căn bản Thiết kế xây dựng Kết cấu thép | Liên kết là ngàm hay khớp

Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế kết cấu thép chỉ có hai loại liên kết giữa các cấu kiện: cứng (ngàm) - có chịu moment hay khớp - không chịu moment trong liên kết. Tuy nhiên thực tế tính toán và cấu tạo kết cấu thép có nhiều trường hợp không thể phân định rạch ròi một liên kết là ngàm hay khớp hoàn toàn. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Eurocode 3 cho một căn cứ tham khảo khá tốt để đánh giá độ cứng liên kết, trong đó xem liên kết không hoàn toàn là cứng hay khớp tuyệt đối mà là có mức trung gian (Semi-rigid). Điều này rất hữu dụng trong một số trường hợp cần phải mô hình lại độ cứng liên kết để kiểm tra sự phân bố nội lực trong khung thép so với giả thiết ban đầu khi mô hình hoá kết cấu là liên kết cứng hay khớp tuyệt đối. Bài viết này trình bày cách tính toán độ cứng liên kết chân cột thép (Base plate) theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và ứng dụng thành bảng tính để thuận lợi cho công tác thiết kế xây dựng.

Mô hình cơ cấu của liên kết chân cột thép

Liên kết chân cột cơ bản gồm bản đế (base plate) và các hàng bulông chịu nhổ, chịu nén với cánh tay đòn $z_{tl}, z_{cr}$. Nội lực tính toán tại chân cột do liên kết chịu là lực dọc chịu nén $N_{sd}$ và moment uốn $M_{sd}$.

Xác định độ cứng đàn hồi ban đầu của liên kết chân cột

Độ cứng đàn hồi ban đầu khi chịu xoay của bản đế chân cột định nghĩa theo công thức:

$$s_{j.ini}=\frac{M_{sd}}{\phi}$$

$\phi$: góc xoay của bản đế khi chịu moment:

$$\phi=\frac{\delta_{t,l}+\delta_{c,r}}{z}=\frac{1}{Ez^2}\left(\frac{M_{sd}+N_{sd}z_{c,r}}{k_{t,l}}+\frac{M_{sd}-N_{sd}z_{t,l}}{k_{c,r}}\right)$$

$E$: module đàn hồi của thép

$k_b$: hệ số độ cứng của bulông theo phương pháp thành phần liên kết, được định nghĩa theo:

$$k_b=\frac{F}{E\delta_b}=2\frac{A_s}{L_b}$$

$A_s$: diện tích tiết diện toàn phần của bulông neo

$L_b$: chiều dài của bulông neo

Đánh giá loại liên kết

Theo tiêu chuẩn Eurocode 3, nếu

$$30\frac{EI_c}{L_c}<s_{j.ini}$$

thì liên kết được coi là cứng (ngàm) tuyệt đối.

$I_c$: moment quán tính của tiết diện cột thép

$L_c$: chiều dài cột

Trường hợp ngược lại, liên kết là ngàm đàn hồi (semi-rigid) với độ cứng chống xoay bằng $s_{j.ini}$. Nếu $30\frac{EI_c}{L_c}$ rất lớn so với $s_{j.ini}$, liên kết được xem là khớp trong thiết kế kết cấu.

Tham khảo bảng tính toán độ cứng của liên kết tại đây