Mô hình kết cấu của khối bê tông

Mô hình thiết kế

Trong CBFEM (phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cấu kiện), việc đơn giản hóa khối bê tông thành các phần tử tiếp xúc 2D là thuận tiện. Liên kết giữa bê tông và bản mã chân cột chỉ chịu nén. Lực nén được truyền qua mô hình nền Winkler-Pasternak, mô phỏng biến dạng của khối bê tông. Lực kéo giữa bản mã chân cột và khối bê tông được chịu bởi các bu lông neo. Lực cắt được truyền qua ma sát giữa bản mã chân cột và khối bê tông, qua chốt chịu cắt và qua uốn của bu lông neo cùng với ma sát. Khả năng chịu cắt của bu lông được đánh giá theo phương pháp giải tích. Ma sát và chốt chịu cắt được mô hình hóa như một ràng buộc điểm đơn hoàn toàn trong mặt phẳng tiếp xúc giữa bản mã chân cột và bê tông.

Độ cứng biến dạng

Độ cứng của khối bê tông có thể được dự đoán cho thiết kế chân cột như một bán cầu đàn hồi. Mô hình nền Winkler-Pasternak thường được sử dụng để tính toán đơn giản hóa cho móng. Độ cứng của nền được xác định bằng mô đun đàn hồi của bê tông và chiều cao hiệu dụng của nền như sau:

$$k = \frac{E_c}{(\alpha_1 + \upsilon) \sqrt{\frac{A_{eff}}{A_{ref}}}} \left( \frac{1}{\frac{h}{a_2 d} + a_3}+a_4 \right)$$

trong đó:

• k – độ cứng của nền bê tông khi chịu nén
• E_c – mô đun đàn hồi của bê tông
• υ – hệ số Poisson của khối bê tông
• A_eff – diện tích hiệu dụng chịu nén
• A_ref = 1 m² – diện tích tham chiếu
• d – chiều rộng bản mã chân cột
• h – chiều cao khối bê tông
• a₁ = 1.65; a₂ = 0.5; a₃ = 0.3; a₄ = 1.0 – các hệ số

Đơn vị SI phải được sử dụng trong công thức, đơn vị kết quả là N/m³.

Truyền lực cắt tại bản mã chân cột

Lực cắt tại bản mã chân cột có thể được truyền bằng ba phương tiện:

• Ma sát
• Chốt chịu cắt
• Neo

Người dùng có thể chọn phương tiện bằng cách chỉnh sửa thao tác bản mã chân cột. Không cho phép kết hợp các phương tiện trong phần mềm, tuy nhiên, EN 1993-1-8 – Điều 6.2.2 và Fib 58 – Chương 4.2 cho phép kết hợp truyền lực cắt bằng neo và ma sát trong một số điều kiện nhất định. Nhìn chung, việc bỏ qua ma sát trong thiết kế neo là thiên về an toàn, mặc dù trong một số trường hợp có thể dẫn đến đánh giá thấp nứt bê tông ở trạng thái giới hạn sử dụng. Theo nguyên tắc, khả năng chịu ma sát nên được bỏ qua nếu:

• chiều dày lớp vữa vượt quá một nửa đường kính neo,
• khả năng neo bị chi phối bởi điều kiện gần cạnh,
• neo được thiết kế để chịu tải trọng động đất.

Việc kết hợp với chốt chịu cắt không bao giờ được phép do tính tương thích biến dạng.

Truyền lực cắt bằng ma sát

Khả năng chịu cắt bằng ma sát bằng hệ số an toàn chịu lực nhân với hệ số ma sát có thể chỉnh sửa trong Thiết lập tiêu chuẩn và tải trọng nén. Tải trọng nén bao gồm tất cả các lực, ví dụ trong trường hợp chân cột chịu lực nén và mô men uốn, tải trọng nén dùng để tính khả năng chịu cắt bằng ma sát có thể lớn hơn lực nén tác dụng.

Truyền lực cắt bằng chốt chịu cắt

Chốt chịu cắt được mô phỏng như một đoạn nhô được bọc trong bê tông bên dưới bản mã chân cột. Lực cắt được ước tính truyền qua phân bố tải trọng đều tác dụng lên toàn bộ phần chốt chịu cắt được chôn trong khối bê tông, tức là tất cả các nút của chốt chịu cắt bên dưới bề mặt bê tông đều chịu tải đều. Phần chốt chịu cắt phía trên bề mặt bê tông trong vữa không được giả định là truyền lực cắt.

Lưu ý rằng cánh tay đòn giữa lực cắt tác dụng (tại bản mã chân cột) và khả năng chịu cắt (nửa chiều cao của chốt chịu cắt được chôn trong bê tông) tạo ra mô men uốn phải được truyền bởi lực nén trong bê tông và lực kéo trong các neo.

Chốt chịu cắt bao gồm các phần tử hữu hạn dạng vỏ và được kiểm tra như các bản thông thường. Ngoài ra, các mối hàn của chốt chịu cắt với bản mã chân cột được kiểm tra theo các quy trình tiêu chuẩn trong IDEA StatiCa Connection. Tính toán thủ công thường giả định lý thuyết dầm cho chốt chịu cắt, mặc dù không chính xác vì tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng rất nhỏ đối với chốt chịu cắt. Do đó, có thể có sự khác biệt đáng kể giữa IDEA StatiCa Connection và tính toán thủ công.

Truyền lực cắt bằng neo

Khả năng chịu cắt được xác định bởi khả năng chịu cắt của các neo. Khả năng chịu lực của thép trong neo có đường cong tải trọng - biến dạng đàn hồi - dẻo, nhưng các dạng phá hoại do bê tông được coi là hoàn toàn giòn.