BỨT PHÁ GIỚI HẠN VỚI PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SOFA CHO LIÊN KẾT

Agamoni Das

Thời lượng đọc: < 10 phút

Article

Tận dụng sự linh hoạt của phương pháp thiết kế tiên phong SOFA trong phần mềm PROFIS Engineering để tìm ra các giải pháp khả thi.

Bản mã

Liên kết kết cấu

BỨT PHÁ GIỚI HẠN VỚI PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SOFA CHO LIÊN KẾT

1. Giới thiệu

Vai trò ngày càng quan trọng của các liên kết bu lông khoan cấy trong việc kết nối an toàn các cấu kiện thép với bê tông trong những trường hợp ngày càng phức tạp có thể dẫn đến các bố trí liên kết vượt quá các quy định hình học thông thường được nêu trong các hướng dẫn thiết kế liên kết quốc gia và quốc tế như EN 1992-4 [1].

Ví dụ, một liên kết nối dầm thép chính với cột bê tông chịu lực cắt, như trong Hình 1, có thể yêu cầu mức độ linh hoạt cao hơn để chịu được các tổ hợp tải tĩnh và tải động (động đất) so với phạm vi hiện tại của các tiêu chuẩn thiết kế có sẵn. Trong trường hợp này, các kỹ sư thiết kế kết cấu thường gặp khó khăn trong việc tìm kiếm các giải pháp đảm bảo độ tin cậy của liên kết trong giới hạn của tiêu chuẩn EN 1992-4.

Dầm chính chịu lực đỡ bản sàn và được liên kết với cột bê tông.

Hình 1: Dầm thép chính đỡ sàn được liên kết vào cột BTCT.

Bài viết này trình bày một phần mở rộng cho các quy định thiết kế trong tiêu chuẩn EN 1992-4 hiện hành thông qua “Phương pháp SOFA của Hilti” (Solutions for Fastening), cho phép phân phối lực cắt vượt ra ngoài hàng trước trong việc kiểm tra phá vỡ bê tông ở mép, áp dụng cho các điều kiện tĩnh và động đất. Phương pháp này mang lại sự linh hoạt thiết kế lớn hơn khi xem xét số lượng bu lông trong một nhóm chịu lực cắt gần một hoặc nhiều mép bê tông.

2. Cấu hình bu lông liên kết và các quy định thiết kế theo EN 1992-4

EN 1992-4 bao gồm các quy định thiết kế cho các bu lông liên kết trong bê tông, dựa trên các bằng chứng thực nghiệm cơ bản, đồng thời tính đến nhiều yếu tố không chắc chắn nhằm đảm bảo mức độ an toàn cao. Tuy nhiên, các quy định này không phải lúc nào cũng mang lại thiết kế khả thi. Một trong những kết quả là giới hạn về cấu hình nhóm bu lông trong EN 1992-4, như minh họa trong Hình 2.

Mặc dù tất cả các nhóm bu lông này có thể được thiết kế chịu lực kéo và/hoặc lực cắt nếu bu lông gần nhất trong nhóm được đặt đủ xa mép bê tông (với khoảng cách mép c >= max {10h_ef; 60d_nom}), tiêu chuẩn EN 1992-4 vẫn giới hạn việc thiết kế nhóm bu lông chịu lực cắt gần mép bê tông trừ khi khe vòng tròn (còn gọi là “độ hở lỗ khoan”) giữa bu lông và bản mã được lấp đầy hoàn toàn bằng vữa, hàn (thường áp dụng với bu lông đổ tại chỗ có đầu) hoặc các phương pháp đặc biệt như Hilti Filling Set.

Liên kết không khe hở trong lỗ đối với mọi khoảng cách mép và mọi phương tải trọng; đồng thời liên kết có khe hở trong lỗ đối với các vị trí neo cách xa mép bê tông, áp dụng cho mọi phương tải trọng.

Hình 2: Bu lông liên kết không có khe hở lỗ khoan cho tất cả các khoảng cách đến mép và cho tất cả các phương tải, bu lông liên kết có khe hở lỗ khoan theo Bảng 6.1 (EN 1992-4) khi đặt xa mép cho tất cả các hướng tải và bu lông liên kết có khe hở lỗ khoan theo Bảng 6.1 khi đặt gần mép.

3. Mặt bằng bố trí bu lông và phân bố lực cắt tĩnh

Bảng 3.1: Sự khác biệt giữa các nhóm neo chịu lực cắt bố trí gần mép bê tông trong trường hợp có và không có khe hở lỗ khoan.

Bảng so sánh các cấu hình bố trí neo có và không có khe hở lỗ, minh họa rằng cơ chế phá hoại bê tông tại mép được kháng bởi hàng neo phía trước. Một trong các cấu hình được ghi chú là không được đề cập trong tiêu chuẩn EN 1992-4.

Bảng 3.1 minh họa sự khác biệt giữa các nhóm neo có và không có khe hở lỗ khoan khi được bố trí gần mép bê tông và chịu lực cắt hướng về phía mép. Hai yếu tố then chốt: khe hở lỗ khoan và khoảng cách đến mép quyết định hiệu quả làm việc của từng neo trong việc chống lại phá hoại bê tông tại mép, được đặc trưng bởi bề mặt phá hoại bê tông dạng bán hình nón. Đối với nhóm neo chịu lực cắt vuông góc với mép bê tông, lực cắt được giả định phân bố đều giữa hàng neo gần mép nhất và khối phá hoại, tuy nhiên theo EN 1992‑4, khả năng kháng phá hoại mép chỉ được quy cho hàng neo phía trước.

Giả thiết bảo thủ này coi toàn bộ lực cắt tác dụng lên bản mã chỉ do hàng neo phía trước chịu có thể dẫn đến các giải pháp thiết kế không khả thi. Hai dạng phá hoại còn lại, bao gồm phá hoại thép và phá hoại pry‑out của bê tông, lần lượt xét đến lực cắt tác dụng lên neo chịu tải lớn nhất trong nhóm và lực cắt tác dụng lên toàn bộ nhóm neo.

4. Cách tiếp cận tiên tiến hiện nay trong phân bố tải trọng cắt theo fib Bulletin 58

Cách tiếp cận thiết kế liên kết theo EN 1992‑4, dựa trên các bố trí neo được quy định sẵn, thường không đáp ứng được yêu cầu và thiếu tính khả thi khi cần sử dụng nhóm neo có kích thước lớn, chẳng hạn như trong trường hợp liên kết cột thép đặt gần mép móng bê tông. Trong một số điều kiện nhất định, tùy thuộc vào các tham số như khoảng cách đến mép, khoảng cách giữa các neo, chiều dày cấu kiện bê tông và khe hở lỗ khoan, phá hoại bê tông tại mép có thể khởi phát từ các neo gần mép nhất hoặc xa mép nhất, do đó yêu cầu phải kiểm tra toàn bộ các neo trong nhóm.

fib Bulletin 58 [2], Mục 4.3.1.3, đã xem xét khả năng thiết kế cho các trường hợp như vậy và cho phép phân bố đều lực cắt tác dụng vuông góc với mép bê tông vượt ra ngoài hàng neo đầu tiên song song với mép, với điều kiện không tồn tại khe hở lỗ khoan giữa bản mã và neo. Trên thực tế, điều này đồng nghĩa với việc cần kiểm tra khả năng chịu lực của khối phá hoại bê tông có thể hình thành tại từng hàng neo song song với mép, bởi mặt phẳng phá hoại chi phối không phải lúc nào cũng xuất phát từ hàng neo phía trước. Hiệu ứng này được minh họa tại Hình 4.1.

$Ba sơ đồ nhóm neo minh họa cách tải trọng cắt VEdV_{Ed}VEd được phân bố giữa các hàng neo và vị trí bắt đầu xảy ra phá hoại mép bê tông (edge failure).$

Hình 4.1: Phân bố tải trọng cắt theo phương vuông góc với mép bê tông và các bề mặt phá hoại.

Như được minh họa tại Hình 4.2, nguyên lý tương tự cũng được áp dụng cho lực cắt tác dụng song song với mép bê tông, trong đó phá hoại bê tông tại mép được kiểm tra cho tất cả các hàng neo vuông góc với mép. Cách tiếp cận này đảm bảo tính nhất quán trong nguyên tắc phân bố tải trọng cắt.

$Ba sơ đồ minh họa tải trọng cắt VEdV_{Ed}VEd tác dụng theo phương ngang lên các nhóm neo, trong đó sự phá hoại mép bê tông bắt đầu tại hàng neo thứ nhất, thứ hai hoặc thứ ba; tải trọng được phân bổ tương ứng.$

Hình 4.2: Phân bố tải trọng cắt theo phương song song với mép bê tông và các bề mặt phá hoại.

Lưu ý rằng việc áp dụng cùng một cách tiếp cận trong trường hợp tồn tại khe hở lỗ khoan thông thường (khác 0) có thể dẫn đến thiết kế không tuân thủ tiêu chuẩn và làm suy giảm khả năng sử dụng của công trình (serviceability).

Mặc dù fib Bulletin 58 cho phép phân bố lực cắt vượt ra ngoài các hàng neo phía trước khi kiểm tra phá hoại bê tông tại mép, các nhóm neo vẫn bị giới hạn trong: bố trí lưới 3×3 đối với trường hợp không có khe hở lỗ khoan, và bố trí lưới 2×2 đối với trường hợp có khe hở lỗ khoan, theo Hình 4.3‑1 của tài liệu [2]. Các bố trí neo vượt quá 3×3 cũng như các cấu hình không đều, chẳng hạn như dạng tam giác hoặc dạng tròn, không được bao phủ trong phạm vi của EN 1992‑4 cũng như fib Bulletin 58.

5. Phương pháp SOFA cho bố trí neo và phân bố lực cắt trong điều kiện tải tĩnh và tải động đất

Phương pháp SOFA áp dụng các quy định về phân bố lực cắt theo fib Bulletin 58 cho toàn bộ các neo tham gia chịu lực trong phạm vi tối đa ba hàng của một nhóm neo, theo cả phương song song và vuông góc với mép bê tông, đồng thời mở rộng phạm vi bố trí neo có thể áp dụng. Cách tiếp cận này cho phép kỹ sư mô hình hóa các cấu hình liên kết chịu lực cắt hướng về phía mép bê tông vượt ra ngoài những bố trí được quy định trong EN 1992‑4 và fib Bulletin 58, với điều kiện tiên quyết là không tồn tại khe hở lỗ khoan giữa neo và bản mã. Đối với các cấu hình neo khác nhau, nguyên tắc phân bố lực cắt trong điều kiện tải tĩnh và tải động đất đối với neo bố trí gần mép bê tông theo phương pháp SOFA được tổng hợp tại Bảng 5.1.

Bảng 5.1: Phân bố tải trọng cắt đối với các neo bố trí gần mép bê tông trong điều kiện tải tĩnh và tải động đất.

Bảng so sánh bố trí neo và khả năng chịu phá hoại bê tông tại mép khi có và không có khe hở lỗ, thể hiện hàng neo nào (hàng trước, hàng sau hoặc đến hàng neo thứ ba) là hàng chi phối trong điều kiện tải trọng tĩnh và động đất.

Bảng thể hiện các bố trí neo dạng tam giác, tròn và các cấu hình khác; khả năng chịu phá hoại mép bê tông được xác định bởi hàng neo phía trước. Khi không có độ hở lỗ, phương pháp bề rộng dải chỉ áp dụng cho tải trọng tĩnh.

Đối với cả tải trọng tĩnh và tải trọng động đất, phương pháp SOFA cho phép phân bố lực cắt đối với các bố trí neo dạng đều (regular layouts), bao gồm các cấu hình trong và vượt quá lưới 3×3. Tuy nhiên, dựa trên cơ sở hiểu biết hiện tại về các bố trí kích thước lớn, phương pháp này vẫn áp dụng những giới hạn nhất định. Cụ thể, đối với các nhóm neo lớn và/hoặc bố trí không đều ni×nj>16 \,n_i \times n_j > 16\,ni ×nj >16, toàn bộ lực cắt vẫn được giả định truyền qua hàng neo phía trước, trong đó njn_jnj và nin_ini lần lượt là số hàng neo vuông góc và song song với mép bê tông.

Để có thể xét đến sự tham gia chịu lực của hàng neo phía sau, số lượng neo tối đa trong mỗi hàng được giới hạn là 5. Giới hạn này được biện minh bởi các kết quả nghiên cứu hiện có (Grosser, 2012). Đối với điều kiện tải động đất, việc phân bố lực cắt đến các hàng neo phía sau chỉ được cho phép khi khe hở lỗ khoan giữa neo và bản mã được triệt tiêu hoàn toàn.

5.1 Bố trí neo lớn hơn và ảnh hưởng đến phân bố lực cắt theo từng hàng

Như đã trình bày tại Bảng 5.1, mặc dù lực cắt có thể được truyền vượt ra ngoài hàng neo phía trước đến tối đa ba hàng song song với mép bê tông, Hình 4.3‑1 trong fib Bulletin 58 lại giới hạn rõ ràng các nhóm neo trong bố trí hình chữ nhật 3×3, qua đó gián tiếp giới hạn số neo trong mỗi hàng là ba. Những bố trí hạn chế như vậy có thể không đáp ứng yêu cầu đối với các liên kết cấu kiện thép chính, vốn thường phải chịu lực cắt lớn. Việc mở rộng phạm vi bố trí thông qua phương pháp SOFA cho phép kỹ sư mô hình hóa mọi cấu hình neo, bao gồm bố trí đều và không đều, qua đó nâng cao đáng kể tính linh hoạt và khả năng tìm ra giải pháp thiết kế khả thi.

Một ví dụ về phá hoại bê tông tại mép vượt ra ngoài hàng neo phía trước đối với bố trí neo 5×3 đặt gần mép bê tông và không có khe hở lỗ khoan được minh họa tại Hình 5.1, trong đó lực cắt thiết kế VEdV_{Ed}VEd tác dụng vuông góc với mép bê tông. Theo phương pháp SOFA, khả năng kháng phá hoại mép được kiểm tra cho từng hàng neo song song với mỗi mép, trong đó chỉ khối phá hoại của hàng neo ở giữa được thể hiện nhằm mục đích đơn giản hóa minh họa.

Lưu ý rằng phương pháp SOFA không yêu cầu số lượng neo trong mỗi hàng phải bằng nhau.

$Minh họa nhóm neo nhiều hàng chịu lực cắt thẳng đứng VEdV_{Ed}VEd. Cơ chế phá hoại bật vỡ mép bê tông được quyết định bởi hàng neo trung gian, với đường bao vùng phá hoại (nét đứt) phát triển theo hướng về mép bê tông.$

Hình 5.1: Khối phá hoại bê tông tại mép đối với hàng neo ở giữa khi chịu lực cắt tác dụng vuông góc với mép bê tông.

5.2 Cách tiếp cận SOFA đối với các neo không thẳng hàng

Đối với các bố trí neo dạng trực giao trong giai đoạn thiết kế, các neo có thể được giả định thẳng hàng hoàn toàn trong cùng một hàng. Tuy nhiên, trong thực tế thi công, độ chính xác này không phải lúc nào cũng đạt được ở mức “từng milimét”, điều này có thể dẫn đến đánh giá cao khả năng chịu lực nếu giả định rằng mặt phẳng phá hoại khởi phát từ neo gần mép nhất. Trên thực tế, mặt phẳng phá hoại bê tông tại mép không yêu cầu tất cả các neo trong một hàng phải thẳng hàng tuyệt đối; thay vào đó, mặt phẳng phá hoại có thể bao gồm các neo khác khi chúng được huy động chịu lực trong một “dải” (band) ảo được xác định trước. Như minh họa tại Hình 5.2, dải này bao gồm tất cả các neo nằm trong phạm vi bằng một phần tư khoảng cách lớn nhất giữa neo gần mép nhất và neo xa mép nhất theo phương y (và theo phương x nếu tồn tại mép kề). Cách tiếp cận này mở rộng khối phá hoại bê tông, đồng thời sử dụng khoảng cách đến mép nhỏ nhất giữa các neo trong cùng dải, cy,1c_{y,1}cy,1 , nhằm gia tăng khả năng kháng phá hoại mép của bê tông.

Lưu ý rằng cách tiếp cận này chỉ áp dụng cho điều kiện tải trọng tĩnh. Đối với điều kiện tải động đất, cách tiếp cận tiêu chuẩn theo EN 1992‑4 — giả định phá hoại tại mép khởi phát từ neo gần mép nhất — vẫn được áp dụng, ngay cả trong trường hợp khe hở lỗ khoan đã được triệt tiêu hoàn toàn.

Định nghĩa ‘dải neo’ được giới hạn bởi khung màu đỏ, minh họa cho một mép bê tông.

Hình 5.2: Định nghĩa “dải” (band) được giới hạn bởi khung màu đỏ, minh họa cho một mép bê tông.

5.3 Xác minh khả năng kháng phá hoại bật vỡ mép bê tông theo phương pháp SOFA

Trong khi việc kiểm tra các dạng phá hoại thép và pry out của bê tông dưới cả tải trọng tĩnh và tải trọng động đất vẫn không thay đổi, phương pháp SOFA thực hiện kiểm tra khả năng kháng phá hoại bê tông tại mép cho từng hàng neo, , dựa trên các quy định của EN 1992 4 [1], có điều chỉnh theo fib Bulletin 58 [2] nhằm bao phủ các nhóm neo có kích thước lớn hơn. Sự khác biệt duy nhất giữa hai quy định thiết kế này liên quan đến cách xác định hệ số ψα,V\psi_{\alpha,V}ψα,V , trong đó fib Bulletin 58 phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của các nhóm neo lớn, như được minh họa tại Hình 5.3.

Trong khi việc kiểm tra các dạng phá hoại thép và pry out của bê tông dưới cả tải trọng tĩnh và tải trọng động đất vẫn không thay đổi, phương pháp SOFA thực hiện kiểm tra khả năng kháng phá hoại bê tông tại mép cho từng hàng neo, V_{Rk,c,row i}, dựa trên các quy định của EN 1992 4 [1], có điều chỉnh theo fib Bulletin 58 [2] nhằm bao phủ các nhóm neo có kích thước lớn hơn. T Sự khác biệt duy nhất giữa hai quy định thiết kế này liên quan đến cách xác định hệ số ψ_α,V, trong đó fib Bulletin 58 phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của các nhóm neo lớn, như được minh họa tại Hình 5.3.

Biểu đồ so sánh hệ số góc ψαV với góc nghiêng của tải trọng cắt αv, thể hiện hai đường cong (fib Bulletin 58 và EC2‑4), trong đó giá trị tăng dần khi góc αv tăng và đạt khoảng tối đa ở 80–90 độ.

Hình 5.3: Minh họa hệ số và sự so sánh giữa cách xác định theo fib Bulletin 58 và EN 1992‑4.

5.4 Các tùy chọn thiết kế trong PROFIS Engineering

Trong PROFIS Engineering của Hilti, kỹ sư có thể tìm thấy các tùy chọn thiết kế cho nhiều loại liên kết neo khác nhau được đề cập trong bài viết này, theo EN 1992‑4, ETAG 001: Phụ lục C, hoặc phương pháp SOFA.

Ảnh chụp giao diện PROFIS Engineering với phương pháp thiết kế “SOFA-based” được chọn. Hệ thống cảnh báo rằng cấu hình nhóm neo không được bao phủ bởi hướng dẫn hiện hành và đề xuất chuyển sang phương pháp Hilti SOFA để đánh giá thiết kế.

Hình 5.4: Lựa chọn thiết kế trong PROFIS.

Việc tùy chỉnh bố trí neo có thể được thực hiện thông qua “2D Editor”, và PROFIS Engineering sẽ hiển thị cảnh báo kèm theo tùy chọn chuyển sang phương pháp SOFA khi người dùng lựa chọn hoặc bố trí các neo vượt quá giới hạn áp dụng của EN 1992‑4.

6. Kết luận

Kết quả từ nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu cả nội bộ lẫn bên ngoài đã giúp phương pháp SOFA mang lại cho các kỹ sư tính linh hoạt cao hơn và khả năng tìm ra các giải pháp thiết kế khả thi khi xử lý các liên kết có mức độ phức tạp cao, dưới cả điều kiện tải trọng tĩnh và tải trọng động đất. Được tích hợp trực tiếp trong mô-đun Concrete của PROFIS Engineering, phương pháp SOFA cung cấp cho người thiết kế:

Cách tiếp cận thiết kế liên kết mở rộng giới hạn của EN 1992‑4, cho phép bố trí nhóm neo vượt quá cấu hình 3×3.

Khả năng kháng phá hoại bê tông tại mép cao hơn, thông qua việc phân bố lực cắt vượt ra ngoài hàng neo gần mép nhất, tối đa đến ba hàng neo, với tối đa năm neo cho mỗi hàng.

Ứng dụng khái niệm “dải” (band) giả định nhằm gom các neo không thẳng hàng trong các bố trí không đều vào cùng một hàng tính toán, qua đó gia tăng khả năng kháng phá hoại bê tông tại mép.

Để bắt đầu thiết kế, truy cập: https://profisengineering.hilti.com/

Bài viết tham khảo

[1] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.

[2] fib bulletin 58: Design of anchorages in concrete, Lausanne: IFSC, 2011.

[3] P. R. Grosser, Load-bearing behavior and design of anchorages subjected to shear and torsion loading in uncracked concrete, Germany: Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart, 2012.