Nút liên kết được tiền chứng nhận cho ứng dụng chịu động đất

12.1 Dự án EQUALJOINTS

Dự án nghiên cứu châu Âu EQUALJOINTS cung cấp các tiêu chí tiền chứng nhận cho nút liên kết thép phục vụ phiên bản tiếp theo của EN 1998-1. Hoạt động nghiên cứu bao gồm việc chuẩn hóa các quy trình thiết kế và chế tạo cho một tập hợp các loại liên kết bu lông và tiết diện dầm giảm yếu bằng hàn với các cấu kiện nặng được thiết kế để đáp ứng các mức độ hiệu năng khác nhau. Ngoài ra còn có việc phát triển một giao thức gia tải mới cho tiền chứng nhận châu Âu, đại diện cho nhu cầu chịu động đất của châu Âu. Chiến dịch thực nghiệm dành riêng cho việc xác định đặc tính chu kỳ của cả thép carbon nhẹ châu Âu và bu lông cường độ cao đã đạt được ứng xử yêu cầu cho bốn loại nút liên kết được tiền chứng nhận: nút liên kết bu lông có gia cường, nút liên kết bu lông bản mã đầu dầm mở rộng không có sườn tăng cứng, nút liên kết bu lông bản mã đầu dầm mở rộng có sườn tăng cứng, và nút liên kết tiết diện dầm giảm yếu bằng hàn; xem Hình 12.1.1. Các kết quả đạt được bằng thực nghiệm trong dự án EQUALJOINTS được tóm tắt trong (Stratan et al. 2017) và (Tartaglia and D'Aniello, 2017).

Hình 12.1.1 Các nút liên kết kết cấu được tiền chứng nhận trong dự án EQUALJOINTS

12.2 Nút liên kết bản mã đầu dầm

Các liên kết bu lông bản mã đầu dầm mở rộng có sườn tăng cứng là phổ biến nhất trong các ngành chế tạo kết cấu thép châu Âu và được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn châu Âu như các nút liên kết chịu mô men trong khung thép thấp tầng và trung tầng nhờ tính đơn giản và kinh tế trong chế tạo và lắp dựng. Các tiêu chí thiết kế và các yêu cầu liên quan cho nút liên kết dầm-cột bu lông bản mã đầu dầm mở rộng có sườn tăng cứng đã được nghiên cứu sâu và thảo luận kỹ lưỡng, hiện được quy định trong EN 1998-1:2005 dựa trên nghiên cứu tham số bằng phân tích phần tử hữu hạn. Đáng tiếc là quy trình thiết kế theo khả năng chịu lực chỉ được phát triển trong khuôn khổ phương pháp cấu kiện. Nó cũng tính đến sự hiện diện của sườn tăng cứng và có khả năng kiểm soát ứng xử của nút liên kết ở các mức độ hiệu năng khác nhau.

Nút liên kết bu lông bản mã đầu dầm mở rộng không có sườn tăng cứng thường được sử dụng trong thi công kết cấu thép để liên kết dầm thép tiết diện I hoặc H với cột thép tiết diện I hoặc H trong trường hợp cần truyền mô men uốn đáng kể. Cấu hình này cho phép lắp dựng dễ dàng bằng bu lông trong khi việc hàn bản mã đầu dầm vào dầm được thực hiện tự động tại xưởng. Khả năng chịu uốn của liên kết thường thấp hơn khả năng chịu uốn của các cấu kiện được liên kết. Do đó, các nút liên kết như vậy được coi là liên kết bán cứng. Đạt được tình huống cường độ bằng nhau, trong đó khả năng chịu lực dẻo của nút liên kết xấp xỉ bằng khả năng chịu lực dẻo của tiết diện dầm, có thể đạt được thông qua thiết kế phù hợp. Độ dẻo uốn của chúng phụ thuộc nhiều vào cấu tạo chi tiết của nút liên kết, điều này ảnh hưởng đến dạng phá hoại (Jaspart, 1997). Nếu cấu kiện của nút liên kết chi phối sự phá hoại là cấu kiện dẻo, và nếu khả năng chịu lực của các cấu kiện giòn đang hoạt động cao hơn đáng kể, thì có thể đạt được ứng xử dẻo của nút liên kết. Trong trường hợp ngược lại, không nên dựa vào khả năng của nút liên kết để hình thành khớp dẻo và phân phối lại nội lực để hấp thụ năng lượng trong vùng chịu động đất.

Đối với các liên kết chịu mô men tiết diện dầm giảm yếu bằng hàn, còn được gọi là dog-bone, hai chiến lược chính được áp dụng là tăng cường liên kết hoặc làm yếu dầm. Trong hai lựa chọn này cho dạng cắt giảm tiết diện, cắt theo bán kính có xu hướng thể hiện ứng xử dẻo tương đối hơn, làm chậm sự phá hoại cuối cùng (Jones et al. 2002). Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy các cấu kiện dầm tiết diện giảm yếu dễ bị oằn xoắn ngang hơn do diện tích cánh giảm. Các nghiên cứu thực nghiệm và phân tích tiếp theo tập trung vào việc áp dụng cột sâu (Zhang and Ricles, 2006) chỉ ra rằng sự hiện diện của sàn bê tông liên hợp có thể làm giảm đáng kể lượng xoắn phát triển trong cột, vì nó cung cấp giằng cho dầm và giảm chuyển vị ngang của cánh dưới.

Theo quy trình thiết kế được phát triển trong dự án EQUALJOINTS, nút liên kết bao gồm ba cấu kiện vĩ mô: bản bụng cột, vùng liên kết và vùng dầm; xem Hình 12.2.1. Mỗi cấu kiện vĩ mô được thiết kế riêng lẻ theo các giả định cụ thể, sau đó áp dụng các tiêu chí thiết kế theo khả năng chịu lực để đạt được ba mục tiêu thiết kế khác nhau được xác định để đánh giá nút liên kết: nút liên kết cường độ đầy đủ, cường độ bằng nhau và cường độ một phần. Nút liên kết cường độ đầy đủ được thiết kế để đảm bảo sự hình thành tất cả các biến dạng dẻo vào dầm, phù hợp với quy tắc thiết kế theo khả năng chịu lực cột mạnh – dầm yếu của EN 1998-1:2005. Nút liên kết cường độ bằng nhau về mặt lý thuyết được đặc trưng bởi sự chảy dẻo đồng thời của tất cả các cấu kiện vĩ mô, tức là liên kết, bản bụng và dầm. Nút liên kết cường độ một phần được thiết kế để phát triển biến dạng dẻo chỉ trong liên kết hoặc bản bụng cột. Theo khả năng chịu lực của các cấu kiện vĩ mô liên kết và bản bụng cột cho cả nút liên kết cường độ bằng nhau và cường độ một phần, có thể đưa ra thêm một phân loại bổ sung. Đối với bản bụng mạnh, nhu cầu dẻo tập trung vào liên kết đối với nút liên kết cường độ một phần hoặc vào liên kết và dầm đối với nút liên kết cường độ bằng nhau. Đối với bản bụng cân bằng, nhu cầu dẻo được phân phối giữa liên kết và bản bụng cột đối với nút liên kết cường độ một phần và trong liên kết, bản bụng và dầm đối với nút liên kết cường độ bằng nhau. Đối với bản bụng yếu, nhu cầu dẻo tập trung vào bản bụng cột đối với nút liên kết cường độ một phần hoặc vào bản bụng và dầm đối với nút liên kết cường độ bằng nhau.

Hình 12.2.1 Phân chia nút liên kết thành các cấu kiện vĩ mô

Độ dẻo của nút liên kết phụ thuộc vào loại dạng phá hoại và khả năng biến dạng dẻo tương ứng của cấu kiện được kích hoạt. Khả năng biến dạng có thể được dự đoán sơ bộ bằng cách thỏa mãn các tiêu chí được phát triển cho phương pháp cấu kiện hoặc được tính toán chính xác hơn bằng CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện). Các ví dụ về thiết kế hai cấu hình nút liên kết được tiền chứng nhận được mô tả trong tài liệu dự án EQUALJOINTS và tiêu chuẩn ANSI/AISC358-16 được trình bày dưới đây, xem xét ứng xử của các cấu kiện vĩ mô một cách riêng biệt.

12.2.1 Kiểm tra xác nhận

Các mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) về độ cứng, khả năng chịu tải và khả năng biến dạng của các nút liên kết được tiền chứng nhận đã được Montenegro (2017) kiểm tra xác nhận trên một tập hợp các thí nghiệm có sẵn từ dự án EQUALJOINTS. Các ví dụ về giải pháp kết cấu được thể hiện trong Hình 12.2.2. Kết quả kiểm tra xác nhận dạng phá hoại được trình bày trong Hình 12.2.3. Tóm tắt kiểm tra xác nhận khả năng chịu lực và khả năng biến dạng ở biến dạng 15 % được trình bày trong Hình 12.2.4 và 12.2.5.

Hình 12.2.2 Các nút liên kết được sử dụng để kiểm tra xác nhận và kiểm tra a) EH2-TS-35-M và EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M và ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M và E2-TS-E-M

Hình 12.2.3 Kiểm tra xác nhận dạng phá hoại của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) trên nút liên kết bản mã đầu dầm mở rộng có gia cường E1-TS-F-C2 (Tartaglia and D'Aniello, 2017)

Hình 12.2.4 Kiểm tra xác nhận khả năng chịu lực của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) trên các thí nghiệm từ dự án EQUALJOINTS

Hình 12.2.5 Kiểm tra xác nhận khả năng xoay của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) trên các thí nghiệm từ dự án EQUALJOINTS

12.2.2 Kiểm tra

Mô hình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) đã được kiểm tra so với phương pháp cấu kiện theo Ch. 6 trong EN 1993-1-8:2006. Kết quả được chọn lọc được trình bày trong Bảng 12.2.1 và Hình 12.2.6. Kết quả cho thấy sự mất độ chính xác của phương pháp cấu kiện đối với các nút liên kết lớn hơn, nơi giả định thô về cánh tay đòn chi phối độ chính xác.

Bảng 12.2.1 Kiểm tra CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) so với phương pháp cấu kiện

Hình 12.2.6 Kiểm tra khả năng chịu lực của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) so với phương pháp cấu kiện

Ba nút liên kết có gia cường một phía được mô tả chi tiết hơn trong (Landolfo et al. 2017) và (Equaljoints application). Các nút liên kết được tải bởi cả mô men uốn dương và âm cùng với lực cắt tương ứng. Bản bụng cột được gia cường bằng bản tăng cứng, do đó các cấu kiện quyết định là các T-stub của bản mã đầu dầm hoặc cánh cột. Trục xoay được giả định tại tâm của cánh trên dầm đối với mô men uốn dương và ở giữa phần gia cường đối với mô men uốn âm. Vị trí khớp dẻo được giả định tại mặt bản tăng cứng ở cuối phần gia cường. Mô men uốn tại mặt cột được sử dụng để kiểm tra liên kết được tăng thêm bởi lực cắt tương ứng; xem Hình 12.2.7.

Hình 12.2.7 Vị trí khớp dẻo, biểu đồ mô men uốn trong nút liên kết có gia cường

Bảng 12.2.2 Khả năng chịu lực của các cấu kiện theo phương pháp cấu kiện cho nút liên kết có gia cường

Hệ số tăng bền do biến dạng được chọn là 1,2 theo đề xuất của EN 1993-1-8:2006 và báo cáo cuối cùng của dự án Equaljoints (EN 1998-1:2005 đề xuất giá trị 1,1). Hệ số vượt cường độ được giả định là 1,25 (Landolfo et al. 2017). Tất cả thép đều là cấp S355. Khả năng chịu lực của các cấu kiện riêng lẻ được tóm tắt trong Bảng 12.2.2. Các kiểm tra in đậm là không đạt. Lưu ý rằng khả năng chịu lực của phần gia cường là khả năng chịu lực dẻo của tiết diện dầm có phần gia cường tại bản mã đầu dầm. Cường độ của dầm được giả định tăng theo hệ số vượt cường độ tại vị trí khớp dẻo nhưng không tại bản mã đầu dầm. Nếu hệ số vượt cường độ cũng được áp dụng tại bản mã đầu dầm, khả năng chịu lực này sẽ cao hơn. Do đó, khả năng chịu lực thấp nhất tiếp theo, T-stub – bản mã đầu dầm, được giả định chi phối khả năng chịu lực của nút liên kết số 267. Không có nút liên kết nào được khảo sát đáp ứng yêu cầu cho nút liên kết cường độ đầy đủ. Tuy nhiên, khả năng chịu lực rất gần, và các nút liên kết là cường độ bằng nhau. Bản bụng cột trong tất cả các trường hợp đều mạnh.

Dạng phá hoại quyết định theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) là phá hoại bu lông kèm theo chảy dẻo của các bản, chủ yếu là bản mã đầu dầm, cánh cột và phần gia cường. Theo CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), nút liên kết số 4.2 và số 264 là cường độ đầy đủ và nút liên kết số 267 là cường độ bằng nhau. Bản bụng cột trong tất cả các trường hợp đều mạnh.

Hình 12.2.8 Biến dạng tại khả năng chịu lực cho a) toàn bộ nút liên kết, b) chỉ cấu kiện vĩ mô liên kết bản mã đầu dầm bu lông, c) chỉ cấu kiện vĩ mô bản bụng cột chịu cắt với bản tăng cứng, d) chỉ cấu kiện vĩ mô dầm

12.2.3 Nút liên kết bản mã đầu dầm mở rộng không có sườn tăng cứng

Để nghiên cứu độ nhạy, một nút liên kết bản mã đầu dầm mở rộng không có sườn tăng cứng được tiền chứng nhận đã được chọn. Dầm IPE 450 được liên kết với cột HEB 300 bằng bản mã đầu dầm mở rộng dày 25 mm với mười hai bu lông M30 10.9, có và không có bản tăng cứng bụng dày 10 mm. Thép cấp S 355 được sử dụng cho tất cả các bản. Để xác định đóng góp của từng cấu kiện vĩ mô riêng biệt, biểu đồ vật liệu của cấu kiện vĩ mô được chọn là đàn hồi-dẻo, trong khi phần còn lại của nút liên kết chỉ có biểu đồ vật liệu đàn hồi. Biến dạng tại khả năng chịu lực của toàn bộ nút liên kết, bản bụng cột chịu cắt chỉ với bản tăng cứng, và chỉ liên kết bản mã đầu dầm bu lông được so sánh với chỉ cấu kiện vĩ mô dầm trong Hình 12.2.8. Ảnh hưởng của từng cấu kiện vĩ mô đến ứng xử của nút liên kết được trình bày trong Hình 12.2.9, trong đó bản bụng cột có và không có bản tăng cứng được thể hiện. Ứng xử của nút liên kết cho thấy khả năng chịu lực cao hơn của cấu kiện vĩ mô liên kết.

Hình 12.2.9 Ảnh hưởng của các cấu kiện vĩ mô, bản bụng cột có bản tăng cứng chịu cắt,
liên kết bản mã đầu dầm bu lông và dầm đến ứng xử của toàn bộ nút liên kết

12.2.4 Vị trí tâm nén

Đối với nút liên kết bản mã đầu dầm, EN 1993-1-8:2006 quy định rằng tâm nén nằm ở giữa chiều dày cánh dầm, hoặc tại đỉnh phần gia cường trong trường hợp nút liên kết có gia cường. Kết quả thực nghiệm và số cho thấy vị trí tâm nén phụ thuộc vào cả loại nút liên kết và nhu cầu xoay do sự hình thành các dạng dẻo với mức độ tham gia khác nhau của từng cấu kiện nút liên kết (Landolfo et al. 2017). Theo quy trình thiết kế phương pháp cấu kiện được đề xuất và dựa trên cả kết quả thực nghiệm và số, tiếp xúc tại khoảng trọng tâm của tiết diện tạo bởi cánh dầm và các sườn tăng cứng được kỳ vọng, đối với nút liên kết bản mã đầu dầm có sườn tăng cứng hoặc tại khoảng 0,5 chiều cao phần gia cường trong trường hợp nút liên kết có gia cường. Giả định thô này được làm chính xác hơn bởi quy trình CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), cho các giá trị chính xác trong quá trình gia tải và chảy dẻo ban đầu của các bộ phận nút liên kết.

Các kết quả được trình bày cho thấy độ chính xác tốt của CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện) được kiểm tra so với ROFEM đã được kiểm tra xác nhận với các thí nghiệm EQUALJOINTS và phương pháp cấu kiện. Điều này mang lại khả năng xem xét ứng xử của các cấu kiện vĩ mô một cách riêng biệt và vị trí trục trung hòa một cách chính xác theo tải trọng/chảy dẻo.

12.3 Nút liên kết tiết diện dầm giảm yếu bằng hàn

Một nút liên kết tiết diện dầm giảm yếu bằng hàn được tiền chứng nhận theo ANSI/AISC 358-16 đã được chọn cho nghiên cứu này. Dầm IPE 450 được liên kết với cột HEB 300 bằng hàn đối đầu tại các cánh và bản mã liên kết đơn dày 12 mm với ba bu lông M30 10.9 được siết chặt trước, có và không có bản tăng cứng bụng dày 10 mm; xem Hình 12.3.1. Tất cả thép sử dụng đều là cấp S355.

Biến dạng tại khả năng chịu lực cực hạn của toàn bộ nút liên kết và cấu kiện vĩ mô bản bụng cột chịu cắt chỉ với bản tăng cứng được thể hiện trong Hình 12.3.2. Ảnh hưởng của từng cấu kiện vĩ mô đến ứng xử của nút liên kết được trình bày trong Hình 12.3.3, trong đó bản bụng cột có và không có bản tăng cứng được thể hiện. Nút liên kết cho thấy khả năng chịu lực của các cấu kiện vĩ mô nút liên kết được tối ưu hóa tốt.

Hình 12.3.1 Nút liên kết tiết diện dầm giảm yếu, a) dầm với tiết diện giảm yếu, b) bản bụng cột có bản tăng cứng chịu cắt, liên kết bản mã đầu dầm bu lông,

Hình 12.3.2 Biến dạng tại khả năng chịu lực cho a) toàn bộ nút liên kết và b) chỉ cấu kiện vĩ mô bản bụng cột có bản tăng cứng chịu cắt 

Hình 12.3.3 Ảnh hưởng của các cấu kiện vĩ mô đến ứng xử của toàn bộ nút liên kết trên biểu đồ M-φ

Tài liệu tham khảo

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Thiết kế kết cấu thép – Phần 1-8: Thiết kế nút liên kết, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Đánh giá thực nghiệm các liên kết chịu mô men tiết diện dầm giảm yếu chịu tải chu kỳ. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Thiết kế kết cấu thép cho công trình trong vùng chịu động đất, Sổ tay thiết kế Eurocode của ECCS. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Tiền chứng nhận thực nghiệm các liên kết dầm-cột bu lông bản mã đầu dầm mở rộng có gia cường. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Hiệu năng phi tuyến của nút liên kết dầm-cột bu lông bản mã đầu dầm mở rộng có sườn tăng cứng chịu tải trọng tháo cột. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Đánh giá thực nghiệm các liên kết tiết diện dầm giảm yếu với cột sâu. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.