ giao diện trực tiếp với RSTAB, các nội lực đã tính toán có thể được chuyển sang thiết kế liên kết mà không cần các bước trung gian thủ công.

Điều này cho phép một quy trình làm việc kỹ thuật số liên tục giữa mô hình kết cấu tổng thể và thiết kế chi tiết. Các kỹ sư do đó có thể phân tích các nút chịu tải lớn và đánh giá phân bố ứng suất cũng như biến dạng dẻo một cách minh bạch và đáng tin cậy.

Đặc biệt đối với bản mã chân cột và liên kết cột chính, công nghệ CBFEM cung cấp thông tin quý giá về ứng xử chịu lực của các vùng liên kết. Các đỉnh ứng suất cục bộ được xác định và giảm thiểu bằng các biện pháp có mục tiêu, chẳng hạn như bổ sung sườn tăng cứng. Đồng thời, đã xác minh rằng tất cả các liên kết đáp ứng mức độ an toàn yêu cầu ngay cả trong các điều kiện tải trọng đặc biệt.

Kết quả

Bằng cách kết hợp mô hình tổng thể trong RSTAB với thiết kế liên kết trong IDEA StatiCa, Stahlbau Süssen đã có thể thực hiện thiết kế kết cấu sơ bộ và chi tiết cho 74 silo và các công trình phụ trợ liên quan một cách hiệu quả và minh bạch.

Sự nhất quán kỹ thuật số giữa phân tích kết cấu tổng thể và thiết kế liên kết cục bộ đã giảm đáng kể nỗ lực thủ công và giảm thiểu các lỗi truyền dữ liệu tiềm ẩn. Đồng thời, phân tích chi tiết các nút cho phép tối ưu hóa có mục tiêu kết cấu mà không ảnh hưởng đến các biên độ an toàn yêu cầu.

Kết quả là một kết cấu thép hiệu suất cao với tổng trọng lượng khoảng 800 t, đáp ứng cả các tác động vận hành đặc biệt và yêu cầu kháng chấn tăng cao tại công trường. Sự tích hợp chặt chẽ giữa thiết kế kết cấu, lập bản vẽ chi tiết và chế tạo đã cho phép thực hiện an toàn một trong những dự án silo lớn nhất trong danh mục đầu tư của công ty.

Về Kỹ sư kết cấu

Bilal Al Dukhan là kỹ sư xây dựng và Kỹ sư kết cấu tại Stahlbau Süssen GmbH. Trong dự án, ông chịu trách nhiệm về các phần thiết yếu của thiết kế kết cấu sơ bộ và chi tiết, cũng như thiết kế liên kết thép. Trọng tâm của ông là các giải pháp kinh tế và thực tiễn cho các kết cấu phức tạp trong xây dựng công nghiệp và kết cấu thép.