Dầm liên kết thường được thêm vào kết cấu để cải thiện khả năng chịu lực ngang. Chúng kết nối hai cấu kiện riêng biệt, độc lập với nhau (như tường chịu cắt) để tăng độ cứng cho toàn hệ thống. Chúng thường ngắn và dày, tương tự như dầm sâu. Đặc biệt trong các công trình bê tông, chúng có dạng dầm bê tông, thường là một trong những cấu kiện quan trọng nhất.
Hình 1. Fisher, Andrew W., et al. "Response of Heavily Reinforced High-Strength Concrete Coupling Beams." ACI Structural Journal, vol. 114, no. 6, Nov.-Dec. 2017, pp. 1483+. Gale Academic OneFile, link.gale.com/apps/doc/A558752923/AONE?u=anon~dff1dbd&sid=googleScholar&xid=6f6988a6. Accessed 1 Nov. 2022.
Dầm liên kết có hai vai trò trong hầu hết các công trình. Thứ nhất, dầm liên kết hai tường chịu cắt để tăng khả năng chịu mô men. Nếu có hai tường chịu cắt không được liên kết, lực tác dụng từ phía một tường sẽ không ảnh hưởng đến tường thứ hai vì chúng không được kết nối bằng dầm có tiết diện chữ nhật thông thường. Điều này có nghĩa là lực tác dụng chỉ ảnh hưởng đến một tường, có thể gây ra chuyển vị độc lập với tường còn lại. Điều này làm giảm đáng kể tính toàn vẹn kết cấu của công trình. Ngược lại, bằng cách liên kết hai tường, bạn giảm ứng suất mà mỗi tường phải chịu bằng cách phân phối lực từ tường này sang tường kia thông qua hệ dầm. Dầm liên kết cũng phân phối lực ngang theo chiều dài của tường thứ hai, giúp phân tán lực kéo dọc theo cấu kiện và tăng cường khả năng chịu lực tổng thể của các cấu kiện kết cấu.
Hình 2. Yang Liu, Hai Chen, Zi-Xiong Guo & Hong-Song Hu (2020) Seismic performance of subassemblies with composite wall and replaceable steel coupling beam, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 19:2, 123-137, DOI: 10.1080/13467581.2020.1718679
Vai trò thứ hai của dầm liên kết là đóng vai trò là nguồn tiêu tán năng lượng khi chịu ứng suất cực hạn. Ví dụ, khi xảy ra động đất, công trình phải có khả năng chống lại áp lực. Để có khả năng phục hồi, kết cấu không được quá cứng. Nếu không, khi xảy ra động đất (chẳng hạn), công trình sẽ bị phá hoại tại trụ tường và sụp đổ. Ngược lại, một mức độ linh hoạt nhất định dưới áp lực bất thường có nghĩa là kết cấu có khả năng duy trì tính toàn vẹn kết cấu thiết yếu tốt hơn nhiều khi chịu áp lực.
Dầm liên kết vừa tăng cường thiết kế tổng thể của công trình, vừa được thiết kế để chảy dẻo trước nhằm bảo vệ các bộ phận quan trọng hơn của công trình khi chịu ứng suất cực hạn. Bằng cách tính đến chuyển động của công trình trong thiết kế dầm, các kỹ sư kết cấu tạo ra các kết cấu ổn định và an toàn hơn.
Các mô hình dầm liên kết
Mô hình có thể được phân loại theo cơ chế tiêu tán năng lượng dựa trên tỷ số liên kết thấp/cao. Do tỷ lệ cốt thép và chủ yếu là tỷ số chiều dài/chiều cao, cơ chế khớp dẻo sẽ phát triển trên các dầm liên kết. Mô hình 1 dưới đây có tỷ số liên kết thấp và l/h >4, có thể được thiết kế theo lý thuyết dầm, và các khớp dẻo sẽ xuất hiện ở đầu dầm. Mô hình 2 và 3 dưới đây có tỷ số liên kết cao với l/h<2, dẫn đến các cơ chế khớp dẻo khác nhau do lực cắt gây ra. Các mô hình đã được mô hình hóa và kiểm tra tiêu chuẩn trong IDEA StatiCa Detail và IDEA StatiCa Member.
Hình 3. Các loại dầm liên kết theo tỷ số liên kết và sự phát triển khớp dẻo
Tải trọng và tối ưu hóa cấu trúc
Tường chịu cắt có thể đóng vai trò là hệ kết cấu hiệu quả để chống lại tải trọng ngang, như động đất hoặc gió, trong các công trình cao tầng. Các dầm liên kết kết nối các tường này, vốn hoạt động độc lập trên mỗi tầng, có thể cải thiện khả năng chịu lực ngang và tiêu tán năng lượng của công trình. Các nội lực do các tải trọng động này gây ra chủ yếu là lực trong mặt phẳng. Các ứng suất chính cho thấy các vùng chịu lực lớn nhất của kết cấu và giúp chúng ta hiểu bố trí cốt thép đúng đắn. Tối ưu hóa cấu trúc sử dụng mô hình thanh chống - giằng, quen thuộc với các kỹ sư kết cấu.
Hình 4.1. Nội lực và tối ưu hóa cấu trúc cho tỷ số liên kết thấp
Hình 4.2. Nội lực và tối ưu hóa cấu trúc cho tỷ số liên kết cao
Cơ chế khớp dẻo
Khớp dẻo phát triển dựa trên tỷ số liên kết. Các dầm liên kết sâu với tỷ số liên kết cao phát triển các khớp dẻo cắt nằm ở giữa dầm. Mặt khác, dầm có tỷ số liên kết thấp tận dụng độ cứng uốn thấp của dầm để tạo ra các khớp dẻo ở đầu các dầm liên kết.
Hình 5. Khớp dẻo cắt và khớp dẻo uốn
Điểm kỳ dị và ứng suất
Góc sắc tạo ra tại điểm giao nhau giữa dầm liên kết và tường chịu cắt tạo ra đỉnh ứng suất cục bộ làm lệch kết quả mô hình. Đỉnh này được gây ra bởi các điểm kỳ dị tại góc lõm sắc. Câu hỏi đặt ra là cách xử lý các đỉnh này trong chính các mô hình. Tìm hiểu thêm tại đây.
Kiểm tra tiêu chuẩn dầm liên kết
Kiểm tra tiêu chuẩn theo quy phạm là phần chính của quy trình phân tích. Hãy cùng tìm hiểu những gì chúng ta có thể thu được từ kết quả cho các dầm liên kết bê tông và hỗn hợp bằng cách sử dụng IDEA StatiCa Detail và IDEA StatiCa Member.
Dầm liên kết – tỷ số liên kết thấp
Do cấu tạo tương đối đơn giản và dễ thi công, dầm liên kết BTCT thông thường là loại dầm liên kết được sử dụng rộng rãi nhất trong thiết kế công trình. Ở các khu vực có nguy cơ động đất thấp, dầm liên kết BTCT thông thường đôi khi được thiết kế rộng hơn các tường chịu cắt kết nối trong các công trình sàn phẳng. Tuy nhiên, dầm liên kết BTCT thông thường không cung cấp khả năng tiêu tán năng lượng tốt dưới ứng suất cắt chu kỳ cao, và hiện tượng "thắt" đáng kể xuất hiện trong đáp ứng trễ của nó. Phá hoại cắt chéo và phá hoại cắt trượt không thể tránh khỏi trong loại dầm liên kết này, ngay cả với cấu tạo cốt thép ngang bố trí dày.
Hình 6. Ứng suất chính khi nén
Hình 7. Ứng suất trong các thanh cốt thép
Hình 8. Ứng suất dính neo trong cốt thép
Hình 9. Sự phát triển và hướng vết nứt
Hình 10. Độ võng phi tuyến
Dầm liên kết – tỷ số liên kết cao
Dầm liên kết bê tông cốt thép đặt chéo được công nhận là loại dầm cốt thép hiệu quả nhất để cung cấp hiệu năng dẻo với khả năng tiêu tán năng lượng xuất sắc, đặc biệt khi tỷ số nhịp/chiều cao nhỏ hơn hai. Mặc dù dầm liên kết cốt thép đặt chéo thể hiện độ cứng xuất sắc và khả năng tiêu tán năng lượng dẻo cao, một số vấn đề về khả năng thi công hạn chế ứng dụng của chúng.
Hình 11. Ứng suất chính khi nén
Hình 12. Ứng suất trong các thanh cốt thép
Hình 13. Ứng suất dính neo trong cốt thép
Hình 14. Sự phát triển và hướng vết nứt
Hình 15. Độ võng phi tuyến
Dầm liên kết hỗn hợp
Dầm liên kết khó và tốn nhiều thời gian để sửa chữa khi bị hư hỏng sau động đất. Gần đây, một số nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều loại dầm liên kết có thể thay thế có thể được sửa chữa sau động đất. Một mối quan tâm chính đối với dầm liên kết có thể thay thế là cải thiện khả năng tự định tâm để giảm chuyển vị dư của kết cấu.
Hình 16. Mô hình dầm liên kết hỗn hợp
Hình 17. Ứng suất tương đương
Hình 18. Dạng oằn tuyến tính thứ nhất
Hình 19. Dạng oằn tuyến tính thứ hai
Hình 20. GMNIA và dạng biến dạng
Kết luận
Mỗi loại dầm liên kết được ngành xây dựng áp dụng đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Tuy nhiên, không có một loại dầm liên kết nào phù hợp với tất cả các trường hợp trong thiết kế công trình. Dầm liên kết BTCT thông thường thường là loại dầm liên kết khả thi và kinh tế nhất khi ứng suất cắt của dầm thấp và dầm được kiểm soát bởi uốn. Khi tỷ số nhịp/chiều cao của dầm liên kết nhỏ, ứng suất cắt cao được dự kiến. Các hạn chế của các loại dầm liên kết này và yêu cầu neo liên quan cần được lưu ý khi lựa chọn loại dầm liên kết phù hợp cho các dự án cụ thể. Như thường lệ, người thiết kế nên xem xét sở thích của đội ngũ thi công bất cứ khi nào có thể, vì nhiều nhà thầu sẽ có các quan điểm khác nhau liên quan đến từng phương pháp.