Truyền lực cắt trong bản mã chân cột bằng ma sát và neo

Trong một số trường hợp, lực cắt có thể được truyền qua ma sát giữa bản mã chân cột và khối bê tông có hoặc không có vữa lót. Bài viết này thảo luận về các khuyến nghị và sự phát triển trong các hướng dẫn thiết kế, tập trung vào các tiêu chuẩn châu Âu. Để có phần giới thiệu tổng quát về thiết kế neo trong IDEA StatiCa, hãy đọc bài blog Thiết kế neo an toàn và chính xác.

EN 1993-1-8:2005 quy định gì?

Eurocode về thiết kế liên kết thép tại Điều 6.2.2 quy định rằng lực cắt có thể được phân phối giữa các neo và ma sát. Nói cách khác, khả năng chịu lực cắt là tổng của khả năng chịu ma sát và khả năng chịu lực cắt của tất cả các neo (Phương trình 6.3):

$$F_{v,Rd} = F_{f,Rd}+nF_{vb,Rd}$$

trong đó:

• $F_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}$ – khả năng chịu ma sát được xác định theo Phương trình (6.1)

  • $C_{f,d} = 0.2$ – hệ số ma sát giữa bản mã chân cột và lớp vữa lót đối với vữa xi măng cát
  • $N_{c,Ed}$ – giá trị thiết kế của lực nén pháp tuyến trong cột; nên sử dụng giá trị nhỏ nhất và tổ hợp tải trọng trong đó lực cắt lớn nhất và lực nén nhỏ nhất cùng tác dụng. Hệ số an toàn riêng phần cực tiểu (ví dụ $\gamma_{G,inf}=1.0$) nên được sử dụng cho hiệu ứng tải trọng làm tăng lực nén, thường là trọng lượng bản thân.
• $n$ – số lượng bu lông neo trong bản mã chân cột
• $F_{vb,Rd} = \min \{F_{1,vb,Rd}, F_{2,vb,Rd} \}$ – khả năng chịu lực cắt thiết kế của bu lông neo

  • $F_{1,vb,Rd} = \frac{\alpha_v f_{ub} A}{\gamma_{M2}}$ – khả năng chịu lực cắt thiết kế của bu lông neo xác định theo Điều 3.6.1

    • $\alpha_v = 0.6$ đối với các cấp 4.6, 5.6 và 8.8
    • $\alpha_v = 0.5$ đối với các cấp 4.8, 5.8, 6.8 và 10.9
    • $f_{ub}$ – cường độ chịu kéo đứt của bu lông neo
    • $A = A_s$ – khi mặt phẳng cắt đi qua phần có ren của bu lông neo

      • $A_s$ – diện tích tiết diện chịu kéo của bu lông neo
    • $A = A_g$ –  khi mặt phẳng cắt không đi qua phần có ren của bu lông neo

      • $A_g$ – diện tích tiết diện nguyên của thân bu lông neo không có ren
    • $\gamma_{M2} = 1.25$ – hệ số an toàn riêng phần cho bu lông (Bảng 2.1)
  • $F_{2,vb,Rd} = \frac{\alpha_b f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}}$ – Phương trình (6.2)

    • $\alpha_b = 0.44-0.0003 f_{yb}$
    • $f_{yb}$ – giới hạn chảy của bu lông neo, trong đó 235 MPa $\le f_{yb} \le$ 640 MPa

Các quy định này xuất phát từ nghiên cứu của phòng thí nghiệm Stevin tại Đại học Kỹ thuật Delft ở Hà Lan, được tổng hợp trong một bài báo trên Heron Journal.  

Lưu ý rằng khả năng chịu lực cắt của neo với bản mã chân cột có vữa lót cao hơn nhiều so với EN 1992-4:2018 vì cho phép biến dạng lớn hơn và lực kéo bậc hai phát sinh trong các neo chịu lực cắt.

Cũng lưu ý rằng không xét đến khả năng chịu lực của khối bê tông móng. Giả định rằng khả năng chịu lực của nó sẽ được kiểm tra ở nơi khác theo EN 1992. Đối với neo nhô ra, một cách tiếp cận khác được mô tả trong bài viết này.

Quy định của Fib Bulletin 58: Thiết kế neo trong bê tông (2011)

Fib Bulletin 58 quốc tế đề cập đến ảnh hưởng của ma sát trong Chương 4.2. Tài liệu này nêu rằng không chỉ khi có lực nén mà cả khi có mô men uốn tác dụng lên bản mã chân cột, ma sát cũng sẽ phát sinh. Tuy nhiên, tài liệu này quy định rằng:

Theo nguyên tắc, khả năng chịu ma sát nên được bỏ qua nếu:

• chiều dày lớp vữa lót vượt quá một nửa đường kính neo
• khả năng chịu lực của neo bị chi phối bởi điều kiện gần mép
• neo được thiết kế để chịu tải trọng động đất

Phá hoại mép bê tông cần được kiểm tra với toàn bộ lực cắt chứ không chỉ với lực cắt tác dụng lên các neo đã được giảm bởi ma sát.

Hệ số ma sát tương đương với $C_{f,d}$ trong EN 1993-1-8 là $\mu / \gamma_{Mf} = 0.4/1.5 = 0.267$.

Quy định trong EN 1992-4: 2018

Eurocode về thiết kế neo rất gây tranh cãi vì nhiều thiết kế đã vượt qua tất cả các kiểm tra tiêu chuẩn theo phương pháp truyền thống bỗng nhiên không đạt. Eurocode chủ yếu phù hợp với các neo ngắn, nơi kết quả biến đổi đáng kể, điều này được phản ánh qua các hệ số an toàn riêng phần lớn. Điều này được thể hiện ví dụ trong bài báo này với 1 722 thí nghiệm.

Tại Điều 6.1 (2), tiêu chuẩn quy định rằng:

Khi mô men uốn và/hoặc lực nén tác dụng lên một bộ phận liên kết tiếp xúc với bê tông hoặc vữa, lực ma sát sẽ phát sinh. Nếu lực cắt cũng tác dụng lên bộ phận liên kết, ma sát này sẽ làm giảm lực cắt tác dụng lên phần tử liên kết. Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn EN này, lực ma sát được bỏ qua trong thiết kế các phần tử liên kết.

Vì vậy, tiêu chuẩn không cấm cụ thể việc sử dụng đóng góp của ma sát mà chỉ đơn giản là không sử dụng nó.

FprEN 1993-1-8:2023

Bản thảo cuối cùng của Eurocode về thiết kế liên kết thép phân chia rõ ràng các neo thành:

• Phần tử liên kết giữa thép và bê tông – neo ngắn
• Bu lông neo – neo dài truyền thống

Giả định rằng đối với bu lông neo, phá hoại do thép sẽ chi phối. Khả năng chịu lực cắt được quy định tại Điều D.3.1.4 và một lần nữa, cho phép cộng khả năng chịu lực thiết kế của ma sát và bu lông neo. Lưu ý rằng tiêu chuẩn không đề cập gì đến các phần tử liên kết giữa thép và bê tông (neo ngắn, nơi phá hoại bê tông hoặc nhổ neo có thể chi phối).

$$F_{v,Rd} = F_{f,Rd} + n F_{vb,Rd}$$

trong đó:

• $F_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}$ – khả năng chịu ma sát được xác định theo Phương trình (6.1)

  • $C_{f,d} = 0.3$ – hệ số ma sát giữa bản mã chân cột và lớp vữa lót đối với vữa xi măng cát
  • $N_{c,Ed}$ – giá trị thiết kế của lực nén pháp tuyến trong cột
• $n$ – số lượng bu lông neo trong bản mã chân cột
• $F_{vb,Rd} = \frac{\alpha_{bc} f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}}$ – khả năng chịu lực cắt thiết kế của bu lông neo

  • $\alpha_{bc} = 0.44-0.0003 f_{yb}$

    • $f_{yb}$ – giới hạn chảy của bu lông neo, trong đó 235 MPa $\le f_{yb} \le$ 640 MPa
  • $f_{ub}$ – cường độ chịu kéo đứt của bu lông neo
  • $A_s$ – diện tích tiết diện chịu kéo của bu lông neo
  • $\gamma_{M2} = 1.25$ – hệ số an toàn riêng phần cho bu lông (Bảng 2.1)

Lưu ý rằng hệ số ma sát $C_{f,d}$ hiện đã được tăng lên 0.3. Điều này có thể do chất lượng vữa lót nhìn chung tốt hơn. Ngoài ra, $F_{1,vb,Rd}$ vốn hầu như không bao giờ chi phối đã được loại bỏ.

Khả năng chịu lực thiết kế của các dạng phá hoại trong bê tông cần được kiểm tra theo EN 1992-4 và không nên chi phối. Các dạng phá hoại khác nhau và kiểm tra tiêu chuẩn của neo trong khối bê tông được liệt kê trong bài viết này.

Thực tiễn

Trong thực tế, việc cộng khả năng chịu ma sát và khả năng chịu lực cắt của neo vào khả năng chịu lực cắt rất hiếm khi được sử dụng. 

Đối với neo cấy sẵn, dung sai lỗ trong bản mã chân cột thường lớn, ví dụ +/-30 mm, nghĩa là trong trường hợp cực đoan, bản mã chân cột có thể dịch chuyển 60 mm trước khi chạm vào mép đối diện của lỗ. Có thể có bản đệm với lỗ tiêu chuẩn được hàn vào bản mã chân cột, nhưng trong trường hợp đó, neo bị uốn thay vì bị cắt và khả năng chịu lực của nó nhỏ. Kết quả là, lực cắt thường chỉ được truyền qua ma sát hoặc qua chốt chịu cắt.

Neo cấy sau có thể có lỗ tiêu chuẩn trong bản mã chân cột (và nếu chúng được thiết kế để chịu lực cắt, chắc chắn phải như vậy – EN 1992-4 – 6.2.2.1). Nhưng đối với loại này, đóng góp của ma sát thường được bỏ qua.

Tóm tắt

Có sự phát triển trong các tiêu chuẩn và các hướng dẫn thiết kế đang hội tụ về một giải pháp trong đó các bu lông neo dài truyền thống kết thúc bằng móc hoặc bản đệm được phép hưởng lợi từ ma sát giữa bản mã chân cột thép và móng bê tông hoặc vữa lót dưới các điều kiện:

• Dạng phá hoại do thép chi phối
• Không có tải trọng động đất
• Lớp vữa lót mỏng

Không sử dụng đóng góp của ma sát, đặc biệt trong các trường hợp:

• khi phá hoại mép bê tông chi phối
• có tải trọng động đất

Đối với neo ngắn, thường là neo cấy sau và hiện được định nghĩa bằng thuật ngữ phần tử liên kết giữa thép và bê tông, đóng góp của ma sát nên được bỏ qua.

Trong thực tế, sự kết hợp giữa ma sát và khả năng chịu lực cắt của neo hiếm khi được sử dụng.

Trong IDEA StatiCa, không có tùy chọn để chọn truyền lực cắt qua sự kết hợp của ma sát và lực cắt trong neo. Nếu người dùng muốn sử dụng tùy chọn này trong các tính toán thủ công tiếp theo, tất cả các điều kiện đã đề cập ở trên phải được đáp ứng.

Tìm hiểu thêm về các phương thức truyền lực cắt bằng ma sát, neo và chốt chịu cắt trong bài viết này. IDEA StatiCa Connection cho phép truyền lực cắt hoàn toàn bằng neo hoặc bằng ma sát.