Khi sử dụng thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính, điều kiện biên là yếu tố thiết yếu. Trong phân tích cơ bản của IDEA StatiCa Connection, EPS (phân tích ứng suất/biến dạng), lý tưởng nhất là chỉ một đầu được gối đỡ và tải trọng ở trạng thái cân bằng. Nhưng cơ chế hoạt động trong phân tích độ cứng như thế nào?
Phân tích ứng suất - biến dạng (EPS)
- Gối đỡ: Có một gối cố định (tất cả các bậc tự do đều bị ràng buộc) khi cài đặt Tải trọng cân bằng được bật (khuyến nghị). Nếu Tải trọng cân bằng bị tắt, có một gối cố định cho cấu kiện đầu mút và hai gối (ở cả hai đầu) cho cấu kiện liên tục. Ngoài các gối cố định cho cấu kiện chịu lực, các loại mô hình có thể bổ sung thêm gối đỡ cho các cấu kiện khác.
- Tải trọng: Tải trọng được áp dụng cho tất cả các cấu kiện ngoại trừ một cấu kiện được chọn làm cấu kiện chịu lực.
- Chiều dài cấu kiện: Các cấu kiện được cấu thành từ các phần tử vỏ hiển thị và các phần tử rút gọn ẩn khỏi người dùng. Theo mặc định, chiều dài phần tử vỏ bằng 1,25 lần chiều cao tiết diện. Phần tử rút gọn kéo dài đến 4 lần chiều rộng tiết diện.
- Định nghĩa "năng lực chịu lực": Tải trọng an toàn tối đa trước khi phá hoại.
Phân tích độ cứng (ST)
- Gối đỡ: Tất cả các cấu kiện, ngoại trừ một cấu kiện được chọn để phân tích, đều được cố định.
- Tải trọng: Tải trọng chỉ được áp dụng cho một cấu kiện được chọn để phân tích.
- Chiều dài cấu kiện: Chiều dài cấu kiện trong ST ngắn hơn so với trong EPS. Phần phần tử rút gọn chỉ bằng 2 lần chiều cao hoặc chiều rộng tiết diện, lấy giá trị lớn hơn.
- Định nghĩa "năng lực chịu lực": Điểm mà tại đó độ cứng giảm xuống đến một giới hạn cụ thể, không phải là phá hoại.
Với điều đó trong tâm trí, hãy xem xét liên kết dầm-cột hàn đơn giản này.
Tính toán EPS với tải trọng cân bằng cho thấy sự phá hoại của bụng cột do lực cắt với nồng độ ứng suất cao, cũng trong bụng cột từ tải trọng ngang đến từ cánh dầm (các thành phần bụng cột chịu nén ngang và kéo). Khả năng chịu uốn bằng 146 kNm.
Nhìn vào kết quả của phân tích độ cứng, các ứng suất, đặc biệt là trong bụng cột chịu lực cắt, thấp hơn nhiều mặc dù tải trọng tác dụng lên dầm lớn hơn, 150 kNm. Vì tính toán là phi tuyến, chúng ta nên so sánh khả năng chịu uốn giới hạn. Và các giá trị này khác nhau gần 20%. Tại sao điều này xảy ra? Mô hình phân tích đằng sau hậu trường trông như thế nào?
Sự khác biệt giữa phân tích ứng suất/biến dạng và phân tích độ cứng
Phân tích EPS cho phép cân bằng tải trọng trên toàn bộ nút liên kết, trong khi phân tích ST cố định tất cả các cấu kiện ngoại trừ cấu kiện đang được phân tích. Sự khác biệt về điều kiện biên này có thể dẫn đến nội lực khác nhau đáng kể trong nút liên kết. Ví dụ, trong phân tích ST, một phần lực cắt tác dụng lên bụng cột được hấp thụ bởi gối đỡ phía trên gần đó. Hiệu ứng này được khuếch đại khi cột ngắn hơn, vì gối đỡ được đặt gần nút liên kết hơn.
Hãy xem xét mô hình đằng sau các tính toán EPS và ST trong SCIA Engineer. Bạn có thể thấy sự khác biệt về gối đỡ, tải trọng, chiều dài cấu kiện và nội lực. Luôn có một chuỗi bốn mô hình. Từ trái sang phải:
- Mô hình độ cứng
- Mô hình ứng suất - biến dạng
- Mô hình độ cứng chỉ sử dụng cánh trên và cánh dưới để biểu diễn dầm
- Mô hình ứng suất - biến dạng chỉ sử dụng cánh trên và cánh dưới để biểu diễn dầm
(Bụng dầm bị bỏ qua để đánh giá ảnh hưởng đến lực cắt bụng cột.)
Bạn có thể ngạc nhiên với các lực khác nhau. Mô hình IDEA StatiCa Connection hiển thị cho người dùng các lực tại nút (nếu không chọn khác). Trong SCIA Engineer, các lực được áp dụng tại đầu cấu kiện, tức là lực cắt giữ nguyên ở mức 50 kN và mô men uốn giảm dần từ 150 kNm tại nút xuống 49 kNm tại đầu cấu kiện.
Đây là mô hình có bóng với kích thước dầm hiển thị:
Đây là mô hình khung dây với các gối đỡ:
Ở đây, có thể thấy các dạng biến dạng. Lưu ý sự khác biệt rõ ràng giữa ST và EPS: Đỉnh cột trong ST được cố định và không cho phép chuyển vị hoặc xoay.
Đây là các nội lực: đầu tiên là mô men uốn.
Thứ hai, hãy xem xét lực cắt. Lưu ý hai mô hình bên phải: Lực cắt trong ST và EPS lần lượt là 317,39 kN và 416,67 kN. Sự chênh lệch là 416,67/317,39=131%. So sánh với sự chênh lệch giữa khả năng chịu uốn: 172,9/145,95 = 118,5%. Mặc dù các tỷ lệ phần trăm này không giống nhau, sự biến thiên của lực cắt là lý do chính dẫn đến sự khác biệt về kết quả giữa hai phân tích.
Khi sử dụng IDEA StatiCa Connection, điều cần thiết là phải xem xét cách các gối đỡ được xác định. Điều kiện biên không chính xác là một trong những nguồn chính gây ra các sai sót thiết kế đáng kể và phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo kết quả chính xác.
Tóm tắt
Các giá trị năng lực chịu lực khác nhau giữa phân tích ứng suất/biến dạng và độ cứng trong IDEA StatiCa vì chúng đo lường các thứ khác nhau. Phân tích ứng suất/biến dạng cho thấy cường độ thực của liên kết—tải trọng tối đa mà nó có thể chịu trước khi phá hoại. Phân tích độ cứng, mặt khác, tập trung vào mức độ linh hoạt hoặc cứng của liên kết, không phải khi nào nó phá hoại.
Vì vậy, nếu bạn thấy các giá trị năng lực chịu lực khác nhau, đó không phải là lỗi—đó chỉ là hai cách khác nhau để nhìn vào hành vi của liên kết. Sử dụng cả hai để có được bức tranh đầy đủ: cường độ và độ cứng.
