Mô tả
Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) cho chân cột của cột tiết diện rỗng được kiểm tra theo phương pháp cấu kiện (CM) được mô tả dưới đây. Cột chịu nén được thiết kế với tiết diện ít nhất là loại 3. Nghiên cứu độ nhạy được thực hiện cho kích thước cột, kích thước bản mã chân cột, cấp độ bền bê tông và kích thước khối bê tông. Bốn cấu kiện được kích hoạt: cánh và bụng cột chịu nén, bê tông chịu nén bao gồm vữa lót, bu lông neo chịu kéo và mối hàn. Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào hai cấu kiện: bê tông chịu nén bao gồm vữa lót và bu lông neo chịu kéo.
Hình 8.4.1 Các điểm đặc trưng của biểu đồ tương tác đa tuyến tính của tiết diện rỗng vuông
Kiểm tra khả năng chịu lực
Trong ví dụ sau, cột từ tiết diện rỗng vuông SHS 150×16 được liên kết với khối bê tông có kích thước mặt bằng a' = 750 mm, b' = 750 mm và chiều cao h = 800 mm từ bê tông cấp C20/25 bằng bản mã chân cột a = 350 mm, b = 350 mm, t = 20 mm từ thép cấp S420. Bu lông neo được thiết kế 4 × M20, As = 245 mm2 với đường kính đầu neo a = 60 mm từ thép cấp 8.8 với độ lệch phía trên 50 mm và phía trái −20 mm và chiều sâu chôn 300 mm. Vữa lót có chiều dày 30 mm.
Kết quả của lời giải giải tích được trình bày dưới dạng biểu đồ tương tác với các điểm đặc trưng. Mô tả chi tiết các điểm −1, 0, 1, 2 và 3 được thể hiện trong Hình 8.4.1; xem (Wald, 1995) và (Wald et al. 2008), trong đó điểm −1 đại diện cho lực kéo thuần túy, điểm 0 là mô men uốn thuần túy, các điểm 1 đến 3 là lực nén kết hợp với mô men uốn, và điểm 4 là lực nén thuần túy.
Hình 8.4.2 Chân cột cho cột SHS 150×16 và lưới được chọn của bản mã chân cột
Trong CBFEM, lực bẩy xuất hiện trong trường hợp tải trọng kéo thuần túy; trong khi đó trong CM, không có lực bẩy nào được phát triển do giới hạn khả năng chịu lực ở dạng phá hoại 1-2 mà thôi; xem (Wald et al. 2008). Do lực bẩy, sự chênh lệch về khả năng chịu lực là khoảng 10 %. Mô hình số của chân cột được thể hiện trong Hình 8.4.2. Kết quả từ CBFEM được trình bày bằng phân bố ứng suất tiếp xúc trên bê tông cho các điểm 0 và 3, được hiển thị trong Hình 8.4.3 và Hình 8.4.4, và được so sánh trên biểu đồ tương tác trong Hình 8.4.5.
Hình 8.4.3 Kết quả CBFEM cho điểm 0, tức là mô men uốn thuần túy
Hình 8.4.4 Kết quả CBFEM cho điểm 3, tức là lực nén và mô men uốn
Hình 8.4.5 So sánh kết quả dự đoán khả năng chịu lực bằng CBFEM và CM trên biểu đồ tương tác cho chân cột của tiết diện cột SHS 150×16
Nghiên cứu độ nhạy
Nghiên cứu độ nhạy được thực hiện cho kích thước tiết diện cột, kích thước bản mã chân cột, cấp độ bền bê tông và kích thước khối bê tông. Các cột được chọn là SHS 150×16, SHS 160×12.5 và SHS 200×16. Bản mã chân cột được thiết kế với kích thước mặt bằng lớn hơn tiết diện cột lần lượt 100 mm, 150 mm và 200 mm. Chiều dày bản mã chân cột là 10 mm, 20 mm và 30 mm. Khối móng từ bê tông cấp C20/25, C25/30, C30/37 và C35/45 với chiều cao trong tất cả các trường hợp là 800 mm và kích thước mặt bằng lớn hơn kích thước bản mã chân cột lần lượt 100 mm, 200 mm, 300 mm và 500 mm. Một thông số được thay đổi trong khi các thông số còn lại được giữ cố định. Các thông số được tóm tắt trong Bảng 8.4.1. Mối hàn góc với chiều dày a = 12 mm được chọn. Hệ số liên kết cho vữa lót có chất lượng đủ tiêu chuẩn được lấy là βj = 0,67. Bản thép từ S420 với bu lông neo M20 cấp 8.8 với chiều sâu chôn 300 mm trong tất cả các trường hợp.
Bảng 8.4.1 Các thông số được chọn
| Tiết diện cột | SHS 150×16 | SHS 16×12,5 | SHS 200×16 |
| Độ lệch bản mã chân cột, mm | 100 | 150 | 200 |
| Chiều dày bản mã chân cột, mm | 10 | 20 | 30 |
| Cấp độ bền bê tông | C20/25 | C30/37 | C35/45 |
| Độ lệch khối bê tông, mm | 100 | 300 | 500 |
Đối với nghiên cứu độ nhạy về tiết diện cột, bê tông cấp C20/25, chiều dày bản mã chân cột 20 mm, độ lệch bản mã chân cột 100 mm và độ lệch khối bê tông 200 mm được sử dụng cho các thông số thay đổi của tiết diện cột. Sự so sánh của CBFEM với mô hình giải tích theo CM được thể hiện trong các biểu đồ tương tác trong Hình 8.4.6.
Hình 8.4.6 So sánh kết quả CBFEM với CM cho các tiết diện cột khác nhau
Đối với nghiên cứu độ nhạy về độ lệch bản mã chân cột, tiết diện cột SHS 200×16, bê tông cấp C25/30, chiều dày bản mã chân cột 20 mm và độ lệch khối bê tông 200 mm được chọn. Sự so sánh các biểu đồ tương tác được thể hiện trong Hình 8.4.7. Sự khác biệt đáng kể nhất là về khả năng chịu lực kéo thuần túy của bản mã chân cột lớn, nơi có lực bẩy đáng kể trong các phân tích CBFEM, vốn bị giới hạn bởi thiết kế giải tích.
Hình 8.4.7 So sánh kết quả CBFEM với CM cho các độ lệch bản mã chân cột khác nhau
Đối với nghiên cứu độ nhạy về chiều dày bản mã chân cột, tiết diện cột SHS 200×16, bê tông cấp C25/30, độ lệch bản mã chân cột 100 mm và độ lệch khối bê tông 200 mm được chọn. Chiều dày bản mã chân cột 10 mm, 20 mm và 30 mm được sử dụng trong nghiên cứu này. Sự so sánh các biểu đồ tương tác được thể hiện trong Hình 8.4.8. Sự khác biệt lớn nhất là về khả năng chịu lực kéo thuần túy của bản mã chân cột mỏng, nơi có lực bẩy đáng kể trong các phân tích CBFEM, vốn bị giới hạn trong thiết kế giải tích theo CM.
Hình 8.4.8 So sánh kết quả CBFEM với CM cho các chiều dày bản mã chân cột khác nhau
Đối với nghiên cứu độ nhạy về cấp độ bền bê tông, tiết diện cột SHS 150×16, chiều dày bản mã chân cột 20 mm, độ lệch bản mã chân cột 100 mm và độ lệch khối bê tông 200 mm được chọn. Các cấp độ bền bê tông C20/25, C30/37 và C35/45 được sử dụng trong nghiên cứu này. Sự so sánh các biểu đồ tương tác được thể hiện trong Hình 8.4.9.
Hình 8.4.9 So sánh kết quả CBFEM với CM cho các cấp độ bền bê tông khác nhau
Đối với nghiên cứu độ nhạy về độ lệch khối bê tông, tiết diện cột SHS 160×12.5, chiều dày bản mã chân cột 20 mm, độ lệch bản mã chân cột 100 mm và bê tông cấp C25/30 được chọn. Độ lệch khối bê tông 100 mm, 300 mm và 500 mm được sử dụng trong nghiên cứu này. Sự so sánh các biểu đồ tương tác được thể hiện trong Hình 8.4.10.
Hình 8.4.10 So sánh kết quả CBFEM với CM cho các độ lệch khối bê tông khác nhau
Sự khác biệt trong dự đoán khả năng chịu lực của chân cột bằng CBFEM và CM chủ yếu là do CBFEM chấp nhận lực bẩy trong khi CM tránh điều này theo EN 1993-1-8:2005.
Bảng 8.4.2 So sánh biểu đồ tương tác của CBFEM và CM
| Sự khác biệt CBFEM/CM | Điểm -1 | Điểm 0 | Điểm 1 | Điểm 2 | Điểm 3 | Điểm 4 |
| Tối đa % | 100% | 105% | 107% | 105% | 112% | 93% |
| Tối thiểu % | 69% | 71% | 81% | 84% | 89% | 88% |
Trường hợp chuẩn
Đầu vào
Tiết diện cột
- SHS 150×16
- Thép S420
Bản mã chân cột
- Chiều dày 20 mm
- Độ lệch phía trên 100 mm, phía trái 100 mm
- Mối hàn – hàn đối đầu
- Thép S420
Neo
- M20 8.8.
- Chiều dài neo 300 mm
- Loại neo: Bản đệm - tròn; kích thước 40mm
- Độ lệch lớp trên 50 mm, lớp trái −20 mm
- Mặt phẳng cắt tại phần ren
Khối móng
- Bê tông C20/25
- Độ lệch 200 mm
- Chiều sâu 800 mm
- Truyền lực cắt bằng ma sát
- Chiều dày vữa lót 30 mm
Tải trọng
- Lực dọc trục N = −762 kN
- Mô men uốn My = 56 kNm
Đầu ra
- Bản thép
- Bu lông neo 97,8 % (\(N_{Ed,g} = 65.7 \textrm{ kN} \le N_{Rd,c} = 67.2 \textrm{ kN}\) (cấu kiện tới hạn là phá hoại hình nón bê tông cho nhóm neo A1 và A2)
- Khối bê tông 91,5 % (\( \sigma = 24.5 \textrm{ MPa} \le f_{jd} = 26.8 \textrm{ MPa}\))
- Độ cứng xoay cát tuyến \(S_{js} = 6.3 \textrm{ MNm/rad}\)
Tài liệu tham khảo
EN 1993-1-8, Eurocode 3, Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-8: Thiết kế nút liên kết, CEN, Brussels, 2005.
Wald F. Chân cột, Nhà xuất bản CTU, Prague, 1995.
Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Phương pháp cấu kiện cho chân cột thép, Heron, 53, 2008, 3-20.