Về các kết cấu giàn
Mô hình tổng thể chủ yếu được xây dựng từ các phần tử giàn chỉ chịu kéo/nén. Điều này có nghĩa là mô-men uốn và lực cắt trong các cấu kiện bị triệt tiêu hoàn toàn. Xét theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), ma trận độ cứng bị chi phối bởi các số hạng dọc trục, loại bỏ các bậc tự do (DOF) về uốn và cắt.
- Chuyển mô-men uốn thành lực dọc trục
- Tối đa hóa mức độ sử dụng vật liệu
- Tạo đường truyền tải trọng rõ ràng
- Cho phép vượt nhịp lớn
- Đơn giản hóa việc đánh giá ổn định
Mô hình tổng thể
Hệ giàn công-xôn được cố định vào cột bê tông đúc sẵn. Kết cấu giàn được liên kết với dầm thông qua một cặp liên kết khớp. Toàn bộ lực được truyền qua các neo chịu kéo và lực cắt, và qua bê tông chịu nén.
01) Mô hình giàn tổng thể và đường truyền tải trọng rõ ràng
Checkbot
Các kết cấu dạng này được nhập vào Checkbot với các nút đôi hoặc nút đa cấu kiện, về bản chất không thể xuất sang IDEA StatiCa Connection thành một nhóm. Ở bước đầu tiên, nút thanh cánh trên sẽ bị xóa. Khi đó, cấu kiện thanh cánh trên không còn gắn với nút nào và phải được nối vào nút thanh cánh dưới, nút này hợp nhất thanh xiên và thanh cánh dưới. Sau khi hoàn tất, tất cả các cấu kiện sẽ được hợp nhất về một nút chính. Cách này mở ra khả năng kiểm soát hiệu quả hơn nhiều cấu kiện bằng cách lắp ráp có độ lệch (offset).
02) Mô hình Checkbot + hợp nhất các cấu kiện vào một nút
IDEA StatiCa Connection
Mô hình được xây dựng gồm một chuỗi các tiết diện thép góc đôi (L). Thanh cánh trên và thanh cánh dưới của giàn được nối với cột đúc sẵn thông qua các bản đệm đổ tại chỗ, kết hợp với bản mã chân cột và bản mã nút hàn sẵn để thuận tiện cho việc lắp ráp tại công trường thi công.
03) Mô tả mô hình neo đã thiết kế
Trong phân tích tổng thể, lực dọc trục thường được giả định tác dụng qua trọng tâm của tiết diện. Tuy nhiên, nếu nhóm bu lông trong liên kết thực tế không trùng với trọng tâm của tiết diện, sẽ xuất hiện độ lệch tâm. Độ lệch tâm này sinh ra các mô-men uốn thứ cấp trong các cấu kiện được liên kết.
Những hiệu ứng này không được xét đến trong mô hình FEA tổng thể thông thường, trừ khi hình học liên kết và cách đưa tải trọng vào được mô hình hóa một cách tường minh. Trên thực tế, mô-men bổ sung do độ lệch tâm của lực dọc trục thể hiện dưới dạng ứng suất uốn tăng lên, và sau đó đóng góp vào kết quả đánh giá ứng suất von Mises trong việc kiểm tra chi tiết liên kết.
Đối với cấu hình giàn được khảo sát, ràng buộc N–Vy–Vz cho phép biểu diễn việc truyền lực thực tế hơn. Nhận định này không nhằm đưa ra khuyến nghị chung cho mọi hệ giàn, mà chỉ là kết luận riêng cho cách bố trí kết cấu này.
Các ràng buộc này triệt tiêu biến dạng xoay tại nút liên kết, dẫn đến mô-men phản lực dư. Hơn nữa, thanh xiên đứng hạn chế sự uốn của thanh cánh, củng cố giả định rằng ràng buộc N–Vy–Vz phản ánh tốt hơn ứng xử thực tế của liên kết trong trường hợp này.
Xét theo cơ học liên kết, điều kiện biên này do đó được coi là gần với thực tế vật lý hơn.
04) Các thanh cánh và thanh xiên có ràng buộc
Mô hình dạng khung dây (wire model) thể hiện rõ quỹ đạo truyền tải trọng và các đường trọng tâm của từng tiết diện.
05) Mô hình khung dây và đường truyền tải trọng rõ ràng
Hình dạng biến dạng và các hình ảnh hiển thị ứng suất giúp hiểu rõ ứng xử và kiểm tra tính hợp lý xem tải trọng đã được áp dụng đúng hay chưa. Lực kéo ở thanh cánh trên và lực nén ở thanh cánh dưới cho thấy mô hình thay thế hoạt động tốt.
06) Kiểm tra tiêu chuẩn và hình dạng biến dạng
Sự tương tác của các lực không được xét đến trong khối bê tông do các giả định đơn giản hóa vốn hợp lệ đối với môi trường bê tông trong ứng dụng Connection. Hệ số sử dụng chỉ là 38%, nhưng kiểm tra neo lại không đạt. Tại sao điều này xảy ra?
Lưu ý:
Các nhóm neo tại các bản mã chân cột riêng biệt tương tác với nhau trong cùng một khối bê tông. Điều này nằm ngoài phạm vi của các tiêu chuẩn thiết kế neo. Phá hoại bê tông dạng nhổ khi chịu kéo và phá hoại bê tông dạng bật khi chịu cắt (pryout) không được kiểm tra. Phá hoại mép bê tông không được kiểm tra. (CEB-FIB: Bulletin 58 - Design of anchorages in concrete (2011) – Chapter 1.2: Figure 1.2-8 and Figure 1.2-9) .
Người dùng được chuyển hướng sang kiểm tra tiêu chuẩn trong 3D Detail vì tiêu chuẩn chưa đáp ứng được cho cấu hình nêu trên.
07) Tại sao kiểm tra neo không đạt?
Oằn luôn cần được kiểm tra khi xem xét liên kết. Dạng oằn và hệ số oằn được cung cấp như các chỉ báo về độ dự trữ an toàn, và có thể xác định dạng nào có nhiều khả năng mất ổn định đầu tiên.
Điều này liên quan đến phân tích oằn tuyến tính, trong đó tiếp xúc giữa bản mã nút và thành của các thép góc đôi bị mở ra.
Tiếp xúc hở (khe hở):
Nếu các bản thép tách rời nhau ở trạng thái cân bằng:
- Tiếp xúc không hoạt động
- Không có đóng góp nào vào độ cứng
- Các bề mặt chuyển động độc lập với nhau trong dạng oằn
Hệ quả đối với các liên kết thép trong thực tế:
Trong nhiều liên kết thép:
- bản mã nút
- thép góc
- lỗ bu lông
- vòng đệm
Các tiếp xúc chỉ hoạt động một phần ở trạng thái cân bằng.
Do đó, trong LBA:
- Chỉ các vùng đang chịu nén mới đóng góp độ cứng
- Các tiếp xúc có thể xuất hiện trong tương lai bị bỏ qua
Điều này có thể dẫn đến:
- xuyên thấu cục bộ trong các dạng riêng
- các dạng oằn quá mềm
- các mẫu biến dạng không thực tế.
Đây không phải là lỗi — mà là hạn chế cơ bản của phân tích oằn trị riêng có xét tiếp xúc.
08) Các dạng oằn tuyến tính và hệ số tới hạn
IDEA StatiCa 3D Detail
Để hoàn tất vòng lặp thiết kế và đạt được giải pháp thỏa đáng cho tất cả các thành phần — bao gồm cả cột bê tông đúc sẵn — cần xét đến cách bố trí cốt thép hiện có và đánh giá hệ thống có xét đến sự tương tác giữa neo và các thanh cốt thép.
Cơ chế truyền tải trọng không kết thúc ở bản mã chân cột. Lực trong neo phải được phân phối lại vào cấu kiện bê tông cốt thép thông qua liên kết dính, hiệu ứng giằng (confinement) và cơ chế thanh chống - giằng. Do đó, cốt thép phải được đưa vào mô hình kiểm tra một cách tường minh.
Sử dụng liên kết BIM từ IDEA StatiCa Connection, việc truyền dữ liệu diễn ra đơn giản và hiệu quả. Có thể nhập trực tiếp các thông tin sau:
- Hình học của cột bê tông
- Cấu hình bản mã chân cột và neo
- Lực kết quả trong neo và đường hàn
Điều này giúp đẩy nhanh đáng kể quá trình tiến tới kiểm tra tiêu chuẩn cuối cùng.
Tuy nhiên, để có được một đánh giá nhất quán về mặt vật lý, các thành phần bắt buộc — đặc biệt là cách bố trí cốt thép và các điều kiện biên thực tế — phải được định nghĩa trong mô hình 3D Detail (CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích)). Chỉ khi đó mới có thể đánh giá đúng ứng xử liên hợp của bê tông và cốt thép, và các dạng phá hoại giòn (ví dụ: phá hoại dạng nhổ của bê tông) mới được đánh giá trong bối cảnh của một hệ bê tông cốt thép.
Hệ trường vectơ lực được xác định trước, lấy từ ứng dụng Connection, đảm bảo việc phân phối lại ứng suất dưới bản mã chân cột có ý nghĩa.
09) Cốt thép, điều kiện biên + phân bố lực
Cần thực hiện kiểm tra tính hợp lý và kiểm tra trực quan để đảm bảo mô hình ứng xử đúng như kỳ vọng. Dòng ứng suất nén thể hiện ứng xử như mong đợi, và ứng suất trong cốt thép đảm bảo an toàn cho thiết kế.
10) Kiểm tra tổng hợp, dòng ứng suất
Hình dạng biến dạng nên là kết quả đầu ra đầu tiên, dùng để kiểm tra lại tính đúng đắn của các điều kiện biên. Hình dạng biến dạng phác họa ứng xử dự kiến.
11) Trạng thái ứng suất của neo, hình dạng biến dạng
Kết luận và những điểm chính cần ghi nhớ
Mô hình giàn = lý tưởng hóa theo phương dọc trục
Hiệu quả đối với dòng lực tổng thể (chỉ kéo/nén), nhưng các hiệu ứng uốn và lực cắt bị triệt tiêu và phải được xử lý ở cấp độ liên kết.
Giả định về trọng tâm có vai trò then chốt
Sự lệch giữa nhóm bu lông và trọng tâm (CG) của tiết diện gây ra mô-men uốn thứ cấp mà FEA tổng thể không xét đến. Điều này phải được kiểm tra trong thiết kế chi tiết liên kết.
Điều kiện biên quyết định tính thực tế
Đối với trường hợp này, ràng buộc N–Vy–Vz phản ánh tốt hơn ứng xử của nút liên kết. Liên kết ngăn xoay và tác dụng của thanh xiên ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của thanh cánh.
Kiểm tra neo trong bê tông không cốt thép mang tính thiên về an toàn
Các giả định đơn giản hóa của tiêu chuẩn có thể cho kết quả không đạt. Khả năng chịu lực thực tế phụ thuộc vào sự tương tác với cốt thép và sự phân phối lại lực trong cấu kiện bê tông.
Cốt thép hoàn tất vòng lặp thiết kế
Đường truyền tải trọng tiếp tục vượt ra ngoài bản mã chân cột. Chỉ có mô hình 3D Detail (CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích)) với cốt thép và các điều kiện biên thực tế mới mô tả được ứng xử liên hợp và ngăn ngừa các dạng phá hoại giòn.
Luôn kiểm tra hình dạng biến dạng
Nếu biến dạng phù hợp với trực giác kết cấu, mô hình nhiều khả năng phản ánh đúng ứng xử vật lý.
