Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG 7, CỘT LIÊN HỢP THÉP, BÊ TÔNG
CHƯƠNG 7 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 143 1. CẤU TẠO Những dạng phổ biến nhất của tiết diện cột liên hợp thép - bê tông được thể hiện trong hình vẽ dưới đây, có thể phân loại theo 3 nhóm chính: tiết diện bọc bê tông hoàn toàn, tiết diện bọc bê tông không hoàn toàn, và tiết diện rỗng nhồi bê tông. Hình 7.1. Một số tiết diện cột liên hợp Tiết diện cột bọc bê tông (hình 7.1(a),(b),(c)) thưởng được sử dụng trong dân dụng vì lớp bê tông bọc bên ngoài đóng vai trò là lớp bảo vệ chống cháy, ngoài ra, cốt thép dọc cũng được bổ sung để tạo khả năng liên kết và tăng sức chống cháy. Với loại tiết diện cột bọc bê tông một phần (hình 7.1(b), (c)) thi công dễ dàng, nó cung cấp bề mặt thép phục vụ cho việc hàn và tạo các mối liên kết, trong khi loại tiết diện cột rỗng nhồi bê tông, gây ra hiện tượng kìm nén khối bê tông bên trong, làm tăng sức chịu tải. Cụ thể trong luận văn này, tiết diện cột thép chữ I bọc bê tông một phần sẽ được sử dụng. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Eurocode 4 đề xuất 2 phương pháp tính toán khả năng chịu lực của cột liên hợp Phương pháp thông thường Có xét đến ảnh hưởng của phi tuyến và sự chế tạo không hoàn hảo Có thể sử dụng với tiết diện không đối xứng và tiết diện thay đổi Sử dụng phương pháp số và cần có Phương pháp đơn giản Sử dụng đường cong mất ổn định của cột thép, hay còn gọi là “Đường cong uốn dọc Châu Âu” Xét đến những sai sót tiềm ẩn Áp dụng đối với cột có tiết diện không CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 144 phần mềm thích hợp để tính → Trong tiêu chuẩn thiết kế, không nêu nội dung của phương pháp này. đổi và đối xứng theo 2 phương. Cả 2 phương pháp đều dựa trên các giả thiết cơ bản sau : Tương tác giữa thép và bê tông là hoàn toàn cho tới khi cột phá hoại. Sự chế tạo không chính xác về hình học và kết cấu được kể đến trong tính toán. Tiết diện ngang luôn phẳng khi cột biến dạng. 3. ỔN ĐỊNH CỤC BỘ CỦA TIẾT DIỆN THÉP Chiều dày lớp bê tông bảo vệ : , 40 , 6 yz yz c c mm b cc (hình 7.1(a)) Lớp bảo vệ này phải được gia cường bằng cốt thép ngang, để đảm bảo lớp bê tông bảo vệ không bị hư hỏng do va đập và đủ khả năng chống mất ổn định của cánh. Đối với tiết diện nằm một phần hay tiết diện kín đổ đầy bê tông, độ mảnh cấu kiện của tiết diện thép phải thỏa mãn các điều kiện sau: 2 90 d t (ống tròn đổ đầy bê tông có đường kính d và chiều dày thành t) 52 d t (ống chữ nhật đổ đầy bê tông có chiều cao d và chiều dày thành t) 44 b t (tiết diện H được nằm một phần trong bê tông có bề rộng cánh b và chiều dày cánh t). Trong đó : 235 y f với f y (N/mm 2 ) là giới hạn dẻo đặc trưng của tiết diện thép 4. CỘT LIÊN HỢP CHỊU NÉN DỌC TRỤC 4.1. Điều kiện áp dụng phương pháp tính đơn giản a) Cột có tiết diện không đổi và có hai trục đối xứng b) Tỷ lệ lượng thép : , 0,2 0,9 y a a pl Rd f A N Nếu < 0.2, cột nên xem là cột bê tông cốt thép thông thường, Nếu > 0.9 cột nên xem là cột thép. c) Độ mảnh tương đối 2 d) Đối với tiết diện bọc bê tông hoàn toàn, chiều dày lớp bê tông bọc không được nhỏ hơn các giá trị sau : - Theo phương y: 40 0,3 zc mm c h - Theo phương z: 40 0,4 yc mm c b b c , h c xem hình 7.1(a) CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 145 e) Hàm lượng cốt thép trong cột phải thỏa: s 0% 6% c A A 4.2. Khả năng chịu nén dọc của cột liên hợp Khả năng chịu nén của cột liên hợp là tổng khả năng chịu nén của các yếu tố hợp thành khi đạt đến giới hạn dẻo. Khi bọc bê tông một phần hoặc hoàn toàn : , 0,85 y ck sk pl Rd a c s Ma c s f ff N A A A Với : A a , A c , A s lần lượt là diện tích tiết diện ngang của thép hình, bê tông, và cốt thép dọc f y , f ck , f sk lần lượt là giới hạn dẻo của lõi thép, cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông, và giới hạn dẻo của cốt thép dọc. γ Ma , γ c , γ s lần lượt là hệ số an toàn vật liệu của lõi thép, bê tông và cốt thép dọc. 4.3. Điều kiện ổn định của cột liên hợp 4.3.1. Độ mảnh qui đổi Lực tới hạn cr N của cột được tính theo công thức : 2 , 2 eff k cr fl EI N L Trong đó : (EI) eff,k – độ cứng của cột liên hợp L ft 2 – chiều dài của cột khi tính ổn định, với kết cấu khung nút cứng, có thể lấy bằng chiều dài hình học L của hệ. Đối với tải trọng ngắn hạn lấy : , 0,8 a a cd c s s eff k EI E I E I E I Trong đó : I a ,I c ,I s – lần lượt là mômen quán tính của tiết diện lõi thép, bê tông, cốt thép dọc. E cd – module đàn hồi tính toán của bê tông, cm cd c E E , E cm là module đàn hồi tiếp tuyến của bê tông lấy theo bảng 2.1 E a , E s – là module đàn hồi của lõi thép và cốt thép dọc γ c – hệ số an toàn khi tính độ cứng của bê tông lấy bằng 1,35. Với tải trọng dài hạn : Trong công thức trên thay E cd bằng E c : , 1 1 c cd G Sd t Sd EE N N Với : N G,Sd – thành phần dài hạn của lực nén dọc trục N Sd . φ t – hệ số từ biến, phụ thuộc vào tuổi của bê tông (xem EC2) Việc điều chỉnh module đàn hồi chỉ cần thiết nếu : CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 146 0,8 0,8 1 (đối với tiết diện nằm trong bê tông) (đối với tiết diện ống đổ đầy bê tông) Với , y a a pl Rd f A N Và 2 e d , trong đó e là độ lệch tâm , max,Sd Sd M e N Độ mảnh qui đổi trong mặt phẳng uốn đang xét : ,pl R cr N N N pl,R – giá trị của N pl,Rd khi các hệ số γ a , γ c , γ s lấy bằng 1. 4.3.2. Khả năng chịu lực của cột liên hợp theo điều kiện ổn định Cột liên hợp có đủ khả năng chịu nén dọc trục đối với cả hai trục nếu : ,Sd pl Rd NN Trong đó : χ – hệ số uốn dọc theo trục đang xét, giá trị của χ phụ thuộc vào độ mảnh qui đổi có thể tra theo bảng 7.1, hoặc tính theo công thức : 1/2 22 1 1 Với : 2 0,5 1 0,2 ở đây : α = 0,21 - Cho cột tiết diện rỗng nhồi bê tông. (đường cong a trong họ đường cong Châu Âu) α = 0,34 - Cho cột tiết diện chữ I bọc bê tông một phần hay hoàn toàn khi uốn theo phương trục khỏe của thép hình. (đường cong b trong họ đường cong Châu Âu) α = 0,49 - Cho cột tiết diện chữ I bọc bê tông một phần hay hoàn toàn khi uốn theo phương trục yếu của thép hình. (đường cong c trong họ đường cong Châu Âu) Bảng 7.1. Bảng tra giá trị hệ số uốn dọc χ CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 147 5. CỘT LIÊN HỢP CHỊU NÉN UỐN Cần tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của cột đối với từng trục đối xứng, khả năng chịu lực của cột dưới tác dụng của mômen và lực dọc được xác định theo đường cong tương tác M – N (hình 7.2). Hình 7.2. Biểu đồ tương tác giữa mômen uốn và lực nén M – N . 5.1. Đường cong tương tác phương trục chính CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 148 Hình 7.3. Biểu đồ ứng suất các điểm trên đường cong tương tác trục chính Các điểm đặc biệt trên đường cong tương tác: Điểm A : khả năng chịu nén CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 149 N A = N pl,Rd M A = 0 Điểm B : khả năng chịu uốn N B = 0 M B = M pl,Rd Điểm C : có cùng khả năng chịu uốn như điểm B nhưng chịu thêm lực nén N C = N pm,Rd M C = M pl,Rd Điểm D : mômen uốn giới hạn lớn nhất N D = 0,5N pm,Rd M D = M max,Rd Trong đó : N pm,Rd – là khả năng chịu tính toán riêng phần bê tông trong cột liên hợp. , 0,85 ck pm Rd c c f NA M max,Rd – là giá trị mômen lớn nhất theo phương trục chính có thể chịu được, khi đó trục trung hòa nằm giữa thép hình. Căn cứ vào sơ đồ phân bố ứng suất (điểm D), tính được giá trị M max,Rd như sau: max, 1 0,85 2 y sk ck Rd pa ps pc Ma s c f ff M W W W M pl,Rd – là khả năng chịu uốn dẻo của cột tính bằng công thức sau : , 1 0,85 2 y sk ck pl Rd pa pan ps psn pc pcn Ma s c f ff M W W W W W W Với : W pa , W ps , W pc – lần lượt là mômen chống uốn của lõi thép, cốt thép dọc, và tiết diện bê tông của cột liên hợp. W pa – cho trong bảng tra thép hình 1 . n ps si i i W A e trong đó e i là khoảng cách giữa các cốt dọc với trục trọng tâm của tiết diện. 2 4 cc pc pa ps bh W W W a) Trục trung hòa đi qua bụng lõi thép (h n ≤ h/2 – t f ) 0,85 2 0,85 2 0,85 2 2 0,85 ck sk ck c sn c s c n y ck ck cw c Ma c f f f AA h f ff bt A sn là tổng diện tích cốt dọc trong phạm vi 2h n 2 pan w n W t h CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 150 1 n psn sni zi i W A e với A sni là diện tích của cốt dọc trong phạm vi 2h n và e zi là khoảng cách giữa diện tích cốt dọc với trục trọng tâm lõi thép. 2 pcn c n pan psn W b h W W b) Trục trung hòa nằm trong cánh của lõi thép (h/2 – t f < h n ≤ h/2) 0,85 2 0,85 2 2 0,85 2 0,85 2 2 0,85 y ck sk ck ck c sn w f c s c Ma c n y ck ck c c Ma c f f f f f A A b t h t h f ff bb 2 2 2 4 wf pan n b t h t W bh 2 pcn c n pan psn W b h W W c) Trục trung hòa nằm ngoài tiết diện thép (h/2 < h n ≤ h c /2) 0,85 2 0,85 2 0,85 2 0,85 y ck sk ck ck c sn a c s c Ma c n ck c c f f f f f A A A h f b pan pa WW 2 pcn c n pan psn W b h W W 5.2. Đường cong tương tác phương trục phụ CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 151 Hình 7.4. Biểu đồ ứng suất các điểm trên đường cong tương tác trục phụ Các điểm đặc biệt trên đường cong tương tác: [...]... giá trị lực nén NSd như hình 7. 8 Hình 7. 8 Biểu đồ giá trị mômen cực hạn theo hai phương 156 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 6 LƯU ĐỒ THIẾT KẾ CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG Bắt đầu A Giả thiết tiết diện cột, thông số vật liệu Đặc trưng tiết diện Kiểm tra theo phương pháp đơn giản Kiểm tra nén uốn theo từng phương Kiểm tra nén uốn theo hai phương Kết thúc 1 57 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG KIỂM TRA THEO PHƯƠNG PHÁP... diện cột, mác thép Tỉ lệ lượng thép δ 0,2 ≤ δ ≤ 0,9 No A Yes Xác định độ mảnh tương đương λ λ≤2 No A Yes Trở lại 158 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG KIỂM TRA CỘT LIÊN HỢP NÉN UỐN MỘT PHƯƠNG Bắt đầu Tính giá trị nội lực do tải trọng tác dụng Thông số tiết diện cột, mác thép Biểu đồ tương tác M–N μ Hệ số k kể đến hiệu ứng thứ cấp bậc 2 No kMSd ≤ 0,9μdMpl,Rd A Yes Trở lại 159 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG KIỂM... hoại, thì tốt nhất nên kiểm tra theo 2 phương Cột liên hợp đủ khả năng chịu lực nếu M y ,Sd 0,9dy M pl , y ,Rd M z ,Sd 0,9dz M pl , z ,Rd và kể đến hiệu ứng thứ cấp (bậc 2) đồng thời cả hai phương : 155 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG M y ,Sd dy M pl , y ,Rd M z ,Sd dz M pl , z ,Rd 1 Hình 7. 7 Biểu đồ khả năng chịu lực của cột chịu nén uốn hai phương Kết hợp ba điều kiện trên, xác định được biểu... là tỉ số mômen (có xét dấu mômen) tại các đầu cột (–1 ≤ r ≤ 1), 4 nếu cột chịu tải ngang r = 1 Giải thích đồ thị trên hình 7. 5 154 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG Khi thanh chỉ chịu lực dọc, dựa vào đường cong Châu Âu, xác định được lực tới hạn thực tế, tương ứng với giá trị χ Với lực nén bằng hoặc lớn hơn giá trị χNpl,Rd không thể tác dụng mômen lên cột liên hợp được nữa Giá trị tương ứng của mômen uốn...CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG Điểm A : khả năng chịu nén NA = Npl,Rd MA = 0 Điểm B : khả năng chịu uốn NB = 0 MB = Mpl,Rd Điểm C : có cùng khả năng chịu uốn như điểm B nhưng chịu thêm lực nén NC = Npm,Rd MC = Mpl,Rd Điểm D : mômen uốn giới hạn lớn nhất ND = 0,5Npm,Rd MD = Mmax,Rd Trong đó : Npm,Rd – là khả năng chịu tính toán riêng phần bê tông trong cột liên hợp f N pm, Rd ... tại các đầu cột (–1 ≤ r ≤ 1), nếu cột chịu tải ngang r = 1 Ảnh hưởng của hiệu ứng thứ cấp được tính đến một các đơn giản bằng cách nhân giá trị của mômen lớn nhất MSd theo phân tích tuyến tính với hệ số khuếch đại k, giá trị k được tính như sau: k N 1 Sd N cr 1 Với : β = 0,66 + 0,44r ≥ 0,44 đối với cột chịu mômen hai đầu cột β = 1 khi cột chịu tải trọng ngang 153 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 5.4... c Ma Asn là tổng diện tích cốt dọc trong phạm vi 2hn 2 Wpan hhn 152 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG n Wpsn Asni eyi với Asni là diện tích của cốt dọc trong phạm vi 2hn và eyi là khoảng i 1 cách giữa diện tích cốt dọc với trục trọng tâm lõi thép 2 Wpcn hc hn Wpan Wpsn b) Trục trung hòa nằm trong cánh của lõi thép (tw/2 < hn ≤ b/2) f f f f f Ac 0,85 ck Asn 2 sk 0,85 ck... Với : Wpa , Wps , Wpc – lần lượt là mômen chống uốn của lõi thép, cốt thép dọc, và tiết diện bê tông của cột liên hợp Wpa – cho trong bảng tra thép hình n Wps Asi ei trong đó ei là khoảng cách giữa các cốt dọc với trục trọng tâm của tiết i 1 diện Wpc hcbc2 Wpa Wps 4 a) Trục trung hòa đi qua bụng lõi thép (hn ≤ tw/2) f f f Ac 0,85 ck Asn 2 sk 0,85 ck c c s hn f f f... dọc trục tính toán của cột Npl,Rd – khả năng chịu nén dẻo dọc trục tối đa của cột MRd – khả năng chịu mômen tính toán của cột Mpl,Rd – khả năng chịu mômen dẻo tối đa của cột χNpl,Rd – khả năng chịu nén dọc trục thực tế của cột khi kể đế sai số hình học và độ N mảnh vì thế Rd N pl , Rd Nếu cột chịu nén dọc với giá trị NSd và chịu thêm mômen uốn thì d N Sd N pl , Rd Nếu cột chịu nén dọc với giá... lực cắt Xem lực cắt ngang tính toán VSd do thép hình chịu Ảnh hưởng lực cắt chỉ được xét đến nếu lực cắt lớn hơn 50% sức kháng cắt của tiết diện thép: f Av y Ma V pl ,a , Rd 3 Với Av – là diện tích chịu cắt cảu thép hình 5.5 Khả năng chịu nén uốn một phương của tiết diện Phương pháp tính toán được thể hiện trên hình 7. 5 Hình 7. 5 Phương pháp tính toán cho cột chịu nén uốn một phương Các ký hiệu : . CHƯƠNG 7 CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 143 1. CẤU TẠO Những dạng phổ biến nhất của tiết diện cột liên hợp thép - bê tông được thể hiện. như hình 7. 8 Hình 7. 8. Biểu đồ giá trị mômen cực hạn theo hai phương CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 1 57 6. LƯU ĐỒ THIẾT KẾ CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG . tiết diện bọc bê tông hoàn toàn, tiết diện bọc bê tông không hoàn toàn, và tiết diện rỗng nhồi bê tông. Hình 7. 1. Một số tiết diện cột liên hợp Tiết diện cột bọc bê tông (hình 7. 1(a),(b),(c))