Beam column joints là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa beam-column joints trong kết cấu bê tông cốt thép

Beam-column joints, hay nút dầm-cột, là vùng kết nối giữa các phần tử dầm và cột trong hệ kết cấu khung, nơi diễn ra sự truyền nội lực từ dầm sang cột và ngược lại. Trong các hệ kết cấu bê tông cốt thép đúc liền khối, các nút này đóng vai trò then chốt trong việc duy trì tính toàn vẹn và khả năng chịu lực của toàn hệ kết cấu.

Chức năng chính của beam-column joints là phân phối mô men uốn, lực cắt và lực dọc giữa các phần tử, đảm bảo chuyển tiếp tải trọng liên tục và ổn định. Dưới tác động của tải trọng ngang (gió, động đất), các nút này trở thành vị trí chịu lực phức tạp, nơi ứng suất cắt và ứng suất liên kết đạt cực đại. Nếu nút bị phá hủy, toàn bộ hệ kết cấu có thể mất ổn định theo hiệu ứng domino.

Các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế như ACI 318, Eurocode 2, và fib Model Code đều dành nội dung riêng cho beam-column joints, quy định chi tiết về cấu tạo cốt thép, neo dài, giới hạn cường độ chịu cắt, và các yêu cầu đặc biệt cho thiết kế kháng chấn.

Phân loại các loại beam-column joints

Các loại beam-column joints được phân loại theo vị trí của nút trong hệ kết cấu khung. Mỗi loại có đặc điểm phân bố nội lực khác nhau, kéo theo sự thay đổi trong thiết kế và gia cường. Có bốn loại chính:

• Interior joint: nằm trong lõi kết cấu, nơi một cột giao với hai dầm đối xứng
• Exterior joint: nơi một dầm giao với cột biên hoặc mép khung
• Corner joint: giao điểm của hai dầm và hai cột tại góc công trình
• Knee joint: kết nối giữa dầm và cột tạo thành góc gập ở đầu khung

Sự khác biệt giữa các loại joints này không chỉ nằm ở hình học mà còn ở điều kiện biên và mức độ chịu tải trọng phức hợp. Ví dụ, interior joint thường phải truyền cả mô men uốn hai chiều và lực dọc, trong khi exterior joint chịu lệch tâm và dễ phá hoại do thiếu đối xứng trong truyền lực.

Bảng sau tóm tắt đặc điểm so sánh giữa các loại joints:

Loại joint	Vị trí trong khung	Đặc điểm nội lực
Interior	Giao điểm giữa hai dầm và một cột	Lực cắt hai chiều, mô men lớn
Exterior	Cuối dầm, giao với cột biên	Một chiều, mô men lệch tâm
Corner	Góc khung	Lực xoắn kết hợp, phản lực biên
Knee	Đầu khung hoặc khớp gập	Moment lớn, khó neo cốt thép

Vai trò cơ học của beam-column joints trong hệ khung

Trong hệ khung bê tông cốt thép, beam-column joints đảm nhiệm chức năng trung chuyển lực giữa dầm và cột. Các nút này cần duy trì độ cứng tương đương hoặc lớn hơn các phần tử liên kết để tránh hình thành điểm yếu cục bộ. Nếu không đủ khả năng truyền mô men hoặc lực cắt, các nút có thể dẫn đến phá hoại sớm, gây mất ổn định tổng thể cho toàn hệ kết cấu.

Dưới tác động của tải trọng dọc (trọng lượng bản thân, sàn, mái) và ngang (gió, động đất), nội lực truyền qua nút bao gồm:

• Mô men uốn: từ dầm sang cột
• Lực cắt: do sự thay đổi nội lực đột ngột
• Lực dọc: từ các tầng phía trên truyền xuống

Nếu xét riêng vùng nút như một phần tử độc lập, nó phải đảm bảo khả năng phân phối và neo cốt thép hiệu quả. Trong thực tế, nhiều nghiên cứu cho thấy vùng nút là nơi ứng xử phi tuyến bắt đầu khi có tải trọng lặp như trong động đất, do đó việc mô phỏng và thiết kế đúng đặc tính cơ học của nút là yêu cầu sống còn trong các công trình kháng chấn.

Phân bố ứng suất và lực bên trong nút

Các nghiên cứu thực nghiệm và phân tích số cho thấy phân bố ứng suất trong beam-column joints là rất phức tạp. Tại vùng lõi nút (joint core), ứng suất cắt là thành phần chủ đạo, được tạo thành từ sự chênh lệch nội lực tại đầu dầm và cột. Để mô phỏng cơ chế truyền lực, mô hình “strut-and-tie” được áp dụng rộng rãi, biểu diễn lực nén theo đường chéo và lực kéo từ cốt thép neo.

Ứng suất cắt cực đại có thể được ước lượng theo công thức thiết kế:
$V_j = \alpha \cdot f_{ck} \cdot b_c \cdot h_c$
Trong đó:

• $V_j$: khả năng chịu cắt của nút (N)
• $f_{ck}$: cường độ nén của bê tông (MPa)
• $b_c, h_c$: bề rộng và chiều cao cột (mm)
• $\alpha$: hệ số kinh nghiệm (khoảng 0.2–0.3 theo ACI)

Tuy nhiên, giá trị này cần điều chỉnh trong điều kiện động đất hoặc với các nút không cốt đai. Trong các mô phỏng phi tuyến, vùng ứng suất tại lõi nút thường thể hiện tập trung ứng suất tam giác dọc theo đường chéo từ chân cột tới đầu dầm. Nếu không có cốt đai đầy đủ, phá hoại trượt hoặc bóc lớp bảo vệ bê tông có thể xảy ra sớm hơn dự kiến.

Hư hỏng phổ biến và cơ chế phá hoại

Các beam-column joints thường là điểm yếu trong hệ khung nếu không được thiết kế đúng chuẩn hoặc gia cường không đầy đủ. Trong điều kiện tải trọng động, như động đất hoặc rung động do máy móc, các nút có thể bị phá hoại sớm hơn dầm hoặc cột do tích tụ ứng suất cắt và ứng suất liên kết lặp đi lặp lại.

Ba cơ chế phá hoại phổ biến tại vùng nút gồm:

• Phá hoại cắt giòn: xảy ra khi vùng lõi nút không đủ cốt đai, dẫn đến nứt chéo và vỡ vụn
• Phá hoại do mất neo: do chiều dài neo không đủ của cốt thép dầm hoặc do thiếu lớp bảo vệ bê tông
• Biến dạng dư hoặc phá hoại dẻo cục bộ: khi tải trọng lặp làm suy giảm liên kết cốt thép và gây trượt

Trong các mô hình thực nghiệm, khi beam-column joints bị phá hoại, cơ cấu khung mất khả năng duy trì hình dạng ổn định, dẫn đến sự dịch chuyển tầng mềm, mất liên kết giữa các tầng và sụp đổ tầng đầu tiên – hiện tượng đặc biệt nguy hiểm trong các kết cấu nhiều tầng. Do đó, thiết kế đúng nút không chỉ liên quan đến sức bền vật liệu mà còn là vấn đề an toàn tổng thể.

Tiêu chuẩn thiết kế và hướng dẫn kỹ thuật

Các tiêu chuẩn thiết kế beam-column joints đều yêu cầu đảm bảo khả năng chịu cắt, duy trì liên kết neo và giới hạn biến dạng dư trong vùng nút. Một số tài liệu hướng dẫn kỹ thuật quan trọng gồm:

• ACI 318-19: tiêu chuẩn thiết kế và xây dựng kết cấu bê tông cốt thép tại Hoa Kỳ
• Eurocode 2: quy định thiết kế bê tông cho châu Âu
• fib Model Code 2010: mô hình thiết kế tích hợp cho kết cấu hiện đại

Các tiêu chuẩn này quy định rõ các thông số như:

Yêu cầu thiết kế	Giá trị đề xuất
Chiều dài neo tối thiểu	40–50 lần đường kính cốt thép
Tỷ lệ cốt đai vùng nút	0.2–0.5% diện tích lõi
Giới hạn ứng suất cắt	0.85–1.2 MPa (theo cấp độ kháng chấn)

Tùy theo cấp độ kháng chấn thiết kế (low, moderate, high), các thông số này sẽ được điều chỉnh cho phù hợp. Trong các vùng địa chấn cao, như Nhật Bản hoặc California, tiêu chuẩn thường khắt khe hơn về chi tiết cấu tạo, lớp bảo vệ bê tông và kiểm soát biến dạng dư.

Chi tiết cấu tạo và gia cường nút dầm-cột

Gia cường vùng nút là biện pháp quan trọng để tăng cường khả năng chịu lực và khả năng biến dạng dẻo của beam-column joints. Một số biện pháp gia cường phổ biến bao gồm:

• Bố trí cốt đai vuông góc và xiên, phân bố đều trong vùng lõi
• Tăng mật độ cốt thép đai tại các nút quan trọng, đặc biệt ở các tầng dưới
• Sử dụng cấu kiện tiền chế với lõi nút cường độ cao

Trong một số nghiên cứu mới, việc sử dụng vật liệu composite như sợi carbon (CFRP) hoặc sợi thủy tinh (GFRP) bọc ngoài vùng nút cũng được chứng minh giúp tăng đáng kể khả năng chịu cắt và độ dẻo sau giới hạn đàn hồi. Các giải pháp hiện đại này thường được áp dụng trong tăng cường công trình cũ hoặc sau động đất.

Một số phương pháp gia cường đặc biệt:

Phương pháp	Ứng dụng	Hiệu quả
Bọc CFRP	Công trình cũ, khu vực động đất	Tăng 30–50% sức kháng cắt
Neo đầu móc mở (headed bars)	Khó thi công cốt thép uốn cong	Giảm nguy cơ trượt neo
Đúc bê tông UHPC tại vùng nút	Nhịp lớn, tải trọng nặng	Chịu nén và cắt cao gấp 3–4 lần

Ảnh hưởng của tải trọng động đất

Beam-column joints là vùng dễ bị suy yếu dưới tác động động đất do thay đổi hướng mô men liên tục và tăng đột ngột nội lực. Nếu không được gia cường đúng mức, phá hoại tại nút sẽ dẫn đến mất khả năng phân phối tải trọng theo cơ chế khung và gây hỏng tầng mềm.

Một số giải pháp thiết kế kháng chấn:

• Áp dụng nguyên lý “strong column – weak beam” để tránh chuyển hỏng sang nút
• Dùng cốt đai xiên hoặc cốt chéo để tăng khả năng cắt trong nút
• Giới hạn chiều dài dầm để giảm mô men tại nút

Các mô hình thiết kế theo năng lượng (performance-based design) hiện đại thường yêu cầu nút phải chịu được ít nhất 3–5 chu kỳ tải đảo chiều với biên độ lớn mà không bị phá hoại giòn. Việc này đòi hỏi mô phỏng chính xác bằng phần tử hữu hạn và kiểm tra thực nghiệm.

Phân tích số và mô phỏng nút dầm-cột

Phân tích số bằng phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ quan trọng trong nghiên cứu và thiết kế beam-column joints. Các phần mềm như ABAQUS, OpenSees, ANSYS cho phép mô phỏng phi tuyến với nhiều yếu tố như nứt bê tông, trượt cốt thép, biến dạng dẻo, và phá hoại cục bộ.

Các mô hình thường áp dụng:

• Concrete Damaged Plasticity (CDP): mô phỏng nứt – nghiền của bê tông
• Bond-slip interface: mô phỏng trượt giữa cốt thép và bê tông
• Cohesive Zone Model: đánh giá khả năng truyền ứng suất tại vùng liên kết

Kết quả phân tích giúp xác định:

• Biểu đồ lực – chuyển vị tại nút
• Vị trí và cường độ ứng suất cắt tối đa
• Hiệu quả của các phương pháp gia cường khác nhau

Tài liệu tham khảo

1. ACI Committee 352. (2002). Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures. ACI 352R-02. Link
2. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings. Link
3. fib Model Code for Concrete Structures 2010. Fédération Internationale du Béton. Link
4. Lowes LN, Altoontash A. (2003). Modeling reinforced-concrete beam–column joints subjected to cyclic loading. J Struct Eng, 129(12): 1686–1697.
5. Jeong SH, Elnashai AS. (2005). Analytical assessment of seismic vulnerability of RC frames with beam-column subassemblages. Engineering Structures, 27(3): 314–326.
6. Park R, Paulay T. (1975). Reinforced Concrete Structures. Wiley.
7. Alath S, Kumar R. (1995). Seismic behavior of beam-column joints in RC frames. J Struct Eng.
8. Wight JK, MacGregor JG. (2009). Reinforced Concrete: Mechanics and Design. Pearson.