Bản mã chân cột có đủ cứng không?

Tại sao các phần tử liên kết lại quan trọng như vậy?

Các phần tử liên kết đóng vai trò quan trọng trong tính toàn vẹn và an toàn của các cấu kiện kết cấu và phi kết cấu. Đó là lý do tại sao các tiêu chuẩn chuyên biệt, như EN1992-4, đã được xây dựng. Chúng giải quyết các thách thức của liên kết thép - bê tông và cung cấp phương pháp thiết kế đáng tin cậy, đảm bảo truyền tải an toàn giữa các cấu kiện thép và bê tông. EN1992-4 bao gồm nhiều loại phần tử liên kết khác nhau (neo đúc sẵn có đầu, neo cơ học cấy sau và neo dán), cũng như các loại tác động khác nhau.

Thiết kế phần tử liên kết sử dụng trong bê tông

Thiết kế phần tử liên kết trong bê tông theo EN1992-4 đối với tải trọng tĩnh/tựa tĩnh bao gồm nhiều kiểm tra tiêu chuẩn:

Hình 1  Kiểm tra tiêu chuẩn cho phần tử liên kết chịu kéo

Hình 2 Kiểm tra tiêu chuẩn cho phần tử liên kết chịu cắt

Hình 3 Kiểm tra tiêu chuẩn để xét đến sự tương tác giữa tải trọng kéo và cắt

Quy trình thiết kế theo Tiêu chuẩn (Hình  1 - Hình  3) đòi hỏi cách tiếp cận chi tiết để đảm bảo tất cả các kiểm tra tiêu chuẩn liên quan đều được thỏa mãn. Mỗi loại phần tử liên kết cần có những xem xét riêng. Ví dụ, neo cơ học dựa vào khóa cơ học, trong khi neo dán phụ thuộc vào tính chất kết dính của vật liệu dán. Quy trình thiết kế phải tính đến những khác biệt này để đảm bảo một liên kết đáng tin cậy.

Hãy xem xét kỹ hơn một trong các kiểm tra tiêu chuẩn này. Chúng ta sẽ lấy sức kháng đặc trưng của phần tử liên kết, hoặc nhóm phần tử liên kết trong trường hợp phá hoại nón bê tông (Hình  4), làm ví dụ, để thấy mô hình thiết kế phức tạp như thế nào:

Hình  4 Sức kháng đặc trưng của phần tử liên kết, hoặc nhóm phần tử liên kết trong trường hợp phá hoại nón bê tông

Có bốn hệ số trong phương trình để xét đến các hiệu ứng như bong tróc lớp vỏ, sự phân bố ứng suất không đều, sự hiện diện của Cốt thép gia cường và các yếu tố khác. Điều này cho thấy không chỉ tính chất của vật liệu thi công (thép, bê tông), mà còn các yếu tố khác như hình học của khối bê tông, lưới neo, chiều sâu chôn, Cốt thép gia cường, v.v., đều ảnh hưởng đến sức kháng cuối cùng, tức là dạng phá hoại quyết định cho tổ hợp tải trọng đã cho. Điều này chứng tỏ rằng việc thiết kế liên kết thép - bê tông có thể khá tẻ nhạt và phức tạp khi thực hiện thủ công vì nó liên quan đến nhiều tính toán và lặp lại để tối ưu hóa thiết kế.

IDEA StatiCa Connection cho phép người dùng thiết kế liên kết thép - bê tông sử dụng neo cơ học cấy sau hoặc neo đúc sẵn với bản đệm. Tùy thuộc vào loại neo, có nhiều kiểm tra tiêu chuẩn cần được tính toán. Hầu hết các kiểm tra tiêu chuẩn được liệt kê trong Hình  1 - Hình  3 đều được tính toán trong IDEA StatiCa Connection dựa trên dữ liệu đầu vào của người dùng và các thông số được chỉ định trong tiêu chuẩn. Một số kiểm tra không được cung cấp vì chúng yêu cầu các hệ số đặc trưng theo sản phẩm, được xác định dựa trên các thử nghiệm thực hiện theo quy trình chuẩn hóa và đánh giá theo các thông số kỹ thuật hài hòa hiện hành. Các hệ số này có thể được tìm thấy trong các chứng nhận kỹ thuật như Đánh giá Kỹ thuật Châu Âu (ETA). Ngoài các hệ số cần thiết cho việc tính toán sức kháng thiết kế, còn có các đặc tính quan trọng khác được đưa vào chứng nhận, như khoảng cách cạnh tối thiểu c_min, khoảng cách neo tối thiểu s_min, chiều cao khối bê tông tối thiểu h_min, hệ số an toàn và nhiều thông số khác. Thông tin về các kiểm tra tiêu chuẩn không được cung cấp được mô tả trong tab kết quả như thể hiện trong Hình  5.

Hình  5 Danh sách các kiểm tra tiêu chuẩn yêu cầu đặc tính đặc trưng theo sản phẩm

Độ cứng của bản mã chân cột thép

Ngoài danh sách các kiểm tra tiêu chuẩn cần thiết, tiêu chuẩn còn quy định các quy tắc bổ sung phải được tuân thủ. Trong số đó có các quy tắc về xác định lực tác dụng lên phần tử liên kết. Khi mô men uốn và/hoặc lực kéo tác dụng lên bộ phận gắn kết, tương tự như trong liên kết thép - thép, lực bẩy có thể phát sinh. Các lực này phải được xét đến trong thiết kế bản mã chân cột vì điều này sẽ dẫn đến lực kéo lớn hơn trong các neo. Yêu cầu này được mô tả trong Điều 6.1 (4) và thể hiện trong Hình 6.1 b của EN1992-4:

Hình  6 Điều 6.1 (4) của EN1992-4

Hình  7 Khuếch đại lực kéo tác dụng lên phần tử liên kết do lực bẩy C_pr

Tiêu chuẩn hướng dẫn cách tính toán tải trọng kéo thiết kế tác dụng lên phần tử liên kết, với điều kiện bộ phận gắn kết đủ cứng, nghĩa là giả thiết phân bố biến dạng tuyến tính là hợp lệ (như trong lý thuyết dầm). Tuy nhiên, nếu các yêu cầu nêu trong Điều 6.2.1 không được đáp ứng, ứng xử biến dạng đàn hồi của bản mã chân cột thép sẽ được tính đến. Hiệu ứng này được xét đến trong IDEA StatiCa Connection, vì tính toán sử dụng phương pháp CBFEM cho phép nắm bắt ứng xử uốn của bản mã chân cột, bao gồm độ cứng của tiết diện gắn kết, mối hàn và đệm móng (được mô hình hóa bằng mô hình nền Winkler). Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn ảnh hưởng của chiều dày bản đến lực kéo kết quả trong các neo, ứng suất tương đương trong cột và ứng suất nén trong khối bê tông.

Một số ví dụ trong IDEA StatiCa

Hãy xem xét một số ví dụ tôi đã tổng hợp sử dụng IDEA StatiCa

Ở đây, bố trí neo (hai hàng với ba neo), chiều sâu chôn, kích thước khối bê tông cũng như tính chất vật liệu đều giữ nguyên cho cả hai trường hợp khảo sát. Điều được điều chỉnh là chiều dày bản mã chân cột (10, 20 và 30 mm), và các hiệu ứng tải trọng áp dụng – đối với trường hợp số 1, đó là lực kéo với N = 100 kN, và đối với trường hợp số 2, đó là lực nén với N = -100 kN. Các giả thiết này sẽ cho phép chúng ta dễ dàng kiểm tra ảnh hưởng của các thông số đến kết quả, tức là lực dọc trục của các phần tử liên kết, ứng suất tương đương trong cột và ứng suất nén trong bê tông. Mô hình được thể hiện trong Hình 8 dưới đây.

Hình  8 Mô hình trong IDEA StatiCa Connection

Hãy bắt đầu với trường hợp số 1, đây là kết quả cho các ví dụ được khảo sát:

Hình  9 Trường hợp số 1, chiều dày bản mã chân cột = 10 mm, ứng suất tương đương

Hình  10 Trường hợp số 1, chiều dày bản mã chân cột = 10 mm, lực kéo trong các neo

Hình  11 Trường hợp số 1, chiều dày bản mã chân cột = 20 mm, ứng suất tương đương

Hình  12 Trường hợp số 1, chiều dày bản mã chân cột = 20 mm, lực kéo trong các neo

Hình  13 Trường hợp số 1, chiều dày bản mã chân cột = 30 mm, ứng suất tương đương

Hình  14 Trường hợp số 1, chiều dày bản mã chân cột = 30 mm, lực kéo trong các neo

Bảng 1 Tóm tắt kết quả cho trường hợp số 1 (N = 100 kN)

Như dự kiến, khi tăng chiều dày bản, lực bẩy giảm dần; với t_fix = 30 mm, không còn lực bẩy và tải trọng được phân bố đều cho tất cả các neo trong nhóm. So sánh lực tác dụng lên neo chịu lực lớn nhất trong nhóm, có sự chênh lệch 67% giữa bản mã chân cột đàn hồi (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) và bản mã chân cột cứng (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). Việc xét đến ứng xử uốn của bản mã chân cột thép cũng ảnh hưởng đến phân bố ứng suất trong các bản gắn kết cũng như trong các mối hàn nối các cấu kiện. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm tra độ cứng bản mã chân cột trong quá trình thiết kế.

Kết quả cho trường hợp số 2 cho thấy ảnh hưởng của chiều dày bản đến sự phân bố ứng suất nén trong bê tông:

Trường hợp số 2, chiều dày bản mã chân cột = 10 mm, ứng suất tương đương, ứng suất trong bê tông

Hình  16 Trường hợp số 2, chiều dày bản mã chân cột = 20 mm, ứng suất tương đương, ứng suất trong bê tông

Hình  17 Trường hợp số 2, chiều dày bản mã chân cột = 30 mm, ứng suất tương đương, ứng suất trong bê tông

Bảng 2 Tóm tắt kết quả cho trường hợp số 2 (N = -100 kN)

Có thể nhận thấy rằng khi chiều dày tăng, ứng suất được phân bố đều hơn, từ đó làm giảm ứng suất nén lớn nhất trong bê tông.

Tổng kết

Với IDEA StatiCa Connection, người dùng có thể mô hình hóa chính xác ứng xử uốn của bản mã chân cột thép và kiểm tra tác động của nó đến liên kết được mô hình hóa. Phần mềm sử dụng phương pháp CBFEM để mô phỏng biến dạng của bản mã chân cột dưới các hiệu ứng tải trọng đã cho. Điều này cho phép các kỹ sư trực quan hóa sự phân bố lực và xác định các vấn đề tiềm ẩn liên quan đến ứng xử đàn hồi của bản mã chân cột thép, hoặc xác nhận tính đúng đắn của giả thiết phân bố biến dạng tuyến tính được nêu trong EN1992-4. Đây là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế liên kết thép - bê tông, vì ngay cả các bản mã chân cột tương đối dày cũng có thể không đáp ứng các yêu cầu của bản mã chân cột cứng, và việc bỏ qua kiểm tra này có thể dẫn đến đánh giá thấp lực kéo trong các neo, như đã thể hiện trong các ví dụ trên.

…thêm một điều nữa

Trong phiên bản mới nhất của phần mềm, Phiên bản 24.0, một phiên bản beta của liên kết trực tiếp giữa IDEA StatiCa Connection và Detail đã được triển khai. Điều này cho phép kiểm tra móng bê tông cốt thép (ULS) sử dụng Detail 3D (dựa trên phương pháp CSFM). Trong trung tâm hỗ trợ của chúng tôi, bạn có thể tìm thấy hướng dẫn từng bước về cách trao đổi dữ liệu giữa hai chương trình, cũng như cách chạy tính toán trong Detail application của chúng tôi.

Hình 18 Liên kết BIM giữa IDEA StatiCa Connection và Detail (phiên bản beta)

Thêm tài nguyên tham khảo

Bạn có thể đọc thêm về chủ đề này tại đây:

Kiểm tra tiêu chuẩn neo (EN)

Nhập neo từ Connection sang Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Thiết kế kết cấu các vùng gián đoạn bê tông 3D | IDEA StatiCa

Nếu bạn muốn đọc thêm về phiên bản mới nhất, hãy xem ghi chú phát hành để biết tất cả các chi tiết. 

Xem Bản Ghi Webinar

Webinar thành công này, với hơn 1.500 người đăng ký tham dự, cung cấp cái nhìn sâu hơn về chủ đề. Bằng cách đọc bài đăng trên blog này, bạn có thể truy cập bản ghi webinar và khám phá các kỹ thuật và thực hành nâng cao.
Đừng bỏ lỡ cơ hội này và hãy xem ngay!