Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng kết cấu thép lien hợp theo Eurocode - Thầy Nhân
CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BTCT 1.1 Đại cương - Thép bê tông hai vật liệu bổ sung lẫn - Bê tông hiệu nén, thép chịu kéo tốt - Vỏ bê tơng ngăn cản ổn định thép - Bê tơng chống ăn mòn, cách nhiệt, chống cháy - Thép làm cho kết cấu dẻo dai - Ưu điểm dầm liên hợp có độ cứng khả chịu lực cao so với kết cấu thường - Nhờ có liên kết học bê tông dầm thép nên kết cấu liên hợp có trượt sàn bê tơng dầm thép bé so với kết cấu bê tông – thép thông thường 1.2 Các phương diện sử dụng kết cấu composite a Kiến trúc: - Thiết kế kết cấu liên hợp mang lại nhiều dạng kiến trúc - Giảm kích thước dầm có dịp lớn, mỏng, cột có độ mảnh bé - Linh hoạt nhiều lựa chọn thiết kế b Kinh tế: - Chiều cao tầng chiều cao cơng trình giảm → giảm diện tích tường bao che, tăng số tầng với tổng chiều cao nhà - Chi phí giảm kích thước bé (độ cứng lớn nên chuyển vị nhỏ, nhịp lớn tổng chiều cao bé) - Thời gian xây dựng nhanh: Tiết kiệm chi phí, sớm hồn thành cơng trình, sớm đưa cơng trình vào sử dụng c Công năng: - Chống cháy 1.2 Các phương diện sử dụng kết cấu composite d Bảo dưỡng tính linh hoạt: - Có thể cải tạo thời gian sử dụng - Có thể bảo dưỡng mà không xâm phạm đến người sử dụng - Cải tạo phương tiện dịch vụ: trần nhà, bên sàn giả, hộp chìm tường e Lắp đặt: - Sàn thi công sàn thép - Thanh chống tạm thời - Cốt thép thép định hình - Thi công nhanh đơn giản - Chất lượng xác 1.2 Các khía cạnh sử dụng kết cấu liên hợp f So sánh 1.2 Các khía cạnh sử dụng kết cấu liên hợp 1.3 Các phận kết cấu 1.3 Các phận kết cấu a Bản 1.3 Các phận kết cấu Thép định hình 1.3 Các phận kết cấu b Dầm 10 1.3 Các phận kết cấu c Cột 1.3 Các phận kết cấu d Mối nối 12 1.4 Phân tích kết cấu a Trạng thái giới hạn tới hạn (Ultimate Limit State) - Thường kiểm tra khả chịu lực cấu kiện chịu lực tác dụng, cấu kiện xem thành phần độc lập thiết kế - Kiểm tra với tải trọng tính tốn - Đối với dầm, phân tích theo đàn hồi, dẻo, phi tuyến - Thường cánh dầm thép kết cấu liên hợp ngăn cản ổn định nhờ bê tông Tuy nhiên chịu moment âm cánh chịu nén ngăn cản ổn định nên phải kiểm tra ổn định xoắn ngang b Trạng thái giới hạn sử dụng (Serviceability Limit State) - Kiểm tra độ võng nứt bê tơng - Phân tích đàn hồi tính tốn theo trạng thái giới hạn sử dụng 13 1.5 Các cơng trình tiêu biểu a Millennium Tower (Vienna – Autria) - Số tầng: 55 - Chiều cao: > 202m (kể antenna) - Diện tích mặt bằng: 1000 m2 - Thời gian xây dựng: tháng (từ tháng đến tháng 12, 1998), ~ 2.5 tầng tuần - Chiều dày bản: 19 cm - Ổn định theo phương ngang: lõi thang máy thang BTCT - Cột ống composite - Kinh phí: 145,000,000 Euro 14 1.5 Các cơng trình tiêu biểu 15 1.5 Các cơng trình tiêu biểu b Ngân hàng thành phố Duisburg (Germany) - Số tầng: 15 - Chiều cao: 75m - Diện tích mặt bằng: 14500 m2 - Ổn định theo phương ngang: lõi bê tông (thi công 3m/ ngày) 16 1.5 Các cơng trình tiêu biểu c Bãi đậu xe DEZ (Austria) - Chiều dày bản: 26 cm - Cột ống composite: đường kính 35.5cm - Bãi đậu xe tầng với diện tích 60x30m - Nhịp lớn nhất: 10.58m - Dầm công sôn: 4.80 17 1.6 Phân tích kết cấu a Tính tốn theo trạng thái giới hạn tới hạn - Phân tích đàn hồi phân tích dẻo - Liên quan đến khả chịu lực kết cấu - Dựa vào sức kháng cấu kiện riêng lẻ - Phải kiểm tra ổn định tổng thể kết cấu - Tính với tải trọng tính tốn b Tính theo trạng thái giới hạn sử dụng - Phân tích đàn hồi - Liên quan đến độ võng giới hạn nứt bê tông - Khống chế dao động - Tính với tải trọng tiêu chuẩn - Khơng có giới hạn độ võng, tính toán độ võng so sánh với giới hạn độ võng EC3 18 1.7 Mơ hình kết cấu a Sự làm việc khơng gian Đơn giản hóa việc tính khung khơng gian cách tính khung phẳng b Khung liên kết - Khung liên tục: bỏ qua không liên tục liên kết xem liên kết cứng - Khung đơn giản: xét đến tính không liên tục liên kết, xem liên kết khớp, khơng có khả chịu moment - 19 Khung bán liên tục: xem liên kết nửa cứng 1.7 Mơ hình kết cấu c Tương tác kết cấu móng - Trước tiên, kết cấu mơ hình với xem cứng, xác định tải tác tác dụng lên độ lún - Độ lún tính vào kết cấu dạng biến dạng tác dụng, từ đánh giá ảnh hưởng độ lún lên nội lực moment - Khi độ lún ảnh hưởng đáng kể đến nội lực, tương tác kết cấu móng phải xét đến cách sử dụng liên kết lò xo tương đương để mơ hình làm việc đất d Mơ hình khung - Mơ hình khung phù hợp với làm việc thực tế khung - Hình dáng khung thể đường thẳng qua tâm cấu kiện - Bỏ qua chồng bề rộng thực tế cấu kiện - Có thể xét đến bề rộng thực tế cấu kiện mối nối cấu kiện 20 6.1 Giới thiệu + Tiết diện thép ống đổ đầy bê tơng + Bê tơng bị kìm hãm bên thép ống nên cường độ nâng cao Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.2 Các phương pháp tính tốn EC4 đề xuất hai phương pháp tính khả chịu lực cột composite: + Phương pháp thông thường: ● Có xét đến ảnh hưởng bậc hai khơng hồn hảo ● Có thể sử dụng tiết diện khôn đối xứng ● Cần phần mềm thích hợp để tính tốn + Phương pháp đơn giản: ● Sử dụng đường cong ổn định cột thép ● Xét đến sai sót tiềm ẩn ● Áp dụng với cột có tiết diện đối xứng theo hai phương, chiều cao không đổi + Các giả thiết: ● Tương tác hồn tồn thép bê tơng đến phá hoại xảy ● Xét đến không hồn hảo hình học ứng suất thừa ● Tiết diện phẳng cột biến dạng Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.3 Ổn định cục thép + Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cy ≥ 40 mm cy ≥ b/6 + Lớp bảo vệ phải gia cường cốt thép ngang (cốt đai), để bảo vệ lớp bê tông khỏi bị hư hỏng va đập đủ khả chống ổn định cánh + Đối với tiết diện nằm phần hay tiết diện kín đổ đầy bê tông, độ mảnh cấu kiện tiết diện thép phải thỏa mãn điều kiện sau: - d/t ≤ 90ε2 (ống tròn đổ đầy bê tơng có đường kính d chiều dày thành t) - d/t ≤ 50ε (ống chữ nhật đổ đầy bê tơng có chiều cao d chiều dày thành t) - b/tf ≤ 44ε (tiết diện H nằm phần bê tơng có bề rộng cánh b chiều dày cánh t) Trong ε = √(235/fy,k) với fy,k cường độ chịu kéo tiêu chuẩn thép Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.4 Truyền lực thép BT liên kết dầm-cột + Các lực truyền từ dầm sang liên kết dầm cột phải phân bố phần thép bê tông cột composite Bản chất truyền lực từ thép sang bê tông phụ thuộc vào chi tiết kết cấu theo đường truyền tải trọng + Chiều dài cần thiết p để hình thành tồn lực nén phần bê tơng cột, p ≤ 2d (có thể p ≤ 2.5d) + Lực truyền chiều dài p khơng phải tồn tổng phản lực liên kết phần lực truyền cho bê tông tiết diện cột composite Một Force transfer in a composite beancolumn connection Lê Văn Phước Nhân phần phản lực phải bê tông chịu ĐH Bách Khoa TPHCM 6.4 Truyền lực thép BT liên kết dầm-cột + Trong tính tốn, khả chịu cắt mặt tiếp xúc thép bê tông giả định không lớn giá trị sau: ● 0.3 N/mm2 tiết diện nằm hồn tồn bê tơng ● 0.4 N/mm2 tiết diện ống đổ đầy bê tông ● 0.2 N/mm2 cánh tiết diện nằm phần bê tông ● 0.0 bụng tiết diện nằm phần bê tông + Thiết kế chi tiết liên kết cột - dầm có ảnh hưởng đáng kể khả chịu cắt Ảnh hưởng ứng suất tiếp tuyến (hoop-stress), kìm hãm ma sát liên kết mật thiết với sơ đồ liên kết sử dụng + Cột có thép hình nằm bê tơng có độ bền liên kết thép bê tông không đủ để truyền cho phần bê tông phạm vi chiều dài cho phép sử dụng chốt liên kết chịu cắt hàn với bụng tiết diện thép Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.4 Truyền lực thép BT liên kết dầm-cột + Khả chịu cắt chốt PRd làm tăng bám dính thép bê tơng Cường độ bám dính bổ sung, tác dụng mặt cánh, lấy μPRd cánh Hệ số μ ban đầu lấy 0.5 Giả thiết có giá trị khoảng cách cánh nhỏ giá trị tính milimet hình vẽ sau: Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.5 Phương pháp tính tốn đơn giản hóa + Phạm vi sử dụng: ● Cột có hình lăng trụ đối xứng hai trục có 0.2 < hc/bc < 0.5 ● Sự phân bố tương đối tiết diện thép khả chịu lực tiết diện comosite là: Aa f y £ d = + Độ mảnh tương đối: ga N pl Rd £ l £ ● Đối với tiết diện nằm bê tơng, diện tích cốt dọc phải ≥ 0.3% diện tích tiết diện ngang bê tông, lớp bê tông bảo vệ phải thỏa: Theo phương y: 40mm ≤ cy ≤ 0.4bc Theo phương z: 40mm ≤ cz ≤ 0.3hc bc hc cho hình 1a ● Diện tích cốt dọc tính đến khả chịu lực tiết diện nhỏ 6% tiết diện bê tông Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục 6.6.1 Khả chịu lực tiết diện: + Khả chịu nén cột composite tổng khả chịu nén dẻo yếu tố hợp thành + Đối với tiết diện thép nằm hoàn toàn phần bê tông: N pl Rd = Aa fy g Ma + Ac ´ 0.85 f ck gc + As f sk gs (1) + Đối với tiết diện ống đổ đầy bê tông: N pl Rd = Aa fy g Ma + Ac f ck gc + As f sk gs (2) với Aa, Ac, As - diện tích tiết diện ngang thép hình, bê tơng thép dọc tương ứng Sự tăng khả bê tông từ 0.85 lên 1.0 thép ống đổ đầy bê tơng ảnh hưởng kìm hãm Lê Văn Phước Nhân 10 ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục + Đối với tiết diện ống tròn đổ đầy bê tơng: ● Khả chịu nén nâng cao ứng suất tiếp tiết diện ● Điều xảy ống thép đủ cứng để ngăn cản nở hông bê tông chịu nén dọc trục ● Điều kiện áp dụng: Mmax,Sd ≤ 0.1NSdd l £ 0.5 với d đường kính ngồi cột NSd lực nén tính tốn tác dụng +Khả chịu nén dẻo tiết diện tròn lấp đầy bê tơng tính sau: N pl Rd = Aah a fy g Ma f ck æ f t fy ữữ + As sk ỗỗ1 + h c d f ck ø gc è gs + Ac (3) Trong đó: t – chiều dày thành ống + Độ lệch tâm e: e= M max, Sd (4) N Sd 11 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục + Khi < e ≤ d/10 ỉ è dø h a = h a + (1 - h a )ỗ10 ữ eử dứ ổ ố (5) (6) h c = h c + ỗ1 - 10 ÷ + Khi e > d/10 ηa = 1.0 ηc = + Trong phương trình (5) (6), ηa0 ηc0 giá trị ηa ηc độ lệch tâm e = ( ) h a = 0.25 + 2l £ (7) h c = 4.9 - 18.5l + 17 l ³ (8) 6.6.2 Độ mảnh tương đối cột composite Tải tới hạn đàn hồi Ncr cột composite tính cách dùng phương trình ổn định Euler N cr = Lê Văn Phước Nhân p (EI )eff , k L2ft (9) 12 ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục Trong (EI)eff,k độ cứng chống uốn tiết diện cột quanh trục xét ổn định, Lft chiều dài cột tính ổn định (chiều dài tính toán) Nếu cột tạo thành phần khung cứng lấy chiều dài ổn định chiều dài hệ a Đối với tải ngắn hạn: độ cứng chống uốn đàn hội hữu hiệu tiết diện composite cho bởi: (EI )eff ,k = E a I a + K e E cm I c + E s I s (10) Ia, Ic Is moment qn tính thép, bê tơng (khơng nứt) cốt dọc lấy mặt phẳng cần xét Ea Es modun đàn hồi thép hình cốt dọc Ecm modun đàn hồi cát tuyến bê tông Ke hệ số hiệu chỉnh nứt bê tơng, lấy 0.6 13 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục b Đối với tải trọng dài hạn: độ cứng chống uốn bê tông xác định cách thay modun đàn hồi Ecd có giá trị thấp Ec cho phép ảnh hưởng từ biến tính sau: (11) N G Sd 1+ jt N Sd Với NG Sd thành phần dài hạn tải thiết kế dọc trục NSd φt hệ số từ Ecd = Ecm biến, phụ thuộc vào tuổi bê tông (xem EC2) lúc chịu tải thời điểm xét, Đối với cột thường xét vào thời điểm vô hạn Sự hiệu chỉnh modul bê tông cần thiết nếu: ● tiết diện nằm bê tông: l > ● tiết diện ống đổ đầy bê tông: l> 0.8 1-d ● e/d < 14 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục Với: d= Aa f y (12) g Ma N pl Rd * Đối với khung không giằng khung có chuyển vị ngang: khơng có chuyển vị ngang: tiết diện bao bê tông: l > 5 1-d Độ mảnh tương đối cột composite mặt phẳng uốn xé xác tiết diện ống đổ đầy bê tông: định bởi: l= l> N pl , Rd (13) N cr Trong Npl,Rd giá trị khả kháng dẻo tính có dùng hệ số an toàn cục vật liệu γ a, γc, γs lấy 1.0 (hoặc sử dụng cường độ tiêu chuẩn (đặc trưng) vật liệu 15 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục 6.6.3 Ổn định cấu kiện Cột composite có đủ khả chịu ổn định mặt phẳng ổn định, tải dọc trục tính tốn thỏa bất phương trình: NSd ≤ χNpl,Rd (14) χ hệ số giảm cường độ mặt phẳng tính ổn định Bảng Đường cong ổn định Euro Imperfection cấu kiện Đường cong ổn định Dạng tiết diện Độ khơng hồn chỉnh Đường cong a (α = 0.21) Đổ đầy bê tôn, cốt dọc (As/A c< 3%) hay không cốt dọc, tiết diện ống không bổ sung thép I L/300 Đường cong b (α = 0.34) Tiết diện H bê tông bao phần toàn bộ, ổn định trục (y-y) tiết diện thép Tiết diện ống đổ đầy bê tơng có cốt dọc (3% 1.0 không dùng trừ MSd gây trực tiếp bời NSd , tác dụng lệch tâm lên cột tĩnh định 28 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.7 Khả chịu nén uốn 6.7.5 Khả chịu lực tiết điện chịu nén uốn hai phương Khi cột composite chịu nén uốn hai phương, trước tiên cần kiểm tra khả chịu lực chịu nén uốn phương mặt phẳng uốn Sau kiểm tra nén uốn hai phương Chỉ cần tính đến độ lệch tâm mặt phẳng dể xảy phá hoại (trường hợp hình 7a) Trong mặt phẳng uốn lại, ảnh hưởng độ lệch tâm bỏ qua (trường hợp hình 7b) 29 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.7 Khả chịu nén uốn Điều biểu diễn hai điều kiện đồng thời: My.Sd ≤ 0.9μdyMpl.y.Rd (29) Mz.Rd ≤ 0.9μdzMpl.z.Rd (30) Nếu có nghi ngờ mặt phẳng phá hoại, nên xem xét ảnh hường độ lệch tâm theo hai phương Để tính đến ứng suất lớn gây moment giới hạn cho bất phương trình (18) (19), tác dụng hai trục vng góc, cơng thức quan hệ tuyến tính phải đảm bảo hai moment tính tốn Moment tính tốn xét đến hai độ lệch tâm gia tăng ảnh hưởng “P-δ” M y Sd m dy M pl y Rd + M z Sd £ 1.0 m dz M pl z Rd (31) 30 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM 6.7 Khả chịu nén uốn Ba điều kiện (18), (19) (20) xác định quỹ đạo cường độ tới hạn dạng moment tính tốn trực giao giá trị lực nén tính tốn NSd hình 7(c) 31 Lê Văn Phước Nhân ĐH Bách Khoa TPHCM ... phận kết cấu 1.3 Các phận kết cấu a Bản 1.3 Các phận kết cấu Thép định hình 1.3 Các phận kết cấu b Dầm 10 1.3 Các phận kết cấu c Cột 1.3 Các phận kết cấu d Mối nối 12 1.4 Phân tích kết cấu a... nhân bên - Bản thép dầm sản xuất nhà máy nên hạn chế sai số kích thước Giới thiệu Cấu tạo sàn: Sàn thép, cốt thép, bê tông đổ chỗ - Khi bê tông đông cứng, kết cấu sàn làm việc sàn liên hợp thép. .. tính khơng liên tục liên kết, xem liên kết khớp, khơng có khả chịu moment - 19 Khung bán liên tục: xem liên kết nửa cứng 1.7 Mơ hình kết cấu c Tương tác kết cấu móng - Trước tiên, kết cấu mơ hình