Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
130
MỘT SỐ NGUYÊN TẮC CƠ BẢN
KHI THIẾT KẾ LIÊN KẾT BÊ TÔNG LẮP GHÉP
Nguyễn Anh Dũng
Trường Đại học Thủy lợi, email: dung.kcct@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Kết cấu bê tông lắp ghép đã được sử dụng
cho các công trình dân dụng ở Việt Nam từ
những năm 70 và hiện nay ngày càng nhiều
nhà máy cấu kiện bê tông lắp ghép được
thành lập vì nhu cầu sử dụng và các ưu điểm
của bê tông lắp ghép. Tuy nhiên các tài liệu
chỉ dẫn thiết kế kết cấu bê tông lắp ghép ở
nước ta còn rất hạn chế. Trong công trình bê
tông lắp ghép, việc thiết kế và xây dựng các
liên kết là vấn đề quan trọng nhất [1].
Stanton và c.s [1] đã chỉ ra rằng: “Sự thành
công về mặt kinh tế và chức năng của kết cấu
bê tông lắp ghép phụ thuộc rất nhiều vào cấu
tạo và tính chất của các liên kết giữa các cấu
kiện của nó. Tính linh hoạt của các liên kết
ảnh hưởng đến sự phân bố biến dạng từ biến,
nhiệt và co ngót và xác định hiệu suất làm
việc của mối nối theo thời gian”.
Việc thiết kế các liên kết bê tông lắp ghép
là một bài toán phức tạp, khó tổng quát hóa
cũng như đưa ra các bài toán cơ bản. Nhằm
giúp người đọc cũng như các kỹ sư xây dựng
có những hiểu biết cơ bản khi thiết kế liên kết
bê tông lắp ghép, bài báo này sẽ trình bày
một số khái niệm cơ bản cũng như các
nguyên tắc khi thiết kế liên kết cho các công
trình bê tông lắp ghép.
2. PHÂN BIỆT GIỮA MỐI NỐI VÀ LIÊN
KẾT BÊ TÔNG LẮP GHÉP
Có một sự nhầm lẫn rất lớn xung quanh
khái niệm “liên kết” và “mối nối”. Định nghĩa
đúng cho liên kết là bao gồm toàn bộ phần
xây dựng của chỗ nối, bao gồm cả phần đầu
của các cấu kiện lắp ghép nối vào, trong khi
đó mối nối bảo gồm các phần riêng biệt hình
thành lên liên kết. Ví dụ, trong trường hợp
dầm-cột một mối nối chịu lực được tạo ra giữa
dầm và cột lắp ghép; nhưng khi việc lắp ráp
này hoàn thành bằng cách sử dụng vữa tại chỗ
thì khi đó toàn bộ phần xây dựng tại đây được
gọi là liên kết. Các thuật ngữ này hay được
chuyển đổi trong các trao đổi thông thường.
Trong một liên kết đơn lẻ, có thể có nhiều
mối nối truyền tải, do đó trước tiên cần phân
biệt giữa một mối nối và một liên kết. 'Mối
nối' là tác động của các lực (ví dụ: lực kéo,
lực cắt, lực nén) diễn ra tại điểm tiếp giáp
giữa hai (hoặc nhiều) phần tử kết cấu. Trong
nhiều trường hợp, có thể có vật liệu trung
gian, chẳng hạn như cao su, thép, nỉ, vữa xi
măng, vữa epoxy, v.v. Thiết kế của mối nối
sẽ bị ảnh hưởng lớn bởi mức độ khác biệt của
các vật liệu này so với bê tông.
Định nghĩa 'liên kết' khi xét truyền lực là
tác động của các lực (ví dụ: kéo, cắt, nén)
và/hoặc mômen (uốn, xoắn) xuyên qua một
cụm bao gồm một (hoặc nhiều) mặt tiếp xúc.
Do đó, thiết kế của liên kết là một chức năng
của cả các phần tử kết cấu và các mối nối
giữa chúng. Điều này được giải thích trong
Hình 1 trong đó vùng liên kết có thể kéo dài
khá xa so với các bề mặt nối tiếp. Ngoài tác
động của lực, việc thiết kế liên kết phải xem
xét đến nguy cơ cháy, hư hỏng do tai nạn,
ảnh hưởng của việc thi công tạm thời và tay
nghề không chính xác cũng như độ bền.
Hình 2 cho thấy liên kết giữa dầm và đầu
cột bao gồm không dưới chín bộ phận, hoạt
động từ trên xuống:
Chiều dài liên kết tới cột trên.
Chịu lực gối đỡ (vữa hoặc đệm gối tựa)
của cột phía trên.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
131
Cốt thép chống nở ngang và các thanh
thép đai liên kết phía trên gối tựa.
Cốt thép chịu cắt và neo ở đầu dầm.
Chốt động chịu cắt, bám dính và neo khi
tại khu vực chịu mô men âm của thanh thép
thớ trên phía trên của dầm.
Mối nối chịu nén bằng vữa giữa đầu dầm
và mặt cột.
Mối nối gối tựa chịu nén giữa dầm và
vai cột.
Các vai cột được thiết kế riêng phục vụ
cho việc thiết kế các liên kết.
Cốt thép chống nở ngang cục bộ và các
thanh thép liên kết ở đầu cột.
Hình 1. Định nghĩa “mối nối’” và “liên kết”
Hình 2. Vai cột bê tông lắp ghép
Tải trọng không phải lúc nào cũng phải
truyền qua mối nối. Ví dụ, trong trường hợp
mối nối bịt kín dùng cho mục đích chống
thấm hoặc mối nối giãn nở cho chuyển động
nhiệt, chuyển động tương đối được cho phép
qua mối nối, nhưng khó có thể gọi đó là liên
kết. Một liên kết thì luôn phải có khả năng
truyền được tải trọng.
3. CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN
Bốn nguyên tắc để thiết kế mối nối đạt yêu
cầu là:
Các bộ phận có thể chịu được các tải
trọng giới hạn theo một phương pháp dẻo.
Các cấu kiện lắp ghép có thể được sản
xuất một cách kinh tế và được dựng lên một
cách an toàn và nhanh chóng.
Dung sai lắp dựng tại chỗ và sản xuất
không ảnh hưởng bất lợi đến ứng xử của kết
cấu dự kiến, hoặc được dự tính trước trong
tình huống 'trường hợp xấu nhất'.
Diện mạo cuối cùng của mối nối phải
đáp ứng các yêu cầu về hình ảnh, lửa và môi
trường.
Để thiết kế được liên kết thì việc đầu tiên
cần xác định được ‘cơ cấu’ của liên kết, khái
niệm cơ cấu ở đây ở đây hiểu là tác động của
lực giữa các cấu kiện kết cấu. Nó được dùng
để minh họa sự khác biệt giữa liên kết đổ tại
chỗ nguyên khối và liên kết bê tông lắp ghép.
Các lực bổ sung duy nhất cho kết cấu lắp
ghép được tạo ra do sự dịch chuyển và xoay
tương đối giữa các phần tử. Những chuyển
động này phải được đánh giá và thiết kế phù
hợp - mặc dù thông tin liên quan có thể
không có sẵn trong các quy định thực hành.
Các phương pháp phân tích liên kết được sử
dụng phổ biến nhất là:
Thanh giằng, Hình 3a, dùng để truyền
lực chịu lực;
Mối nối đôi, Hình 3b, dùng để truyền lực
chịu lực mô men uốn hoặc mô men xoắn;
Ma sát cắt hoặc nêm cắt, Hình 3c, để
truyền lực cắt có hoặc không có lực nén.
Mặc dù các hình ảnh thể hiện cơ bản liên
kết là ứng xử hai chiều, việc thiết kế phải bao
gồm các tác động của chiều thứ ba, đặc biệt là
ở các phần hẹp nơi lực nở ngang hoặc tải trọng
lệch tâm có thể làm giảm khả năng chịu lực.
Mối nối chịu
kéo và chịu cắt
Mối nối chịu
nén
Vùng ứng
su
ấ
t n
é
n
Độ bền và độ
cứng của cột
Độ bền cắt và
độ cứng dầm Vùng lân cận
c
ủa
li
ê
n
k
ế
t
Độ bền uốn và
độ cứng dầm
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
132
(a)
(b)
(c)
Hình 3. Đường truyền lực và độ lệch trong
liên kết: (a) Dầm trên vai cột; (b) Cột-cột;
(c) Lực cắt được truyền thông qua các chốt
Các nguyên tắc cơ bản khi thiết kế liên kết
cần tuân thủ như sau:
Lớp bê tông bảo vệ bên ngoài cốt thép
được bỏ qua.
Các giá trị cho phép về dung sai kết cấu
và sai số kích thước cho phép khi sản xuất,
được cho bởi Δ trong Hình 3, luôn được
tuân thủ.
Góc quay, được cho bởi ϕ trong Hình 3a,
cho phép xấp xỉ khoảng 0.01 radian khi sắp
xếp lại tải trọng, miếng đệm gối tựa, v.v...
Để truyền lực hiệu quả, góc (θ trong
Hình 3a) giữa thanh chống nén và thanh
giằng lý tưởng phải nằm trong khoảng từ 40°
đến 50° và không nhỏ hơn 30°.
Việc neo giữ hoàn toàn các thanh giằng
bằng phương pháp cơ học, ví dụ như sử dụng
thiết bị neo, không được ảnh hưởng đến các
vùng ứng suất nén.
Vùng ứng suất X trong mối nối ghép
không được vượt quá 0.9 lần chiều cao thực h
của tiết diện (xem Hình 3b).
Các mối nối ma sát cắt không được sử
dụng trong các phần tử độc lập hoặc trong
các tình huống mà lực kéo trực tiếp có thể
phát sinh nếu không có dây giằng kéo.
3. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày một số nội dung cơ bản
của việc thiết kế liên kết bê tông lắp ghép,
trong đó phân biệt sự khác nhau giữa mối nối
và liên kết, cũng như phân tích các nguyên
tắc cơ bản khi thiết kế mối nối và thiết kế liên
kết trong kết cấu bê tông lắp ghép. Đây là các
thông tin hữu ích cho các kỹ sư xây dựng khi
thiết kế kết cấu bê tông lắp ghép.
4. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Stanton, J. F., Anderson, R. G., Dolan, C. W.
and McCleary, D. E., Moment-Resistant
Connections and Simple Connections, Final
Report to PCI, Specially Funded R & D
Projects Nos 1 & 4, 1986, and PCI Journal,
Vol. 32, No. 2, March-April 1987, pp. 62-74.
Δ=tổng dung sai chế tạo
và xâ
y
d
ựn
g
Một kiểu nối cột
Độ lệch cho
phép
Khối nén tại trạng
thái cực hạn