Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823-3:2017 về Thiết kế cầu đường bộ - Phần 3: Tải trọng và hệ số tải trọng quy định chi tiết các nguyên lý và phương pháp tính toán lực phát sinh do xuất hiện chốt dẻo (khớp dẻo) trong cột, làm cơ sở thiết kế kháng chấn và bảo đảm an toàn kết cấu cầu. Dưới đây là tóm tắt chi tiết các nội dung cốt lõi của quy định này:

Lực phát sinh do xuất hiện chốt dẻo được xác định khi cột đạt tới khả năng chịu mô men cực hạn. Quy chuẩn đưa ra hai phương pháp tính toán chính:

• Phương pháp dùng cho chốt dẻo cột đơn xuất hiện quanh hai trục chính: Áp dụng cho các trụ và trụ khung làm việc độc lập như cột đơn.
• Phương pháp dùng cho trụ khung nhiều cột trong mặt phẳng xà mũ.

Các lực này được tính toán dựa trên sức kháng vượt cường độ tiềm năng của vật liệu, làm cơ sở thiết kế chi tiết mặt cắt cột tại vị trí có khả năng xuất hiện chốt dẻo.

Sức kháng vượt cường độ thực tế của cột thường lớn hơn giá trị danh định do các yếu tố sau:

• Kích thước thực tế của cột và lượng cốt thép thực tế được bố trí trong cột.
• Hiệu ứng tăng cường độ của thép vượt quá giới hạn chảy danh định (fy) do hiện tượng biến cứng ứng biến.
• Sự gia tăng cường độ chịu nén của bê tông so với cường độ danh định (f'c) nhờ hiệu ứng kiềm chế nở hông của cốt thép đai và sự phát triển cường độ theo thời gian.
• Ứng biến nén tới hạn thực tế của bê tông lớn hơn giá trị giả định thông thường là 0,003.

Người thiết kế nên tối ưu hóa kích thước cột và tỷ lệ cốt thép ở mức tối thiểu để thỏa mãn yêu cầu chịu lực. Việc tăng kích thước và cốt thép không cần thiết sẽ làm tăng sức kháng vượt cường độ, dẫn đến tăng kích thước móng và chi phí xây dựng. Đối với vùng động đất mạnh, việc lựa chọn thông số thiết kế nằm ở phía dưới đỉnh lồi của đường cong tương tác là phương án tối ưu nhất.

Để tính toán sức kháng vượt cường độ một cách chính xác và an toàn, tiêu chuẩn đưa ra các định mức gia tăng vật liệu như sau:

• Cốt thép: Cường độ chảy thực tế của cốt thép thường cao hơn quy định từ 12% đến 30%. Khi tính toán sức kháng vượt cường độ, cường độ chảy của cốt thép được phép tăng lên bằng 1,25 lần cường độ chảy danh định (1,25fy).
• Bê tông: Cường độ bê tông thực tế tại hiện trường thường cao hơn 20-25% so với thiết kế 28 ngày và tiếp tục tăng theo thời gian (có thể đạt 1,5f'c sau nhiều năm). Dưới tác động của cốt thép đai kiềm chế nở hông và hiệu ứng tốc độ ứng biến khi có động đất, cường độ bê tông được phép giả định tăng lên bằng 1,5 lần cường độ danh định (1,5f'c).
• Ứng biến chịu nén cực hạn (εc): Mặc dù ứng biến phá hoại lý thuyết là 0,003, các thí nghiệm thực tế cho thấy ứng biến chịu nén cực hạn của cột có thể đạt tới 0,01 hoặc cao hơn. Tiêu chuẩn cho phép người thiết kế giả thiết giá trị ứng biến tới hạn thực tế là 0,01. Đồng thời, chiều dày lớp bê tông bảo vệ dùng để tính mặt cắt vượt cường độ không được vượt quá 50 mm.

Sức kháng vượt cường độ được xác định thông qua việc hiệu chỉnh đường cong tương tác cường độ danh định (Pn, Mn) theo các nguyên tắc:

• Đối với cầu có tải trọng dọc trục thấp hơn lực dọc trục cân bằng (Pb): Sức kháng mô men vượt cường độ được tính bằng 1,3 lần sức kháng mô men danh định (1,3Mn).
• Đối với cầu ở vùng động đất cấp 2 (có cấu tạo chốt dẻo) và cầu ở vùng động đất cấp 3 có cấp phân loại khai thác "thông thường": Đường cong sức kháng vượt cường độ cho tải trọng dọc trục lớn hơn Pb được xác định gần đúng bằng cách nhân cả Pn và Mn với hệ số 1,3 (tức là 1,3Pn, 1,3Mn).
• Đối với cầu ở vùng động đất cấp 3 có cấp khai thác "đặc biệt quan trọng" hoặc "thiết yếu": Đường cong sức kháng vượt cường độ cho tải trọng dọc trục lớn hơn Pb phải được tính toán chi tiết dựa trên các giá trị gia tăng vật liệu khuyến nghị (1,25fy, 1,5f'c, 0,01εc) hoặc kết quả thí nghiệm thực tế, nhưng không được nhỏ hơn giá trị tính theo phương pháp gần đúng (1,3Pn, 1,3Mn).

Phá hoại do lực cắt trong cột và trụ có tính chất đột ngột và nguy hiểm, dễ dẫn đến sập đổ một phần hoặc toàn bộ công trình. Do đó, thiết kế chống cắt phải được thực hiện cực kỳ cẩn trọng và thiên về an toàn theo các nguyên tắc:

• Xác định chính xác các vị trí có tiềm năng xuất hiện khớp dẻo như: đỉnh hoặc đáy của đoạn cột loe, phần đỉnh tường (đối với trụ khung nhiều cột có thân tường liên kết), trên bệ móng/bệ cọc (đối với cột chôn sâu), hoặc phía trên điểm ngàm tính toán (đối với trụ cọc nạng chống).
• Tính toán chiều dài cột giữa các khớp dẻo tiềm năng ở mức nhỏ nhất để xác định trị số lực cắt thiết kế lớn nhất có khả năng xuất hiện, đảm bảo kết cấu không bị phá hoại do cắt trước khi đạt được biến dạng dẻo mong muốn.