Mô tả
Mục tiêu của chương này là kiểm chứng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện (CBFEM) cho chân cột của cột thép tiết diện hở chịu nén và uốn quanh trục mạnh hơn bằng phương pháp cấu kiện (CM). Nghiên cứu được thực hiện cho kích thước cột, hình học và chiều dày của bản mã chân cột. Trong nghiên cứu, năm cấu kiện được xem xét: cánh và bụng cột chịu nén, bê tông chịu nén bao gồm vữa lót, bản mã chân cột chịu uốn, neo chịu kéo và mối hàn. Tất cả các cấu kiện được thiết kế theo EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 và EN 1992‑4.
Kiểm chứng khả năng chịu lực
Ví dụ về thiết kế theo phương pháp cấu kiện được trình bày cho neo của cột thép tiết diện HEB 240:
Khối bê tông có kích thước a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 900 mm và cấp độ bền C20/25. Kích thước bản mã chân cột là a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm và mác thép S235. Bu lông neo là 4 × M20, As = 245 mm2, chiều dài 300 mm, với đường kính đầu neo a = 60 mm và mác thép 8.8. Chiều dày vữa lót là 30 mm.
Kết quả của lời giải giải tích có thể được trình bày trên biểu đồ tương tác với các điểm đặc trưng quan trọng. Điểm −1 đại diện cho tải trọng kéo thuần túy, và điểm 4 đại diện cho khả năng chịu lực nén. Mô tả chi tiết về các điểm 0, 1, 2 và 3 được trình bày trong Hình 8.2.1; xem (Wald, 1995) và (Wald et al. 2008).
Hình 8.2.1 Các điểm đặc trưng trên biểu đồ tương tác
Phân bố ứng suất tại điểm 0 và 3 thu được bằng CBFEM được hiển thị trong Hình 8.2.2 và 8.2.3.
Hình 8.2.2 Ứng suất trong bê tông và lực trong neo tại điểm 0 thu được bằng CBFEM (tỷ lệ biến dạng 10)
Hình 8.2.3 Ứng suất trong bê tông và lực trong neo tại điểm 3 thu được bằng CBFEM
(tỷ lệ biến dạng 10)
Hình 8.2.4 So sánh các mô hình trên biểu đồ tương tác
Sự so sánh biểu đồ tương tác thu được bằng CBFEM với biểu đồ tương tác tính theo CM được trình bày trong Hình 8.2.4 và Bảng 8.2.1.
Bảng 8.2.1 So sánh kết quả biểu đồ tương tác cho HEB 240 bằng lời giải giải tích và bằng CBFEM
| Lời giải giải tích | Kết quả của CBFEM | |||
| Lực dọc [kN] | Khả năng chịu uốn [kNm] | Lực dọc [kN] | Khả năng chịu uốn [kNm] | |
| Điểm -1 | 169 | 0 | 150 | 0 |
| Điểm 0 | 0 | 45 | 0 | 37 |
| Điểm 1 | −564 | 103 | −564 | 98 |
| Điểm 2 | −708 | 108 | −708 | 111 |
| Điểm 3 | −853 | 103 | −853 | 101 |
| Điểm 4 | −1700 | 0 | −1683 | 0 |
Nghiên cứu độ nhạy
Kết quả của CBFEM được so sánh với kết quả của phương pháp cấu kiện. Sự so sánh được thực hiện theo khả năng chịu mô men uốn tại mức lực dọc cho trước tại mỗi điểm của biểu đồ tương tác.
Trong nghiên cứu độ nhạy, kích thước cột, kích thước bản mã chân cột và kích thước bệ bê tông được thay đổi. Các tiết diện cột được chọn là HEB 200, HEB 300 và HEB 400. Chiều rộng và chiều dài bản mã chân cột được chọn lớn hơn tiết diện cột lần lượt là 100 mm, 150 mm và 200 mm; chiều dày bản mã chân cột là 15 mm, 20 mm và 25 mm. Bệ bê tông có cấp độ bền C25/30. Chiều cao bệ bê tông trong tất cả các trường hợp là 900 mm, chiều rộng và chiều dài lớn hơn kích thước bản mã chân cột 200 mm. Bu lông neo là M20 cấp 8.8 với chiều sâu chôn neo 300 mm. Các thông số được tóm tắt trong Bảng 8.2.2. Mối hàn được thực hiện đồng đều xung quanh toàn bộ tiết diện cột với chiều cao cổ hàn đủ lớn để không trở thành cấu kiện tới hạn. Mỗi lần chỉ thay đổi một thông số trong khi các thông số còn lại được giữ ở giá trị trung bình.
Bảng 8.2.2 Các thông số được chọn
| Tiết diện cột | HEB 200 | HEB 300 | HEB 400 |
| Khoảng nhô của bản mã chân cột | 100 mm | 150 mm | 200 mm |
| Chiều dày bản mã chân cột | 15 mm | 20 mm | 25 mm |
Trong Hình 8.2.5, kết quả khi thay đổi tiết diện cột được trình bày. Trong Hình 8.2.6 và Hình 8.2.7, khoảng nhô của bản mã chân cột và chiều dày bản mã chân cột lần lượt được thay đổi.
Hình 8.2.5 Biến thiên tiết diện cột
Hình 8.2.6 Biến thiên khoảng nhô của bản mã chân cột – 100, 200 và 300 mm
Hình 8.2.7 Biến thiên chiều dày bản mã chân cột – 15, 20 và 25 mm
Bài toán chuẩn
Dữ liệu đầu vào
Tiết diện cột
- HEB 240
- Thép S235
Bản mã chân cột
- Chiều dày 20 mm
- Khoảng nhô phía trên 100 mm, phía trái 45 mm
- Thép S235
Bu lông neo
- M20 8.8
- Chiều dài neo 300 mm
- Loại neo: Bản đệm - tròn; kích thước 40 mm
- Khoảng cách hàng trên 50 mm, hàng trái −10 mm
- Mặt phẳng cắt tại phần ren
- Mối hàn hai phía 8 mm
Khối móng
- Bê tông C20/25
- Khoảng nhô 335 mm và 530 mm
- Chiều sâu 900 mm
- Truyền lực cắt bằng ma sát
- Chiều dày vữa lót 30 mm
Tải trọng
- Lực dọc N = −853 kN
- Mô men uốn My = 100 kNm
Kết quả đầu ra
- Bu lông neo 42,2 % (NEd,g = 51,7 kN ≤ NRdc = 122,4 kN - phá hoại do bê tông phá vỡ lõi cho neo A1 và A2)
- Khối bê tông 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ fjd = 26,8 MPa)
Tài liệu tham khảo
EN 1992-1-1, Eurocode 2, Thiết kế kết cấu bê tông – Phần 1-1: Quy tắc chung và quy tắc cho nhà, CEN, Brussels, 2005.
EN 1992-4:2018, Eurocode 2: Thiết kế kết cấu bê tông – Phần 4: Thiết kế neo dùng trong bê tông, Brussels, 2018.
EN 1993-1-8, Eurocode 3, Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-8: Thiết kế nút liên kết, CEN, Brussels, 2005.
Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.
Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Phương pháp cấu kiện cho chân cột thép, Heron, 53, 2008, 3-20.