IDEA StatiCa tối ưu thiết kế liên kết thép cho hệ thống Pipe Rack công nghiệp

Trong dự án hệ thống pipe rack công nghiệp dài gần 244 m, Weldment Design đã ứng dụng IDEA StatiCa để thiết kế và kiểm tra 20 dạng liên kết thép phức tạp. Phương pháp CBFEM, dữ liệu IFC và mô hình 3D giúp đội ngũ kỹ sư kiểm chứng trực quan khả năng chịu lực, tối ưu chi tiết chế tạo và hoàn thành toàn bộ phạm vi thiết kế trong khoảng ba tuần.

Trong một dự án công nghiệp tại Oklahoma, Weldment Design đã phối hợp cùng Hatch – đơn vị thiết kế chịu trách nhiệm chính (EOR), Saint George Steel – đơn vị chế tạo kết cấu thép và Cronus Steel Detailing – đơn vị triển khai chi tiết để thực hiện thiết kế liên kết cho hệ thống pipe rack trong một tiến độ đặc biệt gấp rút.

Dự án cho thấy cách IDEA StatiCa và phương pháp CBFEM hỗ trợ kỹ sư kiểm tra các liên kết kết cấu thép phức tạp, phối hợp trực quan giữa các bên và rút ngắn thời gian hoàn thành thiết kế.

Tổng quan dự án

Weldment Design, được thành lập bởi Corbin Collier vào năm 2019, được Saint George Steel giao nhiệm vụ thực hiện phân tích các liên kết kết cấu thép cho hệ thống pipe rack phục vụ USA Rare Earth Magnet Manufacturing Project.

Hệ thống pipe rack công nghiệp có tổng chiều dài gần 800 ft (khoảng 244 m), chiều cao 28 ft (khoảng 8,5 m). Kết cấu được Hatch thiết kế với vai trò Engineer of Record – EOR, trong khi Cronus Steel Detailing chịu trách nhiệm triển khai chi tiết.

Mục tiêu của Weldment Design là xác minh tất cả các liên kết và chi tiết gia cường của kết cấu đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn AISC, đồng thời chứng minh khả năng chịu lực thông qua một phương pháp kiểm tra đáng tin cậy và minh bạch.

Kết cấu và cơ sở thiết kế

Các thông số chính của hệ thống pipe rack gồm:

• Tổng chiều dài: khoảng 800 ft – tương đương 244 m
• Chiều cao: khoảng 28 ft – tương đương 8,5 m
• Loại kết cấu: hệ pipe rack công nghiệp điển hình bao gồm khung chịu mô men, khung giằng và các module nhiều nhịp
• Cấu kiện: dầm và cột thép tiết diện cánh rộng (wide-flange) hỗ trợ các máng đỡ ống và tuyến đường ống công nghệ
• Dạng liên kết: chủ yếu là liên kết chịu cắt, bản liên kết chịu cắt kéo dài, bản thép có sườn gia cường và các cấu hình bản gia cường bổ sung (re-pad)
• Tải trọng: tải trọng bản thân, tải trọng ngang, tải trọng đường ống và tải trọng tập trung tại các cao độ đặt khay/máng đỡ
• Cơ sở thiết kế: tiêu chuẩn AISC 360 và các tiêu chuẩn thiết kế công nghiệp liên quan.

Đối với những kết cấu có nhiều dạng liên kết, tải trọng và hình học khác nhau như pipe rack, việc sử dụng một công cụ chuyên sâu để tính toán và kiểm tra liên kết thép giúp kỹ sư đánh giá chi tiết hơn ứng xử của từng nút liên kết.

Ứng dụng IDEA StatiCa trong dự án

Weldment Design sử dụng IDEA StatiCa với phương pháp CBFEM – Component-Based Finite Element Method để thực hiện thiết kế và kiểm tra toàn diện các liên kết trong nhiều giai đoạn của dự án.

Corbin Collier và đội ngũ của mình xây dựng các liên kết bằng phiên bản độc lập (standalone) của IDEA StatiCa.

Tổng cộng có 20 dạng liên kết khác nhau được thiết kế bằng các công cụ operation của IDEA StatiCa. Các công cụ này cho phép kỹ sư mô hình hóa cả những liên kết tiêu chuẩn và những cấu hình liên kết tùy chỉnh.

Đọc thêm bài viết: IDEA StatiCa kết hợp Tekla Structures và SAP2000 để thiết kế liên kết thép.

Các dạng liên kết chính trong dự án

Các dạng liên kết thép chính được triển khai bao gồm:

• Liên kết thép góc giữa dầm và dầm.
• Liên kết thép góc giữa dầm và bụng hoặc cánh cột.
• Bản mã cho hệ giằng ngang.
• Bản liên kết chịu cắt kéo dài.
• Bản đế cột kết hợp với các cấu kiện giằng.
• Hệ giằng đứng kết hợp với gia cường bụng cột.
• Thiết lập hình học và mô hình

Một trong những yếu tố hỗ trợ quan trọng cho quá trình thiết kế là việc sử dụng các mô hình IFC được cung cấp bởi đơn vị triển khai chi tiết.

Các mô hình IFC giúp Weldment Design tái tạo chính xác:

• Hình học của các cấu kiện
• Vị trí giao nhau giữa các cấu kiện
• Hình dạng của từng liên kết
• Không gian thực tế dành cho các bản thép, bulông và đường hàn.

Điều này đặc biệt hữu ích với hệ thống pipe rack, nơi máng đỡ đường ống, hệ giằng và các cấu kiện thép thứ cấp thường tập trung trong một không gian tương đối hẹp.

Việc mô hình hóa chi tiết giúp ghi nhận chính xác các khoảng hở và giới hạn hình học của liên kết.

Các dạng liên kết có đặc điểm tương tự cũng được nhóm thành những connection families, cho phép đội ngũ kỹ sư nhanh chóng phân tích các chi tiết lặp lại trên nhiều nhịp của kết cấu.

Phương pháp phân tích CBFEM

Weldment Design sử dụng Component-Based Finite Element Modeling – CBFEM để mô phỏng đường truyền lực thực tế bên trong các nút liên kết phức tạp.

Đây là một trong những điểm quan trọng của IDEA StatiCa, bởi việc xác định đường truyền lực trong những nút có nhiều cấu kiện, bản thép, đường hàn và bulông tham gia đồng thời có thể rất khó thực hiện bằng các công thức tính toán truyền thống.

Trong quá trình phân tích phần tử hữu hạn, IDEA StatiCa mô hình hóa và kiểm tra trực tiếp các trạng thái giới hạn quan trọng của liên kết thép, bao gồm:

• Khả năng chịu cắt
• Khả năng chịu ép mặt
• Khả năng chịu lực của đường hàn
• Phá hoại cắt khối (block shear)
• Phá hoại tiết diện hữu hiệu (net section rupture)
• Mất ổn định hoặc chảy dẻo tại bụng cột
• Ổn định của bản thép
• Hiệu quả của các sườn gia cường
• Phân bố tải trọng thông qua bulông, bản thép và đường hàn.

Phương pháp CBFEM giúp kỹ sư quan sát trực tiếp ứng xử của liên kết thông qua mô hình và kết quả phân tích trực quan, thay vì chỉ dựa vào các giá trị kiểm tra riêng lẻ.

Tinh chỉnh thiết kế và phối hợp giữa các bên

Trong quá trình triển khai, IDEA StatiCa được sử dụng để so sánh giữa extended shear plates – bản chịu cắt kéo dài và standard shear tabs – bản chịu cắt tiêu chuẩn.

Kết quả phân tích giúp kỹ sư xác định chính xác những vị trí cần:

• Tăng chiều dài bản thép
• Bổ sung các bản gia cường
• Điều chỉnh kích thước bản
• Điều chỉnh đường hàn
• Thay đổi cách bố trí bulông.
• Một yêu cầu quan trọng của dự án là duy trì tối đa các chi tiết mà nhà chế tạo đã quen sử dụng.

Thay vì thay đổi hoàn toàn cấu hình của liên kết, đội ngũ Weldment Design tiến hành nhiều vòng tinh chỉnh trực tiếp trên mô hình 3D, thay đổi kích thước bản thép, đường hàn và cách bố trí bulông cho đến khi đạt được khả năng chịu lực yêu cầu.

Sử dụng IDEA StatiCa Viewer để phối hợp thiết kế

Các tệp từ IDEA StatiCa Viewer được chia sẻ với đơn vị EOR và nhà chế tạo.

Nhờ đó, các bên có thể xem trực quan mô hình liên kết và kết quả phân tích mà không nhất thiết phải sử dụng phần mềm chuyên dụng để xây dựng mô hình.

Việc trao đổi bằng mô hình 3D giúp các bên dễ dàng xác định:

• Hình học thực tế của liên kết
• Cách tải trọng truyền qua các cấu kiện
• Vị trí cần gia cường
• Các chi tiết hiện tại có thể giữ nguyên
• Những vị trí bắt buộc phải điều chỉnh.

Các hình ảnh trực quan từ CBFEM, sơ đồ dòng lực và mô hình 3D có chú thích cũng giúp hạn chế những điểm không rõ ràng trong quá trình trao đổi thiết kế – một trong những nguyên nhân thường làm chậm tiến độ của các dự án công nghiệp.

Kết quả của dự án

Toàn bộ các liên kết trên hệ thống pipe rack dài khoảng 800 ft đã được xác nhận đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn AISC.

Các trạng thái giới hạn quan trọng được phát hiện và xử lý từ sớm thông qua kết quả CBFEM trực quan và minh bạch.

Toàn bộ phạm vi thiết kế liên kết được giao qua nhiều giai đoạn của dự án được hoàn thành trong khoảng ba tuần.

Theo IDEA StatiCa, kết quả này đạt được nhờ sự kết hợp của ba yếu tố chính:

• Chia sẻ mô hình IFC
• Nhóm các dạng liên kết tương đồng
• Phối hợp trực quan dựa trên mô hình

Kết quả phân tích cũng chỉ rõ những chi tiết do đơn vị chế tạo đề xuất có thể tiếp tục sử dụng và những vị trí cần phải điều chỉnh.

Nhờ đó, số lượng công việc phải làm lại được hạn chế và những thay đổi phát sinh trong quá trình chế tạo tại xưởng được giảm xuống mức tối thiểu.

Đặc biệt, EOR đã chấp thuận toàn bộ hồ sơ ngay trong lần trình đầu tiên và không đưa ra yêu cầu chỉnh sửa nào.

Giá trị của IDEA StatiCa với kết cấu thép công nghiệp

Dự án cho thấy các công cụ mô hình hóa và phân tích nâng cao như IDEA StatiCa có thể hỗ trợ hiệu quả việc kiểm tra:

• Các kết cấu nhiều nhịp với các chi tiết liên kết lặp lại
• Kết cấu chịu tải trọng công nghiệp lớn
• Liên kết có hình học và không gian bố trí hạn chế
• Các dự án thiết kế liên kết được giao với yêu cầu tiến độ nhanh.

Với IDEA StatiCa Steel, kỹ sư có thể mô hình hóa, phân tích, thiết kế và kiểm tra nhiều dạng liên kết thép theo các tiêu chuẩn quốc tế, đồng thời khai thác khả năng kết nối với các phần mềm phân tích và BIM trong cùng quy trình thiết kế.

Liên hệ Công ty CP Công nghệ và Tư vấn CIC để được cung cấp và hỗ trợ triển khai phần mềm IDEA StatiCa

• Trụ sở chính: Tầng 4, Tòa nhà VG Building, Số 235 Nguyễn Trãi, Phường Khương Đình, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
• Chi nhánh TP. HCM: Số 36 Nguyễn Huy Lượng, P. Bình Thạnh, TP. Hồ Chí Minh
• Điện thoại:
  • Hà Nội: 024 3976 1381
  • Hồ Chí Minh: 088 645 2020 - 028 628 99022 - 028 628 99033
• Email: info@cic.com.vn | cichcm@cic.com.vn
• Website: cic.com.vn

 

Nguồn: IDEA StatiCa