NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG THÉP HÌNH VÀ HÌNH THỨC TIẾT DIỆN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM
Kết cấu liên hợp thép-bê tông (LH-TBT) với những ưu việt về kết cấu và công nghệ, được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới. Cấu kiện cột liên hợp thép bê tông kết hợp được những ưu điểm của vật liệu bê tông, thép hình (cốt cứng), thép thanh (cốt mềm) để tạo ra tiết diện liên hợp có khả năng chịu nén (đúng tâm, lệch tâm phẳng, lệch tâm xiên).
Luận văn nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn EC4 (Châu Âu) nhằm nghiên cứu khảo sát làm rõ ảnh hưởng của việc bố trí hàm lượng thép và lựa chọn các thông số hình học và vật liệu diện cột để phát huy khả năng chịu tải cho tiết diện trong công trình nhà cao tầng.
Nghiên cứu làm rõ cơ sở tính toán hàm lượng thép và bố trí lựa chọn hình thức tiết diện cột LH-TBT chịu nén lệch tâm.
Áp dụng tiêu chuẩn EC4 lập bảng tính EXCELL làm công cụ nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng thép và hình thức tiết diện đến khả năng chịu tải của cột LH-TBT. Vấn đề đặt ra là:
Thứ nhất, so sánh ảnh hưởng của hình thức tiết diện đến lượng thép đến khả năng chịu tải của cột LH-TBT: Với cùng một diện tích tiết diện, so sánh khả năng chịu lực của cột LH-TBT tiết diện tròn và tiết diện vuông/chữ nhật có cùng hàm lượng thép?
Thứ hai, khảo sát ảnh hưởng hàm lượng thép đến khả năng chịu tải của cột LH-TBT. Các phương án thay đổi hàm lượng thép:
– Thay đổi kích thước tiết diện cột, giữ nguyên diện tích cốt thép thanh và thép hình, khảo sát khả năng chịu tải của tiết diện cột LH-TBT (theo khả năng chịu lực dọc và khả năng chịu mômen)
– Thay đổi diện tích cốt thép thanh, giữ nguyên kích thước tiết diện cột (tiết diện bê tông), khảo sát khả năng chịu tải của tiết diện cột LH-TBT (theo khả năng chịu lực dọc và khả năng chịu mômen)
– Thay đổi số hiệu thép hình, giữ nguyên kích thước tiết diện cột (tiết diện bê tông) và diện tích cốt thép thanh, khảo sát khả năng chịu tải của tiết diện (theo khả năng chịu lực dọc và mômen).
Từ đó, đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng thép hình, cốt thép thanh đến khả năng chịu tải của cột LH-TBT.
Thứ ba, khảo sát ảnh hưởng của cường độ vật liệu đến khả năng chịu tải của cột LH-TBT: Thay đổi cường độ vật liệu theo các phương án, đánh giá ảnh hưởng của cường độ vật liệu đến đến khả năng chịu tải của cột LH-TBT.
Từ đó, đề xuất lựa chọn phương án bố trí tiết diện cột LH-TBT có kích thước tiết diện không quá lớn nhưng với hàm lượng thép hợp lý sẽ thỏa mãn được các yêu cầu của nội lực thiết kế
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này, đối tượng nghiên cứu là cột LH-TBT tiết diện chữ nhật/vuông/tròn dùng thép hình chữ I, bọc bê tông hoàn toàn chịu nén lệch tâm phẳng/xiên có kể ảnh hưởng của lực cắt.
Phạm vi nghiên cứu là các tiết diện thép hình HEB theo tiêu chuẩn vật liệu của EC với các thông số hình học và chỉ tiêu cơ lý trong phạm vi khảo sát của luận văn.
Dựa trên lý thuyết nền tảng của kết cấu liên hợp đã được kiểm chứng thực nghiệm của các tài liệu Châu Âu, sử dụng tiêu chuẩn EC4 để làm rõ các ví dụ bằng số; hoàn thiện trình tự tính toán, kiểm tra; Lập các bảng tính EXCELL sử dụng làm công cụ tính toán thiết lập đường cong tương tác (M-N) để kiểm tra và khảo sát chọn hàm lượng thép hợp lý cho tiết diện cột LH-TBT chịu nén lệch tâm theo thiết kế.
Luận văn gồm 03 phần: Mở đầu, Nội dung và Kết luận.
Chương 1: Tổng quan về sự làm việc của cấu kiện liên hợp thép –bê tông chịu nén trong xây dựng.
Chương 2: Cơ sở tính toán kiểm tra cột liên hợp thép-bê tông chịu nén lệch tâm theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Châu Âu).
Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của hình thức tiết diện và hàm lượng thép đến khả năng chịu tải của cột liên hợp thép-bê tông.
Phần 3: Kết luận và kiến nghị.
6. Tình hình nghiên cứu ứng dụng
TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG CHỊU NÉN TRONG XÂY DỰNG
Kết cấu liên hợp thép-bê tông (LH-TBT) là loại kết cấu được tạo nên từ hai loại vật liệu thép và bê tông tuy có những đặc tính khác nhau song hoàn toàn tương hợp và có thể bổ sung cho nhau tạo thành một tổ hợp lý tưởng phát huy được khả năng chịu lực của mỗi loại. Hơn nữa, bê tông còn có khả năng chống ăn mòn và cách nhiệt tốt cho thép ở nhiệt độ cao, đồng thời làm tăng độ cứng cho các cấu kiện thép có độ mảnh lớn nhờ đó, nâng cao khả năng ổn định. Kết cấu LH-TBT như vậy thực chất là một trường hợp riêng, đặc biệt của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) mà đặc trưng phân biệt rõ nét nhất là tính chất “cốt thép” có thể ở dạng bản, thép hình, thép ống hay thép ở dạng khung. Thép hình có thể bọc bên ngoài gọi là kết cấu thép nhồi bê tông (Concrete filled Steel structures) hay có thể nằm bên trong bê tông gọi là kết cấu bọc bê tông (Concrete encased Steel structures).
Kết cấu LH-TBT bao gồm hai loại:
– Cột bọc không hoàn toàn.
– Cột rỗng nhồi bê tông
Hình 1.1: Các dạng tiết diện kết cấu hỗn hợp thép – bê tông
Ý tưởng hình thành nên các dạng cột LH-TBT được bắt nguồn từ vấn đề hàm lượng thép trong tiết diện cột. Khi lực nén trong cột lớn, việc sử dụng cốt thép tròn (cốt mềm) cần diện tích lớn sẽ dẫn đến hàm lượng thép vượt quá hàm lượng cho phép, vì vậy cần thiết xem xét thay thế bằng các lõi thép hình (cốt cứng) nhằm có được hàm lượng thép đáp ứng yêu cầu chịu tải. Như vậy, hàm lượng thép có ý nghĩa quyết định đối với sự làm việc của cột LH-TBT.
Trong phạm vi luận văn giả thiết chưa xét đến ảnh hưởng của từ biến đến sự làm việc của kết cấu cột LH-TBT.
Vai trò các liên kết nhằm đảm bảo sự làm việc liên hợp giữa hai loại vật liệu, trong đó tiết diện có sự xuất hiện của thép hình với hàm lượng thép lớn hơn nhiều so với BTCT thông thường. Kết cấu LH-TBT đạt đến sự làm việc liên hợp khi đó, độ cứng của tiết diện sẽ tăng lên tính bằng độ cứng tương đương.
1.2.3 Ổn định cục bộ của cột LH-TBT và yêu cầu cấu tạo
1.2.4 Sự làm việc của cột LH-TBT chịu tải trọng
- Cột chịu nén đúng tâm: Hầu như chỉ có ý nghĩa lý thuyết
- Cột chịu nén lệch tâm phẳng: Tiết diện cột vừa có lực nén dọc trục N, đồng thời có mômen trong mặt phẳng uốn (Mx hoặc My);
- Cột chịu nén lệch tâm xiên: Tiết diện cột vừa có lực nén dọc trục N, đồng thời có mômen trong hai mặt phẳng uốn (Mx và My).
Chương 1 hệ thống các vấn đề tổng quan về kết cấu LH-TBT trong công trình xây dựng làm cơ sở nghiên cứu chương 2.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ TÍNH TOÁN KIỂM TRA CỘT LIÊN HỢP
THÉP-BÊ TÔNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO
TIÊU CHUẨN EUROCODE 4 (CHÂU ÂU)
2.1. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THEO EC4
Phương pháp chung khi tính toán cột LH-TBT là quy đổi tiết diện bao gồm phần diện tích của bê tông, cốt thép thanh, thép hình về tiết diện tương đương với độ cứng tương đương của các loại vật liệu. Phương pháp đơn giản: Sử dụng các đường cong uốn dọc Châu Âu có kể đến sự chế tạo không chính xác. Phương pháp này áp dụng cho cột LH-TBT có tiết diện không đổi và có hai trục đối xứng.
2.1.2. Điều kiện áp dụng phương pháp tính đơn giản
a. Điều kiện hình thức tiết diện
b. Điều kiện bề dày lớp bê tông bảo vệ
c. Điều kiện độ mảnh quy đổi
d. Điều kiện tỷ lệ hàm lượng thép
2.2. XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TIẾT DIỆN
a. Các giả thiết khi tính độ cứng tương đương
b. Xác định độ cứng tương đương theo EC4
Với tải trọng ngắn hạn: (EI)e = EaIa + 0,8EcdIc + EsIs (2.8)
Với tải trọng dài hạn: (2.9)
2.3. TÍNH TOÁN KIỂM TRA CỘT CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM
(2.10)
2.3.2. Theo điều kiện ổn định tổng thể
NSd ≤ χNpl.Rd (2.11)
2.4. TÍNH TOÁN CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM PHẲNG
a. Xây dựng đường cong tương tác (M-N) có thứ nguyên
Hình 2.4: Đường cong tương tác có thứ nguyên
b. Ảnh hưởng của mômen uốn
c. Ảnh hưởng lực cắt sử dụng đường cong tương tác (M-V).
d. Phương pháp kiểm tra tiết diện cột chịu nén lệch tâm phẳng bằng đường cong tương tác không thứ nguyên theo EC4
Hình 2.8: Đường cong tương tác không thứ nguyên
MSd ≤ MRd= 0,9μMpl.Rd (2.31)
2.5. TÍNH TOÁN KIỂM TRA CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM XIÊN
Phương pháp tính toán kiểm tra bằng các đường cong tương tác như lệch tâm phẳng, có thêm đường cong tương tác My-Mz
Hình 2.9: Đường cong tương tác chịu nén lệch tâm xiên
(b)
(a)
My.Sd ≤ 0,9μyMpl.y.Rd (2.32)
Mz.Sd ≤ 0,9μzMpl.z.Rd (2.33)
và (2.34)
Luận văn thực hiện 2 ví dụ số cột LH-TBT tiết diện vuông/ tròn cùng diện tích, so sánh khả năng chịu lực của 2 trường hợp.
2.6.1. Ví dụ 1: Kiểm tra cột LH-TBT chịu nén lệch tâm phẳng
- Kiểm tra ổn định: My.Sd ≤ 0,9 μy Mpl.y.Rd
Hình 2.12 : Đường cong tương tác (M-N) có thứ nguyên
Hình 2.13: Đường cong tương tác (M-N) không thứ nguyên
2.6.2. Ví dụ 2: Kiểm tra cột chịu nén lệch tâm xiên
Hình 2.14: Đường cong tương tác (My-N) có thứ nguyên theo y-y
Hình 2.16 Đường cong tương tác (μ;) không thứ nguyên trục y-y
Hình 2.18: Đường cong tương tác Msd,y-Msd,z
g. Kiểm tra ảnh hưởng của lực cắt
Hình 2.19. Đường cong tương tác (μ;) xét ảnh hưởng lực cắt V
Bảng 2.1. So sánh khả năng chịu lực theo tiết diện vuông/tròn
| Trường hợp tính toán | Đại lượng | Tiết diện vuông | Tiết diện tròn | Chênh lệch | |
| ∆ | % | ||||
| Đúng tâm | Npl,Rd (kN) | 10.364 | 8963 | 1401 | 15,6 |
| Lệch tâm | Npl,Rd(kN) | 10.364 | 8963 | 1401 | 15,6 |
| Npm,Rd(kN) | 3696 | 3695,81 | 0 | 0 | |
| Mpl,Rd(kNm) | 1451,5 | 747,91 | 703,59 | 94,02 | |
| Mmax,Rd(kNm) | 1545,5 | 848,61 | 696,89 | 82,12 | |
Chương 2 đã hệ thống hóa phương pháp và các công thức tính toán kiểm tra tiết diện cột chịu nén đúng tâm, nén lệch tâm (phẳng/xiên), theo tiêu chuẩn Euro Code 4 (EC 4, Châu Âu). Lập được đường cong tương tác M-N để kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện Vuông (chữ nhật) và tròn. Chương 2 đã áp dụng tiêu chuẩn EC4 để tính toán minh họa và kiểm chứng, làm rõ 02 ví dụ số cho cột LH-TBT tiết diện vuông và tiết diện tròn (cùng diện tích tiết diện Ac và Aa), so sánh nhận xét khả năng chịu lực của mỗi loại.
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH THỨC
TIẾT DIỆN VÀ HÀM LƯỢNG THÉP ĐẾN KHẢ NĂNG
CHỊU TẢI CỦA CỘT LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG
3.1. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN KIỂM TRA CỘT LH-TBT THEO TIÊU CHUẨN EC4
3.1.1. Trường hợp cột LH-TBT chịu nén lệch tâm phẳng
Bước 1: Nhập số liệu tính toán đầu vào
Bước 2: Tính toán độ cứng tương đương (EI)c của tiết diện cột LH-TBT trong hai trường hợp:
– Tải trọng ngắn hạn: Bao gồm tổng độ cứng của bê tông (EcIc), cốt thép thanh (EsIs) và thép hình (Ea,Ia)
– Tải trọng dài hạn: Thay Ecd bằng Ec
Bước 3: Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ
Kiểm tra độ mảnh của tiết diện thép hình và đảm bảo lớp bê tông bảo vệ thép hình: với
Bước 4: Kiểm tra điều kiện áp dụng phương pháp đơn giản
– Điều kiện hình thức tiết diện không đổi và có 2 trục đối xứng;
– Điều kiện đảm bảo bề dày lớp bê tông bảo vệ;
– Điều kiện độ mảnh quy đổi
– Điều kiện tỷ lệ hàm lượng thép
Trường hợp không thỏa mãn thì không áp dụng được quy trình này (điều chỉnh lại các thông số thiết kế ở Bước 1)
Bước 5: Kiểm tra khả năng chịu nén đúng tâm
5.1 Tính khả năng chịu nén đúng tâm về bền: Npl,Rd
5.2 Tính hệ số uốn dọc (χ) phụ thuộc độ mảnh quy đổi ()
5.3 Kiểm tra ổn định
Bước 6: Kiểm tra khả năng chịu nén lệch tâm phẳng
6.1 Vẽ các sơ đồ ứng suất ứng với các vị trí của trục trung hòa trên tiết diện xác định các giá trị khả năng chịu lực: Npl,Rd; Npm,Rd; Mpl,Rd và Mmax,Rd
6.2 Kiểm tra khả năng chịu nén lệch tâm phẳng
a. Cách 1: Kiểm tra bằng cách dùng đường cong tương tác (có thứ nguyên) M-N, trình tự như sau:
– Xác định tọa độ các điểm (A,B,C,D và E) dựa vào các giá trị khả năng chịu lực có thứ nguyên: Npl,Rd; Npm,Rd; Mpl,Rd và Mmax,Rd
– Vẽ đường cong tương tác M-N (có thứ nguyên) thể hiện khả năng chịu lực dọc và mômen của tiết diện
– Xác định tọa độ điểm X (Msd, Nsd) trên biểu đồ tương tác, nếu X nằm trong miền giới hạn bởi đường cong tương tác thì đảm bảo an toàn và ngược lại
b. Cách 2: Kiểm tra bằng cách dùng đường cong tương tác (không thứ nguyên) μ- χ theo trình tự như sau:
– Xác định tọa độ các điểm (A,B,C,D và E) dựa vào các giá trị khả năng chịu lực tương đối, không thứ nguyên: χ và μ
– Vẽ đường cong tương tác μ- χ (không thứ nguyên) thể hiện khả năng chịu lực dọc và mômen của tiết diện
– Xác định giá trị μ trên biểu đồ tương tác
– Tính khả năng chịu mômen: MRd = 0,9Mpl,Rd
– Kiểm tra:
3.1.2. Kiểm tra cột LH TBT chịu nén lệch tâm xiên
Trình tự kiểm tra cũng thực hiện tương tự như cột chịu nén lệch tâm phẳng nhưng phải kiểm tra theo cả hai phương uốn y-y và z-z, mặt khác phải kiểm tra thêm tương tác giữa mômen theo 2 phương Mx và My
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\PHAM BA HUE
