Lý thuyết thiết kế liên kết mặt bích (EN 1993-1-8)

Lý thuyết đằng sau tool tính liên kết mặt bích này: cách kiểm tra một bản thép được hàn vào đầu dầm và bắt bu lông vào cấu kiện đỡ theo Eurocode 3 (EN 1993-1-8) cùng các quy định SCI P358/P398, cho cả bản mặt bích chịu cắt (khớp) và bản mặt bích chịu mô men. Bài viết trình bày nhóm mối hàn, cắt bản bụng dầm phụ, nhóm bu lông (cắt kèm hệ số giảm mối nối dài và ép mặt), cắt nguyên/thực/khối bản mặt bích, và cấu kiện T tương đương vùng kéo (Dạng 1 chảy dẻo bản, Dạng 2 bu lông kết hợp chảy dẻo, Dạng 3 phá hoại bu lông) cùng tương tác cắt-kéo đồng thời của bu lông.

Liên kết mặt bích nối dầm thép vào cấu kiện đỡ thông qua một bản thép được hàn vào đầu dầm và liên kết bu lông vào cấu kiện đỡ - bản bụng dầm chính hoặc cột. Đây là một trong những liên kết thép linh hoạt nhất: bản mặt bích cao một phần hoặc phẳng làm việc như liên kết chịu cắt (khớp), còn bản phẳng cao hơn hoặc bản kéo dài còn truyền được mô men. Trang này trình bày cơ học và toàn bộ công thức của các kiểm tra mà tool thực hiện theo Eurocode 3 (EN 1993-1-8) cùng các quy định bổ sung của SCI Publication P358 và P398.

Bản mặt bích được hàn vào đầu dầm và bắt bu lông vào cấu kiện đỡ; bu lông xuyên qua bản vào cấu kiện đỡ, chủ yếu chịu cắt (khớp) hoặc chịu kéo (mô men).

Khung kiểm tra

Mọi dạng phá hoại đều được kiểm tra - ở mối hàn, bản bụng dầm phụ, nhóm bu lông, bản mặt bích và (với liên kết chịu mô men) vùng chịu kéo. Với mỗi kiểm tra, tác dụng thiết kế không được vượt quá khả năng thiết kế, tức mức huy động không vượt quá 1,0.

Nhóm mối hàn và bản bụng dầm

Các mối hàn góc giữa bản bụng dầm và bản mặt bích chịu phản lực dầm theo phương cắt. Ứng suất tác dụng trên một đơn vị chiều dài là $\tau_{Ed} = V_{Ed}/(2 l_w)$ trên hai đường hàn và không được vượt quá khả năng dọc của mối hàn góc $F_{w,L,Rd}$. Bản bụng dầm phụ sau đó được kiểm tra chịu cắt trên diện tích cắt của tiết diện cán:

Nhóm bu lông

Khả năng chịu cắt một bu lông là $F_{v,Rd} = \alpha_v f_{ub} A_s / \gamma_{M2}$ ($\alpha_v = 0.6$ với cấp 4.6 / 8.8, $0.5$ với 10.9), giảm theo hệ số mối nối dài $\beta_{Lj}$ khi mối nối vượt quá $15 d$. Do bu lông của bản mặt bích chịu mô men có thêm lực kéo, khả năng cắt của nhóm mang hệ số giảm 0,8 theo SCI P358:

Khả năng ép mặt trên bản mặt bích, $F_{b,Rd} = k_1\alpha_b f_{u,p} d t_p / \gamma_{M2}$, được kiểm tra song song và có thể chi phối với bản mỏng.

Khả năng bản mặt bích

Bản mặt bích được kiểm tra ba dạng cắt, mỗi dạng trên hai mặt phẳng cắt đứng:

• Cắt tiết diện nguyên - $V_{Rd,g} = (2 h_p t_p/1.27)\,f_{y,p}/(\sqrt3\gamma_{M0})$.
• Cắt tiết diện thực qua lỗ bu lông - $V_{Rd,n} = A_{v,net} f_{u,p}/(\sqrt3\gamma_{M2})$.
• Cắt khối - một khối đồng tâm bị xé dọc theo các hàng bu lông, $V_{Rd,b} = 2(f_u A_{nt}/\gamma_{M2} + f_y A_{nv}/(\sqrt3\gamma_{M0}))$ (EN 1993-1-8 §3.10.2).

Vùng chịu kéo - cấu kiện T tương đương

Với liên kết chịu mô men, mô men được quy về lực kéo trên các hàng bu lông phía trên, $F_{t,Ed} = M / r$, trong đó $r$ là cánh tay đòn giữa hai cánh dầm. Bản mặt bích quanh các bu lông chịu kéo làm việc như một cấu kiện T tương đương (EN 1993-1-8 §6.2.4) và có thể phá hoại theo ba dạng:

Hàng bu lông chịu kéo cùng bản mặt bích quanh nó tạo thành cấu kiện T tương đương. Dạng 1 = chảy dẻo hoàn toàn của bản kèm lực bẩy; Dạng 2 = phá hoại bu lông kèm chảy dẻo bản; Dạng 3 = phá hoại kéo bu lông.

• Dạng 1 (chảy dẻo bản) - $F_{T,1,Rd} = (8n - 2e_w)M_{pl,1,Rd}/(2mn - e_w(m+n))$.
• Dạng 2 (bu lông + chảy dẻo bản) - $F_{T,2,Rd} = (2M_{pl,2,Rd} + n\sum F_{t,Rd})/(m+n)$.
• Dạng 3 (phá hoại bu lông) - $F_{T,3,Rd} = \sum F_{t,Rd}$, với $F_{t,Rd} = 0.9 f_{ub} A_s/\gamma_{M2}$.

Khả năng chịu kéo của bản mặt bích là giá trị nhỏ nhất, $F_{t,ep,Rd} = \min(F_{T,1,Rd}; F_{T,2,Rd}; F_{T,3,Rd}) \ge F_{t,Ed}$. Mô men dẻo dùng chiều dài hữu hiệu $l_{eff}$ của cấu kiện T:$M_{pl,Rd} = 0.25\,l_{eff}\,t_p^{2} f_{y,p}/\gamma_{M0}$, với $m = (p_3 - t_{wc} - 1.6 r_c)/2$ là khoảng cách bu lông tới bản bụng.

Cắt và kéo đồng thời

Bu lông chịu kéo cũng gánh phần lực cắt, nên mỗi bu lông được kiểm tra tác dụng đồng thời (EN 1993-1-8 Bảng 3.4):

Quy định cấu tạo (SCI P358)

• với bản mặt bích chịu cắt (khớp), giữ bản mỏng ($t_p \le 12$ mm thông thường) để xoay được như khớp;
• dùng bu lông M20 cấp 8.8 trong lỗ 22 mm làm cấu tạo tiêu chuẩn;
• khoảng cách mép và đầu $\ge 1.2 d_0$; bước và khoảng cách ngang trong giới hạn EN 1993-1-8;
• với bản mặt bích chịu mô men, bản kéo dài với bu lông ngoài cánh làm tăng cánh tay đòn và khả năng chịu mô men.

Câu hỏi thường gặp

Sẵn sàng kiểm tra liên kết? Chạy toàn bộ kiểm tra EN 1993-1-8 / SCI P358 cho liên kết mặt bích trên mô hình 3D, với các bước suy diễn chi tiết cho mọi kiểm tra.