Các phương pháp phổ biến
Mọi kỹ sư kết cấu đều quen với việc sử dụng giới hạn chảy làm giá trị giới hạn cho việc kiểm tra tiêu chuẩn, vì về cơ bản mọi tiêu chuẩn và quy phạm thiết kế đều dựa trên phương pháp này.
Tuy nhiên, điều này áp dụng cho ứng xử đàn hồi thuần túy của vật liệu. Điều này có thể dẫn đến thiết kế thiên về an toàn và đôi khi thiết kế quá mức không cần thiết cho kết cấu, dẫn đến tiêu thụ nhiều vật liệu hơn.
Tuy nhiên, ứng xử thực tế của thép khác với điều đó, và hoàn toàn có thể giả định ứng xử dẻo của vật liệu sau khi giới hạn chảy bị vượt qua.
IDEA StatiCa và phương pháp CBFEM
CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) là sự kết hợp giữa Phương pháp Cấu kiện và phân tích Phần tử Hữu hạn.
Việc kiểm tra tiêu chuẩn một nút liên kết theo phương pháp cấu kiện tiêu chuẩn và theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) được sử dụng trong IDEA StatiCa Connection dựa trên việc kiểm tra tiêu chuẩn tất cả các bộ phận của nút liên kết – các cấu kiện. Các cấu kiện có thể là bu lông, neo, mối hàn, bản thép, và bê tông tại móng.
CBFEM phân tách toàn bộ nút liên kết thành các cấu kiện riêng biệt như đã đề cập ở trên. Sau đó, mô hình phân tích được phần mềm tự động tạo ra từ từng cấu kiện.
Tất cả các bản thép, như cánh hoặc bụng của tiết diện, sườn tăng cứng, rib, gia cường, v.v., được mô hình hóa bằng các phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn được chấp nhận rộng rãi trong kỹ thuật kết cấu và mang lại kết quả rất tốt và đáng tin cậy.
Ứng xử vật liệu dựa trên tiêu chí chảy von Mises. Vật liệu được giả định là đàn hồi trước khi đạt đến giá trị thiết kế của giới hạn chảy fyd.
Tiêu chí trạng thái giới hạn cực hạn cho các vùng không nhạy cảm với oằn là đạt đến giá trị giới hạn của biến dạng màng chính. Giá trị 5% được khuyến nghị (ví dụ: EN 1993-1-5, Phụ lục C, Điều C.8, Ghi chú 1).
ANSI/AISC 360-16 sử dụng một phương pháp khác. Trong Chương B – Yêu cầu thiết kế, có một điều khoản: "Connection Strength. The strength of a connection is the maximum moment that it is capable of carrying, Mn, as shown in Figure C-B3.2. The strength of a connection can be determined on the basis of an ultimate limit-state model of the connection, or from physical tests. If the moment-rotation response does not exhibit a peak load then the strength can be taken as the moment at a rotation of 0.02 rad (Hsieh and Deierlein, 1991; Leon et al., 1996)."
Các hình được lấy từ ANSI/AISC 360-16, Comm. B3, tr. 332, 333.
Một ví dụ về liên kết hàn trong IDEA StatiCa được trình bày:
Khả năng chịu uốn thiết kế của liên kết này, theo điều khoản trong AISC 360, được xác định là mô men uốn tại góc xoay 20 mrad (MRd = 408,5 kip-in). Khả năng chịu lực này gần bằng khả năng chịu uốn được xác định bằng cách giới hạn biến dạng dẻo ở mức 5% theo đề xuất của EN 1993-1-5 (MRd = 402,5 kip-in).
Một ví dụ khác về liên kết bu lông cho thấy kết quả tương tự:
Một lần nữa, khả năng chịu lực được xác định theo góc xoay 20 mrad (MRd = 372 kip-in) trùng khớp chặt chẽ với khả năng chịu lực được xác định bằng cách giới hạn biến dạng dẻo ở mức 5% (MRd = 374,7 kip-in).
Kết luận
ANSI/AISC 360 để việc mô hình hóa phần tử hữu hạn (xem Phụ lục 1 – Thiết kế bằng phân tích nâng cao và Chương B – Yêu cầu thiết kế – 4. Thiết kế liên kết và gối đỡ – Phân tích kết cấu) theo phán đoán kỹ thuật. Việc sử dụng biểu đồ vật liệu đàn hồi-dẻo tuyến tính hai đoạn cho các bản thép và giới hạn biến dạng dẻo là một phương pháp đơn giản và hợp lý, cho phép giải quyết tất cả các loại liên kết chịu tải trọng tổng quát. Kết quả trùng khớp chặt chẽ với phương pháp được đề xuất cụ thể bởi ANSI/AISC 360.
Giới hạn biến dạng dẻo có thể được chỉnh sửa trong Cài đặt tiêu chuẩn, mặc dù các nghiên cứu kiểm chứng đã được thực hiện với giá trị khuyến nghị là 5%. Giá trị này nhìn chung có ảnh hưởng thấp đến khả năng chịu lực của liên kết. Sự khác biệt về khả năng chịu mô men uốn giữa giới hạn biến dạng 2% và 10% chỉ là 7% trong ví dụ thứ hai về liên kết bu lông.
Tài liệu tham khảo
ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 tr.
EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 tr.
Hsieh, S.H. and Deierlein, G.G. (1991), "Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, No. 5, pp. 995–1,009.
Leon, R.T. (1994), "Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. No. 2, pp. 57–67.