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.

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.

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 ), 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.

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

Bảng 3.1 minh họa sự khác biệt giữa các nhóm bu lông có và không có khe hở lỗ khi đặt gần mép và chịu tải cắt hướng về phía mép đó. Hai yếu tố – khe hở lỗ và khoảng cách mép – quyết định hiệu quả của từng bu lông trong việc chống lại phá hoại kiểu bật mép, được thể hiện bằng một bề mặt bê tông dạng nửa hình nón.

Đối với một nhóm bu lông chịu tải cắt vuông góc với mép, tải cắt được chia đều giữa hàng bu lông gần mép nhất và khối phá hoại, nhưng theo EN 1992-4, chỉ hàng bu lông phía trước mới được tính là chịu toàn bộ tải cắt tác dụng lên bản mã.

Giả định này – chỉ hàng bu lông phía trước chịu toàn bộ tải cắt – có thể dẫn đến các giải pháp không khả thi.

Hai dạng phá hoại khác – phá hoại thép và bật ra khỏi bê tông (concrete pry-out) – được tính toán dựa trên tải cắt tác dụng lên bu lông chịu tải lớn nhất trong nhóm và trên toàn bộ nhóm, tương ứng.

Phương pháp hiện đại phân bố tải cắt trong fib Bulletin 58

Phương pháp thiết kế liên kết theo tiêu chuẩn EN 1992-4 dựa trên các bố trí bu lông cơ bản quy định sẵn thường tỏ ra không phù hợp và khó khả thi khi cần các nhóm bu lông lớn, chẳng hạn như khi liên kết cột thép gần mép móng bê tông. Trong một số trường hợp, tùy thuộc vào các thông số như khoảng cách tới mép, khoảng cách giữa các bu lông, chiều dày cấu kiện bê tông và độ hở lỗ bu lông, phá huỷ bật mép bê tông có thể bắt đầu từ hàng bu lông gần mép hoặc xa mép, đòi hỏi phải kiểm tra tất cả các bu lông.

Tiêu chuẩn fib Bulletin 58 [2], Mục 4.3.1.3, cho phép thiết kế cho những trường hợp như vậy và cho phép phân bố tải trọng cắt vuông góc với mép ra ngoài hàng đầu tiên song song với mép, với điều kiện không có độ hở giữa bản mã và bu lông. Trên thực tế, điều này đồng nghĩa với việc cần kiểm tra khả năng chịu lực của khối bê tông bật mép tiềm năng do mỗi hàng bu lông song song với mép tạo ra, vì mặt phá huỷ chi phối không phải lúc nào cũng là hàng bu lông phía trước. Hình 4.1 minh họa hiện tượng này.

Như minh họa ở Hình 4.2, nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng cho tải trọng cắt song song với mép, với phá huỷ được kiểm tra cho tất cả các hàng vuông góc với mép đó, nhằm đảm bảo tính nhất quán trong nguyên tắc phân bố tải trọng cắt.

Như minh họa ở Hình 4.2, nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng cho tải trọng cắt song song với mép, với phá huỷ được kiểm tra cho tất cả các hàng vuông góc với mép đó, nhằm đảm bảo tính nhất quán trong nguyên tắc phân bố tải trọng cắt.

Lưu ý rằng việc áp dụng cùng phương pháp này với khoảng hở lỗ bình thường (không bằng 0) có thể dẫn đến thiết kế không tuân thủ và gây mất khả năng sử dụng.

Mặc dù fib Bulletin 58 cho phép phân phối lực cắt vượt ra ngoài hàng đầu tiên để chống phá huỷ mép, nhóm bu lông vẫn bị giới hạn trong lưới 3x3 không có khoảng hở lỗ và 2x2 với khoảng hở lỗ, xem Hình 4.3-1 trong tài liệu [2]. Các bố trí bu lông vượt quá lưới 3x3 và các cấu hình không đều, như tam giác hoặc hình tròn, không được đề cập trong cả EN 1992-4 lẫn fib Bulletin 58.

Phương pháp SOFA cho bố trí bu lông và phân phối lực cắt trong tải tĩnh và tải động đất

Phương pháp SOFA áp dụng các quy định về phân phối lực cắt trong fib Bulletin 58 cho tất cả các bu lông tham gia trong ba hàng của một nhóm, song song và vuông góc với cạnh, đồng thời mở rộng các bố trí bu lông mà phương pháp này áp dụng. Điều này cho phép kỹ sư thiết kế mô hình các bố trí bu lông chịu tải cắt hướng về cạnh vượt quá những giới hạn được quy định trong cả EN 1992-4 và fib Bulletin 58, với điều kiện tiên quyết là không tồn tại khe hở (hole clearance) giữa bu lông và bản mã. Đối với các bố trí bu lông khác nhau, phân phối lực cắt tĩnh và động (động đất) cho các bu lông gần cạnh được phép trong phương pháp SOFA được thể hiện trong Bảng 5.1.

Đối với cả tải tĩnh và tải động đất, phương pháp SOFA cho phép phân bố lực cắt cho các bố trí bu lông thường gặp (bao gồm cả những bố trí nhiều hơn 3x3). Tuy nhiên, với các bố trí lớn hơn, có dạng không đều và nhóm bu lông lớn (khi số bu lông (), trong đó  là số hàng vuông góc với mép bê tông và  là số hàng song song với mép bê tông), lực cắt vẫn được coi là chỉ chịu bởi hàng bu lông gần mép trước.

Số bu lông tối đa trong một hàng được giới hạn là 5 để có thể tính đến đóng góp lực của hàng phía sau. Giới hạn này được dựa trên các nghiên cứu hiện có (Grosser, 2012).

Khi chịu tải động đất, việc phân bố lực cắt đến các hàng bu lông phía sau yêu cầu phải loại bỏ khe hở (hole clearance) giữa bu lông và bản mã.

Các bố trí lớn hơn và ảnh hưởng đến phân bố lực cắt theo từng hàng

Như đã lưu ý trong Bảng 5.1, mặc dù việc truyền tải lực cắt vượt qua hàng đầu tiên của các bu lông có thể thực hiện được tối đa ba hàng song song với mép cạnh, nhưng Hình 4.3-1 trong fib Bulletin 58 rõ ràng giới hạn nhóm bu lông trong bố trí hình chữ nhật 3x3, đồng thời giới hạn số bu lông trên mỗi hàng là ba. Các bố trí hạn chế như vậy có thể không đủ cho việc cố định các phần tử thép kết cấu chính, vốn thường phải chịu lực cắt cao. Việc mở rộng các bố trí thông qua phương pháp SOFA cho phép kỹ sư thiết kế mô hình bất kỳ bố trí nào, dù là đều hay không đều.

Một ví dụ về hiện tượng vỡ mép vượt qua hàng đầu tiên đối với bố trí bu lông 5x3 đặt gần mép không có khe hở lỗ được thể hiện trong Hình 5.1, trong đó lực cắt V_Ed tác động vuông góc với mép cạnh. Ở đây, hiện tượng vỡ mép theo phương pháp SOFA được kiểm tra cho từng hàng song song với mỗi mép cạnh, với phần vỡ mép của hàng giữa chỉ được minh họa đơn giản hóa.

Lưu ý rằng phương pháp SOFA không yêu cầu số lượng bu lông trên mỗi hàng phải bằng nhau.

Phương pháp SOFA cho các bu lông không thẳng hàng

Đối với các bố trí vuông góc trong thiết kế, tất cả các bu lông có thể thẳng hàng hoàn hảo trong một hàng, nhưng việc thi công tại công trường không phải lúc nào cũng chính xác đến từng milimét, điều này có thể dẫn đến việc đánh giá quá cao khả năng chịu lực nếu mặt phẳng phá hoại bắt đầu từ bu lông gần mép nhất. Tuy nhiên, mặt phẳng phá hoại cho hiện tượng phá vỡ bê tông ở mép không yêu cầu sự thẳng hàng hoàn hảo của tất cả các bu lông trong một hàng, và mặt phẳng phá hoại có thể bao gồm các bu lông khác khi chúng tham gia trong một “dải” ảo xác định.

Như được thể hiện trong Hình 5.2, dải này bao gồm bất kỳ bu lông nào nằm trong khoảng một phần tư của khoảng cách tối đa giữa bu lông gần nhất và xa nhất theo phương y- ( và theo phương x ( nếu có cạnh liền kề. Điều này mở rộng vùng phá hoại đồng thời sử dụng khoảng cách mép nhỏ nhất giữa tất cả các bu lông trong dải, , , để tăng khả năng chống phá vỡ mép bê tông.

Lưu ý rằng phương pháp này chỉ áp dụng trong điều kiện tải tĩnh, còn phương pháp EN 1992-4 thông thường về phá vỡ mép bắt đầu từ bu lông gần mép nhất vẫn áp dụng cho điều kiện tải động (chấn động), ngay cả khi khoảng hở giữa lỗ được loại bỏ.

Tính toán khả năng chống phá vỡ mép bê tông theo phương pháp SOFA

Trong khi việc tính toán khả năng chịu tải của thép và chống kéo ra (pry-out) dưới cả tải tĩnh và tải động đất vẫn không thay đổi, phương pháp SOFA xác minh khả năng chống phá vỡ mép của từng hàng, , sử dụng các quy định của EN 1992-4 [1] với các sửa đổi từ fib Bulletin 58 [2] để bao phủ các nhóm bu lông lớn hơn. Sự khác biệt duy nhất giữa hai quy định thiết kế này liên quan đến việc tính toán hệ số ​, được phản ánh chính xác hơn cho các nhóm lớn bởi fib Bulletin 58, như minh họa trong Hình 5.3.

Tùy chọn thiết kế trên PROFIS Engineering

Trong phần mềm PROFIS Engineering của Hilti, kỹ sư có thể lựa chọn các phương án thiết kế cho một phạm vi rộng các điểm neo được trình bày trong bài viết này, theo EN 1992-4, ETAG 001: Phụ lục C, hoặc theo phương pháp SOFA.

Việc tùy chỉnh bố trí neo có thể thực hiện thông qua “2D Editor” và PROFIS sẽ hiển thị cảnh báo kèm tùy chọn chuyển sang phương pháp SOFA khi chọn hoặc đặt neo trong các bố trí vượt quá giới hạn của EN 1992-4.

KẾT LUẬN

Kết quả của nhiều nghiên cứu nội bộ và bên ngoài trong nhiều năm đã dẫn đến việc phương pháp SOFA mang lại cho các kỹ sư sự linh hoạt cao hơn và khả năng tìm ra các giải pháp khả thi khi thiết kế neo có độ phức tạp cao dưới cả điều kiện tĩnh và động đất. Được tích hợp trong mô-đun Bê tông của PROFIS Engineering, phương pháp SOFA cung cấp cho kỹ sư kết cấu các tính năng sau:

·      Một phương pháp thiết kế liên kết mở rộng giới hạn của EN 1992-4 cho các bố trí neo vượt quá 3x3.

·      Tăng khả năng chống phá hoại tại mép bê tông bằng cách truyền lực cắt vượt ra ngoài hàng neo gần mép nhất, tối đa đến ba hàng, với tối đa năm neo trên mỗi hàng.

·      Sử dụng một “dải ảo” để hợp nhất các neo không thẳng hàng trong các bố trí không đều thành một hàng, nhằm tăng khả năng chống vỡ mép bê tông.

Để biết thêm chi tiết và bắt đầu thiết kế với phần mềm PROFIS Engineering, đọc thêm tại Trang chủ Hilti Việt Nam sau.

Tài liệu 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.