Liên kết khớp, liên kết ngàm trong kết cấu thép: cấu tạo, truyền lực và mô hình tính

Cùng một hệ dầm, cột và tải trọng, chỉ cần thay đổi giả thiết liên kết từ khớp sang ngàm, mô men tại gối, mô men giữa nhịp và chuyển vị của kết cấu đã có thể thay đổi đáng kể. Vấn đề quan trọng không phải gọi tên liên kết theo hình dáng bên ngoài, mà là xác định đường truyền lực, độ cứng xoay và khả năng chịu lực thực tế của nó.

Đối với nhà xưởng kết cấu thép, cần phân biệt rõ liên kết dầm–cột, cột–kèo và chân cột; đồng thời tránh nhầm lẫn giữa liên kết cứng tại nút khung với ngàm cố định xuống nền.

1. Khớp, ngàm và bán cứng được hiểu như thế nào?

Khớp lý tưởng cho phép hai cấu kiện xoay tương đối, không truyền mô men uốn tại bậc tự do được giải phóng. Tuy vậy, liên kết vẫn có thể truyền lực dọc $N$ và lực cắt $V$ tùy cấu tạo và sơ đồ kết cấu.

Liên kết cứng hạn chế đáng kể góc xoay tương đối giữa hai cấu kiện và có khả năng truyền mô men $M$ cùng với $N$ , $V$ . Nút cứng không đồng nghĩa với nút bất động: toàn bộ nút vẫn có thể chuyển vị hoặc xoay cùng khung.

Liên kết bán cứng có độ cứng xoay hữu hạn $S_j$ ; dưới mô men, hai cấu kiện có thể xoay tương đối một góc $\varphi$ . Trong miền gần tuyến tính có thể biểu diễn gần đúng:

$M = S_j \cdot \varphi$

$M$ — mô men tại liên kết (kN·m).
$S_j$ — độ cứng xoay liên kết (kN·m/rad).
$\varphi$ — góc xoay tương đối (rad).

Đây là quan hệ mô hình hóa đơn giản; đường cong mô men–góc xoay thực tế có thể phi tuyến, phụ thuộc trạng thái bu lông, bản mã và vùng nút.

2. Liên kết khớp: cơ chế truyền lực và cấu tạo

2.1. Liên kết bản mã bụng dầm

Hình 1 là ảnh mô hình liên kết dầm phụ vào dầm chính, giúp quan sát bản mã tại bụng dầm. Một cấu tạo phổ biến là bản mã đứng (fin plate) hàn vào cột hoặc dầm chính, sau đó liên kết với bụng dầm phụ bằng bu lông. Lực cắt từ dầm đi qua bụng dầm, bu lông, bản mã rồi truyền sang cấu kiện đỡ. Liên kết này thường được mô hình hóa như liên kết chịu cắt, với độ cứng xoay nhỏ so với liên kết chịu mô men.

Liên kết dầm phụ vào dầm chính bằng bản mã tại bụng dầm — Hình 1. Mô hình 3D liên kết dầm phụ vào dầm chính bằng bản mã và bu lông tại bụng dầm

Các thành phần cần kiểm tra:

Bu lông: cắt thân bu lông, ép mặt tại lỗ, khoảng cách mép và khoảng cách giữa các lỗ.
Bản mã: cắt, uốn cục bộ, kéo đứt hoặc phá hoại tiết diện hữu hiệu, xé khối khi phù hợp.
Bụng dầm: ép mặt lỗ, xé mép, cắt hoặc mất ổn định cục bộ nếu có nguy cơ.
Đường hàn bản mã–cột: sức kháng của nhóm đường hàn dưới lực cắt và độ lệch tâm.
Khả năng xoay: đủ biến dạng để đáp ứng góc xoay đầu dầm dự kiến, không phát sinh lực thứ cấp bất lợi.

Một liên kết bản mã bụng vẫn có thể sinh mô men thứ cấp do độ lệch tâm hoặc sự cản trở xoay; giả thiết khớp là lý tưởng hóa cho mô hình tổng thể, không phải khẳng định mô men trong mọi chi tiết đều bằng không.

2.2. Liên kết góc thép và bản mã đầu dầm chịu cắt

Ngoài bản mã bụng, có thể dùng góc thép liên kết một hoặc hai bên bụng, hoặc bản mã đầu dầm loại chịu cắt. Những cấu tạo này có thể được xem là liên kết đơn giản nếu được thiết kế đủ khả năng xoay và không tạo cơ chế truyền mô men đáng kể. Bản mã đầu dầm không phải lúc nào cũng là liên kết cứng: số hàng bu lông, vị trí bu lông và độ cứng bản mã quyết định đáng kể hành vi.

3. Liên kết ngàm: mô men được truyền qua đâu?

3.1. Liên kết bản mã đầu dầm chịu mô men

Hình 2 cho thấy một nút nối kèo bằng bản mã đầu và nhóm bu lông trong mô hình 3D; ảnh không thay thế kiểm toán độ cứng và khả năng chịu mô men. Với dầm chữ I chịu mô men, lực kéo và lực nén chủ yếu tạo thành cặp lực tại hai cánh dầm. Khi sử dụng bản mã đầu dầm mở rộng, lực từ cánh dầm truyền qua đường hàn vào bản mã, qua nhóm bu lông chịu kéo và vùng ép tiếp xúc vào cột. Bụng dầm và nhóm bu lông đồng thời tham gia truyền lực cắt.

Chi tiết nút nối kèo sử dụng bản mã đầu dầm và bu lông — Hình 2. Mô hình 3D nút nối kèo bằng bản mã đầu và bu lông; cần kiểm tra khả năng truyền mô men theo thiết kế

Về nguyên lý, với cánh tay đòn nội lực $z$ , có thể ước lượng cặp lực do mô men:

$F \approx \frac{M}{z}$

$F$ — lực kéo/nén tương đương ở vùng cánh (kN).
$M$ — mô men cần truyền (kN·m).
$z$ — khoảng cách giữa hai hợp lực (m).

Công thức trên chỉ mô tả cân bằng sơ bộ, không thay thế phương pháp xác định phân phối lực trong nhóm bu lông, hiệu ứng bẩy (prying action), uốn bản mã và vùng nút theo tiêu chuẩn thiết kế.

3.2. Các bộ phận phải được kiểm tra

Bu lông cường độ cao: kéo, cắt, tương tác kéo–cắt; kiểm tra chống trượt khi thiết kế liên kết ma sát.
Bản mã đầu dầm: uốn bản mã, chảy dẻo, phá hoại cục bộ và hiệu ứng bẩy làm tăng lực kéo bu lông.
Mối hàn: liên kết cánh và bụng dầm với bản mã; kiểm tra chiều dài, chiều cao hữu hiệu và chất lượng hàn.
Cánh cột: uốn cục bộ, chảy dẻo hoặc các dạng phá hoại liên quan.
Bụng cột và vùng panel zone: cắt vùng nút, nén/kéo cục bộ, mất ổn định khi cần.
Sườn tăng cứng / bản tăng cường: bố trí khi kết quả tính toán cho thấy cần thiết, không mặc định mọi nút đều phải có.

3.3. Liên kết hàn cánh dầm và liên kết cột–kèo

Với liên kết hàn trực tiếp, mô men được truyền qua các đường hàn và các bộ phận tiếp nhận lực tại cánh dầm; lực cắt thường được truyền chủ yếu qua vùng bụng. Ở nhà thép tiền chế, nút cột–kèo và nút nối kèo thường dùng bản mã đầu và nhóm bu lông, đôi khi có bản mã mở rộng hoặc sườn tăng cứng.

Cần phân biệt nút cứng trong mặt phẳng khung với độ cứng ngoài mặt phẳng: khả năng truyền mô men theo một trục không tự động đảm bảo khả năng truyền mô men theo trục còn lại.

4. Chân cột khớp và chân cột ngàm

Chân cột khớp và ngàm đều có thể sử dụng bản đế và bu lông neo. Sự khác biệt nằm ở độ cứng xoay và cơ chế truyền mô men vào móng, không chỉ ở số lượng bu lông.

Chi tiết chân cột thép có bản đế, bu lông neo và sườn tăng cứng — Hình 3. Chân cột thép với bản đế, bu lông neo và sườn tăng cứng trong mô hình 3D

Một phương án chân cột khác có bản đế và bu lông neo — Hình 4. Một phương án cấu tạo chân cột khác; không thể kết luận là khớp hay ngàm chỉ từ hình dạng

Với chân cột ngàm, mô men có thể tạo ra vùng nén tiếp xúc dưới bản đế và lực kéo trong bu lông neo; lực cắt được truyền bằng ma sát, bu lông neo hoặc khóa chống cắt tùy thiết kế. Cần kiểm tra bản đế, bu lông neo, bê tông vùng neo, đường hàn chân cột, cấu tạo móng và chuyển vị xoay của hệ móng–nền.

Với chân cột khớp, mô hình bỏ qua mô men phản lực tại gối theo phương giải phóng. Tuy nhiên bản đế, bu lông và móng vẫn phải đủ sức kháng lực dọc, lực cắt, lực nhổ và các tác động thi công; liên kết thực có thể tồn tại một mức độ cản xoay nhất định.

5. Ảnh hưởng của liên kết đến nội lực và chuyển vị

Ví dụ dầm một nhịp dài $L$ chịu tải phân bố đều $q$ , vật liệu và tiết diện không đổi, bỏ qua chuyển vị gối:

Đại lượng	Hai đầu khớp	Hai đầu ngàm
Mô men tại gối	$0$	$-qL^2/12$
Mô men dương lớn nhất	$qL^2/8$	$qL^2/24$
Độ võng lớn nhất	$5qL^4/(384EI)$	$qL^4/(384EI)$

Ở đây $q$ là tải phân bố theo chiều dài (kN/m), $L$ là nhịp (m), $E$ là mô đun đàn hồi (kN/m²), $I$ là mô men quán tính (m⁴). Dấu âm biểu thị mô men gối theo quy ước mô men võng xuống dương.

Các công thức chỉ đúng cho dầm đơn, tiết diện không đổi, tải đều, điều kiện biên lý tưởng. Không áp dụng trực tiếp cho khung nhà xưởng có chuyển vị ngang, kèo biến tiết diện, liên kết bán cứng hoặc nhiều tổ hợp tải.

6. Khai báo trong SAP2000 và kiểm tra kết quả

6.1. Liên kết khớp giữa các thanh

Xác định trục địa phương 1–2–3 của Frame trước khi giải phóng mô men.
Chọn đầu thanh cần tạo khớp, vào Assign → Frame → Releases/Partial Fixity.
Giải phóng thành phần mô men phù hợp với mặt phẳng uốn đang xét (thường $M_3$ hoặc $M_2$ tùy hướng trục địa phương).
Chạy phân tích, kiểm tra mô men tại đầu thanh, chuyển vị và cảnh báo mất ổn định cơ cấu.

Không giải phóng đồng thời nhiều bậc tự do một cách máy móc. Cần bảo đảm hệ vẫn ổn định và đúng cơ chế truyền lực dự kiến.

6.2. Liên kết cứng và bán cứng

Nút cứng: các thanh dùng chung nút, không release thành phần mô men cần truyền; kiểm tra các ràng buộc và độ lệch tâm hình học.
Nút bán cứng: sử dụng partial fixity, lò xo xoay hoặc mô hình liên kết phù hợp, với độ cứng xác định từ tính toán, thí nghiệm hoặc tài liệu có cơ sở.
Chân cột: gán restraint theo phương thực sự được khống chế; nếu xét độ mềm móng, dùng độ cứng lò xo tương ứng thay vì giả thiết ngàm tuyệt đối.

6.3. Những kiểm tra không nên bỏ qua

Mô men ở hai phía nút có phù hợp với cân bằng và mô hình liên kết không?
Biến dạng và chuyển vị ngang khung có tăng bất thường sau khi release không?
Nội lực từ mô hình tổng thể đã được lấy đúng vị trí để tính bản mã, bu lông và đường hàn chưa?
Có kiểm tra tải đảo chiều do gió, tải nhổ, tổ hợp bất lợi và giai đoạn lắp dựng không?
Có nhầm release đầu thanh với restraint của nút hoặc với liên kết vật lý không?

7. Chọn dạng liên kết nào cho nhà xưởng thép?

Vị trí	Giải pháp thường gặp	Điểm cần lưu ý
Dầm phụ – dầm chính	Liên kết chịu cắt, mô hình khớp	Kiểm tra lực cắt và khả năng xoay
Cột – kèo khung ngang	Liên kết truyền mô men	Kiểm tra bản mã, bu lông, cánh/bụng và độ cứng nút
Nối kèo tại đỉnh hoặc giữa nhịp	Liên kết chịu mô men theo thiết kế	Không tự coi là khớp vì có đường nối bu lông
Chân cột	Khớp, ngàm hoặc bán cứng	Phụ thuộc cấu tạo bản đế, neo, móng và nền
Thanh giằng	Thường lý tưởng hóa dạng thanh chịu lực dọc	Xét độ lệch tâm và cấu tạo bản mã thực tế

Khi thiết kế, cần thống nhất ba phần: giả thiết trong mô hình tổng thể, khả năng chịu lực và độ cứng của liên kết chi tiết, và cấu tạo thể hiện trên bản vẽ thi công. Một nút được mô hình cứng nhưng triển khai bằng chi tiết không đủ khả năng truyền mô men là sai khác cần xử lý trước khi phát hành hồ sơ.

Tài liệu tham khảo

TCVN 5575:2024 — Thiết kế kết cấu thép; đối chiếu các yêu cầu tính toán cấu kiện và liên kết theo phiên bản tiêu chuẩn áp dụng cho dự án.
EN 1993-1-8 — Eurocode 3: Design of steel structures — Design of joints; tham khảo phân loại độ cứng, sức kháng và mô hình thành phần của liên kết.
AISC 360 — Specification for Structural Steel Buildings; tham khảo thiết kế liên kết thép theo hệ tiêu chuẩn AISC.
CSI — SAP2000 Analysis Reference Manual; tham khảo Frame Releases, Partial Fixity và Joint Restraints.

Các ảnh chi tiết là hình chụp mô hình kết cấu do người dùng cung cấp, phục vụ nhận diện cấu tạo; không phải bản vẽ chế tạo và không tự chứng minh phân loại khớp/ngàm. Hình bìa mang tính minh họa tổng quan.